4-激光焊接特性

先进焊接与连接技术国家重点实验室激光焊接特性哈尔滨工业大学陶汪你应该知道：1.激光焊接基本原理？2.激光焊接的主要参数？3.常用材料的激光焊接性？4.激光焊接易出现的问题？一、激光焊接原理热导焊接深熔焊接热导焊传热特性深熔焊传热特性一、激光焊接原理ProcessHeatsourceintensityFusionzoneprofileFluxshieldedarcwelding5×102~104Gas-shieldedarcwelding5×102~104Plasma5×102~106LaserorEB5×106~108lowhighlowhighdefocusfocus一、激光焊接原理特征描述高能密度-匙孔深熔焊大深宽比焊缝、低变形高速焊接高效率、降低成本快速启停与弧焊对比大气环境下焊接与电子束对比无X光辐射与电子束对比热影响区小可以焊接热敏感材料焊接精度高适合特殊接头自动化程度高适合工业化规模生产激光可以实现分光、分时适合多工位焊接大厚板焊接(t20mm)与其他方法对比O焊接高反射率材料与其他方法相比X设备成本与其他方法相比X激光焊接的主要特点二、激光焊接的主要影响因素光束特性能量，脉冲或连续光斑尺寸和模式偏振波长焊接特性焊接速度聚焦位置接头几何尺寸间隙保护气成份保护方式压力、流速材料特性成份表面状态激光能量斑点尺寸光束模式偏振波长保护气成份保护方式流速接头形式几何尺寸间隙表面状况材料成份焊接速度聚焦位置二、激光焊接的主要影响因素1、激光能量304不锈钢6kW4kW2kW1kW1050050100焊接速度,V/(mm/s)熔深，h/mm激光功率直接影响焊接深度。一定板厚焊接，需要匹配合适的焊接速度与激光功率。0.483(1)pmPRvWCTP:激光功率(W)R:反射率v:焊接深度(m/s)W:焊缝宽度(mm):(mm)板厚:(J/kgK)pC比热容()mTK：材料熔点二、激光焊接的主要影响因素2、脉冲能量调Q脉冲：初期抑制激光振荡，积累工作物质上能量粒子数；打开Q开关，高能粒子雪崩式跃迁，极短时间内释放能量。脉冲固体激光器：低平均功率，高峰值脉冲能量，短脉宽(200ms)优势：适用焊接高反射率材料，更大熔深、低变形。脉冲参数：脉冲频率、脉冲能量、脉冲宽度、峰值功率P/Wt/s峰值功率平均功率tstp二、激光焊接的主要影响因素脉冲频率f(Hz)脉冲频率、光斑直径、焊接速度的匹配，决定焊缝重叠率。单位脉冲能量E(J)脉冲峰值功率P(W)脉冲宽度t(s)EPt脉冲平均功率Pe(W)PefE脉冲焊关键：一定脉冲能量或平均功率基础上，可以调节峰值功率和激光作用时间。铝合金：500Hz频率、P=1000W、Pe=2000W脉冲焊接速度可以提高3倍，熔深提高60%。二、激光焊接的主要影响因素3、光斑直径光斑直径决定激光能量密度，从而影响焊缝熔深、焊接速度和激光功率的匹配。光斑直径取决于：光束质量、焦距、焦点位置光斑直径的选择：深宽比、材料反射率、连接间隙4、波长波长影响材料和等离子体对激光的吸收率。2122230262]/(1[)2(3lnpeeieKTmcNNeZ二、激光焊接的主要影响因素5、焊接速度焊接速度影响熔池流动方式和尺寸。低焊接速度：熔池大而宽，容易下塌高焊接速度：熔池凝固速度大于回填速度，容易形成咬边、隆起二、激光焊接的主要影响因素6、焦点位置焦点位置直接影响光束能量在材料表面及内部的分布状态，由接头类型、间隙、错位和所需焊缝熔深、熔宽决定。对接接头：熔深最大；搭接接头：熔宽最大222RayleighfZrK二、激光焊接的主要影响因素激光焊接的接头设计高能量密度、高速焊接冷却速度快材料蒸发、匙孔激光辐射加热三、常用材料的激光焊接性激光焊接主要问题裂纹、气孔气孔材料反射损失能量热裂纹敏感材料：高碳、硫、磷材料三、常用材料的激光焊接性MaterialCrackCompositionCSiMnCuFeNiCrMoother高温合金B2高0.121.01.04-6Rm1.026V,Co高温合金C40.121.01.04-6Rm1516V,CoInconel6000.080.250.50.258.015.5-AlInconel7180.08--0.1518.5193Nb,Ti316不锈钢0.081.5-32.0Rm23310不锈钢0.251.52.0Rm24高温合金X0.1515.8229Co,W,Al330不锈钢0.081-1.52.01.0Rm176系铝合金0.64.4MgAl2系铝合金低1.5Rm三、常用材料的激光焊接性碳钢采用激光焊接时，材料的含碳量(碳当量)不应高于0.2%。