激光功率
激光焊接存在一個激光能量密度閾值,低于這個閾值熔深很淺,一旦達到或超過這個值,熔深就會大大提高。只有當工件上的激光功率密度超過閾值(與材料有關)時,才會產生等離子體,這表明穩定的深熔焊接。如果激光功率低于該閾值,則只有工件的表面熔化,也就是說,焊接以穩定的熱傳導型進行。但是,當激光功率密度接近針孔形成的臨界條件時,深熔焊接和導電焊接交替進行,成為不穩定的焊接過程,導致熔深波動很大。在激光深穿透焊接中,激光功率同時控制穿透深度和焊接速度。焊接的穿透深度與束功率密度直接相關,并且是入射束功率和束焦點的函數。一般來說,對于一定直徑的激光束,穿透深度隨著光束功率的增加而增加。
光束焦點
光斑尺寸是激光焊接中Z重要的變量之一,因為它決定了功率密度。但是對于高功率激光來說,其測量是一個難題,雖然有很多間接測量技術。
光束焦點的衍射光斑尺寸可根據光衍射理論計算,但由于聚焦透鏡的像差,實際光斑尺寸大于計算值。Z簡單的測量方法是等溫輪廓法,即厚紙燒穿聚丙烯板后測量焦斑和穿孔直徑。這種方法需要通過測量實踐掌握激光功率和光束作用時間。
材料吸收值
材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性質,如吸收率、反射率、熱導率、熔化溫度、蒸發溫度等。,其中吸收率是Z重要的。
影響激光束吸收率的因素有兩個:一是材料的電阻率。通過對材料拋光表面吸收率的測量,發現材料的吸收率與電阻率的平方根成正比,電阻率隨溫度變化;其次,材料的表面狀態(或光滑度)對光束吸收率有重要影響,對焊接效果有明顯作用。
CO2激光的輸出波長通常為10.6μm,陶瓷、玻璃、橡膠、塑料等非金屬在室溫下吸收率很高,而金屬材料在室溫下吸收率很差,其吸收急劇增加,直至材料熔化甚至氣化。通過在表面使用表面涂層或氧化膜來提高光束的吸收是非常有效的。
焊接速度
焊接速度對熔深有很大影響。提高速度會使穿透深度變淺,但過低的速度會導致材料的過度熔化和工件的穿透。因此,對于一定激光功率和厚度的特定材料,存在一個合適的焊接速度范圍,在相應的速度值下可以獲得Z大熔深。圖10-2顯示了1018鋼的焊接速度和熔深之間的關系。
保護氣體
在激光焊接過程中,惰性氣體經常被用來保護熔池。焊接某些材料時,表面氧化可以忽略不計,但對于大多數應用場合,經常使用氦氣、氬氣、氮氣等氣體來保護工件在焊接過程中不被氧化。
氦氣不易電離(電離能高),使得激光順利通過,光束能量可以暢通無阻地到達工件表面。這是激光焊接中使用的Z有效的保護氣體,但價格較貴。
氬氣更便宜,密度更大,所以保護效果更好。但容易被高溫金屬等離子體電離,導致部分光束被工件屏蔽,降低焊接的有效激光功率,損害焊接速度和熔深。氬氣保護的焊件表面比氦氣保護的焊件表面光滑。
氮氣是Z便宜的保護氣體,但它不適合焊接某些類型的不銹鋼,主要是由于冶金問題,如吸收,有時會在搭接接頭中產生氣孔。
使用保護氣體的作用是保護聚焦透鏡免受金屬蒸汽污染和液滴濺射。特別是在大功率激光焊接中,由于射流變得非常強大,更需要保護透鏡。
保護氣體的第三個作用是消除高功率激光焊接產生的等離子體屏蔽。金屬蒸汽吸收激光束電離成等離子云,金屬蒸汽周圍的保護氣體也會被加熱電離。如果等離子體太多,激光束會在一定程度上被等離子體消耗掉。等離子體作為二種能量存在于工作表面,使焊接深度變淺,熔池表面變寬。通過增加電子與離子和中性原子的碰撞來增加電子的復合率,從而降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕,碰撞頻率越高,復合率越高;另一方面,只有電離能高的保護氣體才不會因為氣體本身的電離而增加電子密度。