焊接程序(激光焊接的主要参数)
激光深熔焊接的主要工艺参数
1)激光功率。在激光焊接中，存在激光能量密度的阈值，在该阈值以下，穿透深度非常浅。一旦达到或超过这个值，穿透深度就会大大增加。只有当工件上的激光功率密度超过阈值(与材料有关)时，才会产生等离子体，这表明稳定的深熔焊接。如果激光功率低于这个阈值，只有工件的表面会熔化，也就是说，焊接将以稳定的热传导模式进行。然而，当激光功率密度接近小孔形成的临界条件时，深熔焊接和导电焊接交替进行，成为不稳定的焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊接时，激光功率同时控制熔深和焊接速度，如图1所示。焊接熔深与光束功率密度直接相关，并且是入射光束功率和光束焦点的函数。一般来说，对于一定直径的激光束，穿透深度随着光束功率的增加而增加。
图1功率对熔深和焊接速度的影响
2)光束焦点。光斑尺寸是激光焊接中最重要的变量之一，因为它决定了功率密度。但是对于高功率激光器来说，虽然有很多间接测量技术，但是它的测量是一个难题。
光束的衍射极限光斑尺寸可根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜的像差，实际光斑大于计算值。最简单的测量 *** 是等温轮廓法，即用厚纸灼烧穿透聚丙烯薄片后测量焦斑和穿孔直径。这种 *** 要通过测量实践掌握激光功率和光束作用时间。
3)材料吸收值。材料的激光吸收取决于材料的一些重要性质，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等。，其中吸收率是最重要的。
影响激光束吸收率的因素包括两个方面:一是材料的电阻系数。测量材料抛光表面的吸收率后发现，材料的吸收率与电阻系数的平方根成正比，电阻系数随温度而变化；其次，材料的表面状态(或光滑度)对光束的吸收率有重要影响，对焊接效果有显著作用。
CO2激光器的输出波长通常为10.6 μ m，陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属的吸收率。在室温下的吸收率非常高，而金属材料在室温下的吸收率非常差，其吸收率急剧增加，直至材料熔化甚至汽化。通过在表面使用表面涂层或氧化膜来提高光束的吸收是非常有效的。
4)焊接速度。焊接速度对熔深有很大影响。提高焊接速度会使熔深变浅，但过低的焊接速度会导致材料的过度熔化和工件的焊接熔深。因此，对于一定激光功率、一定厚度的特定材料，存在一个合适的焊接速度范围，在相应的速度值下可以获得更大熔深。图2显示了1018钢的焊接速度和熔深之间的关系。
图2 1018钢焊接速度与熔深的关系
5)保护气体。在激光焊接过程中，通常使用惰性气体来保护熔池。当某些材料可以不考虑表面氧化而进行焊接时，可以不考虑保护。然而，对于大多数应用来说，氦、氩、氮和其他气体通常用于保护工件在焊接过程中不被氧化。
氦气不易电离(电离能高)，使激光能顺利通过，光束能量能畅通无阻地到达工件表面。这是激光焊接中使用的最有效的保护气体，但价格昂贵。
氩气更便宜，密度更大，所以保护效果更好。但容易被高温金属等离子体电离。结果，部分光束被工件屏蔽，这降低了焊接的有效激光功率，并损害了焊接速度和熔深。氩气保护的焊件表面比氦气保护的焊件表面光滑。
氮气是更便宜的保护气体，但它不适合焊接某些类型的不锈钢，主要是由于冶金问题，如吸收，有时会在搭接接头中产生气孔。
使用保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液滴溅射。尤其是大功率激光焊接，这个时候更需要保护镜片，因为射流变得非常强大。
保护气体的第三个作用是消除高功率激光焊接产生的等离子体屏蔽。金属蒸汽吸收激光束电离成等离子云，金属蒸汽周围的保护气体也会被加热电离。如果等离子体太多，激光束会被等离子体消耗到一定程度。等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使熔深变浅，熔池表面变宽。通过增加电子与离子和中性原子的三体碰撞，增加电子的复合率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体才不会因为气体本身的电离而增加电子密度。
