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1脉冲激光焊接GirishKelkar博士美国加利福尼亚州塞里图斯WJMTechnologies公司girish@welding-consultant.com翻译得不错，如果将图放置原文中会更好！由于激光器价格的下降和性能的提高，在制造领域中激光焊接日益被接受，。激光焊接是独特的，因为它提供了非接触式气焊，这种焊接方式不受焊接材料的导电性和磁性的影响。激光器可用于脉冲或CW（连续波）模式。在脉冲模式中激光焊接类似于电阻点焊，在CW模式中激光焊接类似于电弧焊接。CW模式配合弧焊工艺常用于大型结构焊接，脉冲焊接常用于微小的焊接元件，如心脏起搏器，微波炉罩，电池，传感器。脉冲激光焊接能用于缝焊，重叠的脉冲能保证它的气密性。激光脉冲具有许多功能需要去理解和充分认识，这样才能利用激光焊接的好处。本文将讨论激光脉冲的所有方面，包括初始耦合，焊缝熔合和冷却。组合这些特性可以有效地用于控制焊缝熔深，焊缝尺寸，焊接模式（热导焊与匙孔焊），残余应力，以及相关的缺陷如:气孔和裂缝。关键词：脉冲激光焊接，耦合，熔合，冷却速度，残余应力，裂纹，气孔。简介激光的许多属性都适用于激光焊接。一束激光是单色的（单波长）和准直的（平行），因此它可以被聚焦到一个非常小的地方，光子密度高到可以在几毫秒内足够熔化金属和合金。激光的波长通常由激光源确定。脉冲焊接最常用的是波长为1.064微米的Nd：YAG激光，这种激光具有通过光纤传输的功能。新一代的光纤激光器产生的激光也是这一波长。光纤激光器具有光束质量好的优点，它的工作距离（透镜和工件之间的距离）达10英寸,传统YAG激光器的工作距离只有两英寸.市面上另有一个光源是波长为10.64微米的CO2激光，它被认为经常被运用于连续波焊接而非脉冲焊接。激光束在穿过空气或真空时损失的能量最小。在一些应用中，整个激光传送的硬件包括焦头和光纤要安装在一个没有氧气和水蒸气污染的手套箱中，因为这对焊接钛金属来说是必要的。如果需要的话，在可控制的环境中产生一个传递激光能量的石英窗口。激光焊接不要求被焊接的部分是导电的，而其他的焊接方法包括电阻焊接，2电弧焊接，电子束焊接都要求焊接的部分是导电的。因此，激光焊接已被用于各种类型材料的焊接，包括金属，陶瓷/玻璃和塑料。在焊接金属中，像焊接玻璃一样所有的激光能量被金属的表面吸收，部分能量被表面吸收而其余的部分被里面吸收。焊接塑料是通过在焊接界面促进吸收激光能量，另一种是通过用一个吸收层或者部分被染色的优先吸收能量。也许导致越来越多地使用激光焊接的最重要的原因是激光能点焊。激光光束聚焦到一个点可以在几毫秒内加热，熔化和凝固，对周围的材料和组件影响较小。因此，在各种制造行业包括医疗设备，传感器，电池，微波附件激光点焊正在发现它的用途。随着用途的增长，激光电源供应能力包括闭环反馈和脉冲整形有了实质性的改善。由于激光脉冲焊接推到它的极限在新的和独特的应用，在焊接部分的激光脉冲和它的影响有好的说明这将变得越来越重要。本文介绍了激光脉冲的过程及其在焊缝大小，形状，残余应力和缺陷方面的影响。激光脉冲的过程激光脉冲可以被分成三个不同的阶段：耦合，熔化和冷却。虽然每个阶段的时间过程是以毫秒来区分的，每个区段的作用都影响到其他阶段，了解该三个阶段的功能可让用户仔细调整焊接脉冲以产生所需的结果。耦合脉冲的典型形状在图1中示出。