碳当量超过0.3%焊接难度增加，冷裂纹倾向加大，增加材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向。激光焊接性能较好，因为材料在浇注前加入了铝、硅等脱氧剂，使得钢中含氧量降到很低程度。如果钢没有脱氧(如沸腾钢)，不能用激光进行焊接，否则气体逸出过程中形成的气泡很容易导致气孔的产生。镇静钢和半镇静钢含硫量高于0.04%或含磷量高于0.04%的钢激光焊接时易产生裂纹。硫、磷含量三、常用材料的激光焊接性激光焊接性能一般都较好，奥氏体不锈钢由于加入硫和硒等元素以提高机械性能，凝固裂纹的倾向有所增加。奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收率比碳钢略高，焊接熔深约比普通碳钢深5~10%左右激光焊接奥氏体不锈钢的热变形和残余应力相对较小，采用其它常规焊接方法时，奥氏体不锈钢会产生比碳钢大50%的热膨胀量。奥氏体不锈钢不锈钢三、常用材料的激光焊接性高反射率金属－铝铝合金的激光焊接需要相对较高的能量密度：铝合金反射率较高；铝合金的导热系数很高。液态铝的粘度较低，表面张力也很低。许多铝合金中含有易挥发的元素，如硅、镁等。激光焊接铝的问题：气孔、热裂纹和焊缝不规则性。三、常用材料的激光焊接性铝合金双光束激光焊接总功率相同时，双光束焊接焊缝表面成形优于单光束，焊接熔深没有明显增大。单光束串行，L=0.6mm并行，L=0.6mm三、常用材料的激光焊接性铝合金双光束填丝焊P=1300WVL=1.3m/minP=1400WVL=1.9m/minP=1600WVL=3.0m/min焊缝余高0.41mm背面下塌0.31mm焊缝余高0.46mm背面下塌0.18mm焊缝余高0.27mm背面下塌0.18mm三、常用材料的激光焊接性钛及钛合金激光焊可获高质量、塑性好的焊接接头。钛对由氧气、氢气、氮气和碳原子所引起的间隙脆化很敏感，特别注意接头的清洁和气体保护问题。钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮。对热裂纹不敏感，焊接时会在接头的热影响区出现延迟裂纹，氢是主要原因。气孔是钛及钛合金焊接时一个主要的问题。消除气孔的主要途径：a)用高纯度的氩气进行焊接，纯度高于99.9%；b)焊前清洗；c)合适焊接规范。三、常用材料的激光焊接性钛合金表面氧化V=0.8m/min,P=1000WV=1.2m/min,P=1000WV=1.6m/min,P=1000WV=2.0m/min,P=1000WV=2.4m/min,P=1000WV=2.8m/min,P=1000W四、激光焊接的优缺点能量密度大精度高焊接速度快变形小柔性大成本装配精度反射率气孔、裂纹等离子体熔池匙孔五、问题解决途径焊接过程质量监测开发新型激光器功率提高、光束质量改善、成本降低工艺优化保护气体、能量输出形式控制，改变材料表面状态开发高效高适应激光焊接技术复合热源焊接、激光填丝填粉焊、双光束焊接等五、问题解决途径气体种类CO2激光焊抑制等离子体能力(电离能)抗氧化能力相对价格典型流量焊缝成形局限性氦气非常好(24.5eV)好高20~30l/min最深无氩气较差(15.7eV)非常好适中30~45l/min宽电离能低，喷嘴设计及流速很关键氮气(无氧)较差(15.5eV)好低30~45l/min较深电离能低，某些钢产生脆化二氧化碳较差(14.4eV)差最低30~45l/min正常不适应活性金属(Ti,Cr-Ni钢)，焊缝表面有轻微氧化20％氦＋氩好非常好适中25~35l/min正常为提高等离子体抑制效果，含氦量需达到50％五、问题解决途径不同保护气下等离子体形态氩气1400w1600w1900w氦气1800w1400w2200w五、问题解决途径3高碳钢，裂纹敏感材料及异种材料高反射材料如铜合金，银合金以及一些铝合金表面杂质含量较多的材料表面金属易挥发的材料，如镀锌板问题你是否已经知道：1.激光焊接基本原理？2.激光焊接的主要参数？3.常用材料的激光焊接性？4.激光焊接易出现的问题？