从表中可以看出，等离子云的大小随使用的保护气体不同而不同，氦气最小，氮气次之，氩气更大。等离子体尺寸越大，穿透深度越浅。造成这种差异的原因，一是气体分子的电离度不同，二是保护气体的密度不同造成了金属蒸汽的扩散差异。
氦的电离度和密度更低，它能迅速驱走金属熔池中产生的上升的金属蒸汽。因此，使用氦气作为保护气体可以更大程度地抑制等离子体，从而提高熔深和焊接速度。因为重量轻，可以逃逸，不容易造成毛孔。当然，从我们实际的焊接效果来看，氩气保护的效果还不错。
等离子体对熔深的影响在低焊接速度区最为明显。当焊接速度增加时，其影响会减弱。
保护气体在一定压力下通过喷嘴注入，并到达工件表面。喷嘴的流体动力学形状和出口直径非常重要。它必须用足够的保护气体覆盖焊接表面来驱动喷射，但为了有效地保护透镜，防止金属蒸气污染或金属飞溅损坏透镜，也要限制喷嘴尺寸。流量也要控制，否则保护气体的层流会变成湍流，气氛卷入熔池，最终形成气孔。
为了提高保护效果，可以采用附加侧吹，即通过直径较小的喷嘴，将保护气体以一定角度直接喷入深穿透焊的孔中。保护气体不仅抑制工件表面的等离子云，而且对孔内等离子体和小孔的形成产生影响，进一步增加熔深，获得理想的深宽比焊缝。但这种 *** 要求精确控制气体流量和方向，否则容易产生湍流，破坏熔池，使焊接过程难以稳定。
6)镜头的焦距。焊接时激光通常是聚焦的，一般使用焦距为63 ~ 254mm(2.5”~ 10”)的透镜。焦斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距也会影响焦深，即焦深与焦距同步增加，所以短焦距可以提高功率密度。但由于焦深小，镜头与工件的距离必须保持准确，穿透深度不大。由于焊接时产生的飞溅和激光模式，实际焊接中使用的最短焦深大多为126mm(5”)。当焊缝较大或需要通过增加光斑尺寸来增加焊缝时，可以选择焦距为254mm(10 ″)的镜头。在这种情况下，为了实现深穿透针孔效应，需要更高的激光输出功率(功率密度)。
当激光功率超过2kW时，特别是对于10.6μm的CO2激光束，由于采用特殊的光学材料构成光学系统，为了避免对聚焦透镜造成光学损伤的危险，往往采用反射式聚焦方式，一般采用抛光铜镜作为反射镜。由于其有效的冷却，它经常被推荐用于聚焦高功率激光束。
7)焦点位置。焊接时，为了保持足够的功率密度，焦点位置非常重要。焦点和工件表面之间相对位置的变化直接影响焊缝的宽度和深度。图3显示了焦点位置对1018钢的熔深和焊缝宽度的影响。在大多数激光焊接应用中，焦点通常设置在工件表面下所需穿透深度的大约1/4处。
图3焦点位置对1018钢熔深和焊缝宽度的影响
8)激光束位置。激光焊接不同材料时，激光束的位置控制着焊缝的最终质量，尤其是对接接头比搭接接头更敏感。例如，当将淬火钢齿轮焊接到低碳钢鼓上时，正确控制激光束的位置将有助于产生主要由低碳成分组成的焊缝，该焊缝具有良好的抗裂性。在一些应用中，焊接工件的几何形状要求激光束偏转一个角度。当光束轴和接合平面之间的偏转角在100度以内时，工件对激光能量的吸收将不受影响。
9)在焊接开始和结束点控制激光功率的增加和减少。在激光深熔焊接中，无论焊缝的深度如何，针孔总是存在的。当焊接过程终止且电源开关关闭时，焊接结束时会出现凹坑。此外，当激光焊接层覆盖原焊缝时，会发生对激光束的过度吸收，导致焊件过热或产生气孔。
为了防止上述现象，可以对功率的起止点进行编程，使功率的起止时间可调，即通过电子 *** 在短时间内将启动功率从零增加到设定的功率值，并调整焊接时间，最后在焊接结束时将功率从设定的功率逐渐降低到零。
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