耦合激光不能穿透金属和合金。打在金属表面的激光束的光子被吸收或反射。在室温下大多数金属/合金对激光有良好的反射。图2示出了室温下几种有代表性金属的吸光系数为激光频率[1]的函数。因此，多数打在焊缝区的初始光子从表面反射掉了。而剩下几个光子的能量被吸收转化为热量，并且升高了金属表面的温度。随着温度的升高，在焊缝表面的吸光系数业升高，并且跟着更多的光子被吸收。吸光率随温度的升高而增加导致连锁反应，在一个很短的时间内几乎所有打在焊缝区的光子被吸收，焊缝区也达到了熔点（图3）。此过程中，在室温下从最初的光子被反射过渡到多数光子被吸收而使焊缝区达到熔融状态的这一过程被定义为耦合。耦合是受多种因素影响。光子的密度可以加速耦合；脉冲开始时的峰值功率越大，耦合速度越快，因此耦合花的时间也越短。耦合也受表面条件影响，表面条件可以影响吸收率。氧化物能更好地吸收激光能量，因此一层薄薄的氧化物可以帮助。粗糙的表面相比光滑的表面也能提高耦合速度；这样可以在焊接位置进3行蚀刻，机械加工，或冲压故意制造一个粗糙的表面。较暗的颜能更好地吸收激光，因此在室温下在高反射率材料的表面用铅笔涂一层石墨能增加耦合。耦合也受到焊缝几何形状的影响；一个有微小间缝的对接焊缝可以很好的提高耦合，是因为激光射在间缝里面可以被更好地吸收。融化区耦合已被建立后，下一阶段的脉冲在建立的焊缝熔合区开始。当激光功率密度较低时，光子仅在表面被吸收，产生的热量通过热传导到金属的内部，这种类型的焊接模式被称为热导焊[2]，如图4。一旦熔合区中的金属熔化时，一些热量通过对流也转移到里面。通过这种模式焊缝熔合区要形成浅碗状。图5展示出了激光焊接中的这种情形。当激光功率密度较高时，焊接熔融金属开辟一个匙孔并在里面形成高压等离子体（图4）。一个匙孔的形成能使激光束深入金属内部。由于被吸收的光子在匙孔内的多重反射，从而进一步增加有效吸光系数。在匙孔模式中焊缝形状是一个纵横比率较高的锥形。在脉冲模式下，在脉冲结束时被焊接脉冲打开的匙孔被关闭。在焊接结束时正在凝固的熔融金属能截留高压等离子体，从而导致在匙孔底部形成细孔，如在图5B中看到的。在第二阶段的脉冲，重要的是控制焊接温度，确保能量供给充足的同时也要确保焊缝没有过热。过度加热速率会导致焊缝金属从融合区被抛出而形成焊接飞溅。控制高熔点合金的焊接温度是最简单的，例如不锈钢就很容易吸收YAG激光的光子。控制焊接温度而不过热最困难的是易反射、熔点低和熔点温度范围窄的铝合金。由于典型的脉冲激光焊接持续时间非常短，范围在1-10毫秒内，直接测量焊接温度是困难的，必须根据焊接结果估计。冷却在脉冲第二阶段产生的熔融金属被固体金属包围。如果激光脉冲使焊缝熔化后突然终止，焊缝会很迅速地冷却。实际上，脉冲激光点焊具有最快的冷却速率，可能仅次于电阻点焊。这种快速冷却率可能会导致许多问题，包括气孔，高残余应力，裂纹，焊缝金属硬度过高。控制冷却速度可以缓解其中一些问题。焊缝的大小和形状在脉冲过程中形成的焊缝熔合区的大小和形状取决于输入功率密度（结合峰4值功率和光斑尺寸），热扩散率，和焊接持续时间。持续时间短峰值功率高的脉冲能产生较深的焊缝但也可能导致过度飞溅。峰值功率较低，且持续时间较长的脉冲产生较浅的焊缝和飞溅少。焊缝尺寸——焊缝表面的直径，不停地变大直到它到达一个稳定的状态吸热和散热达到平衡[3]，如在图6中示出。焊缝熔深——焊缝深度测量，和峰值功率有关，并迅速达到稳定状态（图6）。两种不同材料对焊接时，焊缝熔核的形状可能会出现非对称的，这是由于它们的热扩散率和吸光系数不同造成的，如在图5C和5D中所示。焊接飞溅和气孔不断变化的脉冲模式是可以控制某些常见的焊接缺陷，焊接飞溅，气孔和裂缝。焊接飞溅被定义为从熔合区溅出的熔融金属液滴。飞溅物可通过降低峰值功率和焊缝温度控制。但是，改变这些设置也可以导致焊缝熔深变浅。在激光焊接中形成气孔的原因有多种。原因之一是在焊缝脉冲结束时匙孔快速关闭。可以使用更长的冷却时间而促使气孔上升到顶部；气孔能不能被完全驱逐出焊缝取决于焊缝深度。气孔也可以由污染物蒸发时释放气体形成。为了避免这样的气孔，应利用一个较长的上坡在融合区形成之前燃烧掉污染物。如果需要的话，低能量的预脉冲也可以被使用。气孔形成的另一个原因是低沸点的材料，如镀锌材料和锌合金中的锌。激光脉冲焊接单独控制这些气孔不产生很难，一般建议在焊接之前除去镀的锌。小气孔是由于气体在液态金属到固态金属溶解度下降造成的。一个例子是气孔的形成是由于液态铝凝固时释放出氢。氢经常是以吸附在表面氧化层的水分或保护气体中的水蒸汽的形式引入的。裂纹在焊接中形成裂纹的因素主要有三个，包括本身的缺陷，高应力状态，脆性材料。目前在几乎所有的焊接中细微的缺陷是很难去避免的。此外，焊缝结构往往引入了提供了高应力集中的几何缺陷而产生裂纹。高应力状态往往是存在于所有的焊接中，特别是在焊接工艺中冷却速率最快的激光点焊。这种应力，特别是在脆性材料中如高碳钢，往往会导致开裂。在一个三维熔融金属中快速轴向冷却，常可导致非常高的应力和冷却裂纹即使是在韧性非常好的金属如铝。在融合脉冲过后冷却应力可以通过延长冷却时间来减少。缓慢冷却可以降低hardendable钢中的马氏体百分比。与冷却应力有关的裂纹如图7，在焊接部分会出现穿晶。焊接产生的应力不是形成裂纹的唯一因素；冶金问题也能产生裂纹，由于对焊缝的过度限制、设计和夹具都能导致裂纹。5总结激光焊接是一种非接触式气焊过，这对点焊来说一个极好的选择。激光脉冲点焊过程有多个阶段，包括耦合，融化，和冷却。要发展成一种没有焊接缺点的强大焊接方式了解它的每个阶段的作用是至关重要。参考文献1.Ready,J.F.,IndustrialApplicationsofLasers,NewYork,AcademicPress,1978.2.Steen,W.M.,LaserMaterialProcessing,NewYork,Springer,2003.3.Duley,W.W,LaserWelding,NewYork,JohnWiley&Sons,1998.6图1展示了两个典型的激光脉冲的耦合、融化和冷却阶段。在应用中每部分的时间、形状和能量功率的变化关系。图2在室温下金属吸收激光能量。注意银白色的金属是容易的反射YAG激光。在室温下灰色金属如钢材容易吸收激光。7图3显示了激光吸光率随温度的增加而增加，金属融化时吸光率急剧增加。吸光率曲线的形状随不同的金属而异，但整体形状是相似的图4展示了热导焊和匙孔焊。导导焊模式下的焊缝宽而浅，匙孔焊模式下的焊缝窄而深。8图5激光焊缝的横截面表示热导焊（A），匙孔焊（B），和焊接部分在热扩散系数（C）和反射率（D）的不同的影响。图6图形显示了在给定的峰值功率下持续时间与焊缝熔深和焊缝尺寸的关系。9图7图显示出典型位置在快速冷却过程中引发的应力导致裂纹的形成。部分约束和材料等其他因素也可能影响残余应力和裂纹。