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激光功率
激光焊接存在一個(gè)激光能量密度閾值,低于這個(gè)閾值熔深很淺,一旦達(dá)到或超過(guò)這個(gè)值,熔深就會(huì)大大提高。只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過(guò)閾值(與材料有關(guān))時(shí),才會(huì)產(chǎn)生等離子體,這表明穩(wěn)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(shuō),焊接以穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)型進(jìn)行。但是,當(dāng)激光功率密度接近針孔形成的臨界條件時(shí),深熔焊接和導(dǎo)電焊接交替進(jìn)行,成為不穩(wěn)定的焊接過(guò)程,導(dǎo)致熔深波動(dòng)很大。在激光深穿透焊接中,激光功率同時(shí)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(guān),并且是入射束功率和束焦點(diǎn)的函數(shù)。一般來(lái)說(shuō),對(duì)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(diǎn)
光斑尺寸是激光焊接中Z重要的變量之一,因?yàn)樗鼪Q定了功率密度。但是對(duì)于高功率激光來(lái)說(shuō),其測(cè)量是一個(gè)難題,雖然有很多間接測(cè)量技術(shù)。
光束焦點(diǎn)的衍射光斑尺寸可根據(jù)光衍射理論計(jì)算,但由于聚焦透鏡的像差,實(shí)際光斑尺寸大于計(jì)算值。Z簡(jiǎn)單的測(cè)量方法是等溫輪廓法,即厚紙燒穿聚丙烯板后測(cè)量焦斑和穿孔直徑。這種方法需要通過(guò)測(cè)量實(shí)踐掌握激光功率和光束作用時(shí)間。
材料吸收值
材料對(duì)激光的吸收取決于材料的一些重要性質(zhì),如吸收率、反射率、熱導(dǎo)率、熔化溫度、蒸發(fā)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(gè):一是材料的電阻率。通過(guò)對(duì)材料拋光表面吸收率的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)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(tài)(或光滑度)對(duì)光束吸收率有重要影響,對(duì)焊接效果有明顯作用。
CO2激光的輸出波長(zhǎng)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(guò)在表面使用表面涂層或氧化膜來(lái)提高光束的吸收是非常有效的。
焊接速度
焊接速度對(duì)熔深有很大影響。提高速度會(huì)使穿透深度變淺,但過(guò)低的速度會(huì)導(dǎo)致材料的過(guò)度熔化和工件的穿透。因此,對(duì)于一定激光功率和厚度的特定材料,存在一個(gè)合適的焊接速度范圍,在相應(yīng)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(guān)系。
保護(hù)氣體
在激光焊接過(guò)程中,惰性氣體經(jīng)常被用來(lái)保護(hù)熔池。焊接某些材料時(shí),表面氧化可以忽略不計(jì),但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合,經(jīng)常使用氦氣、氬氣、氮?dú)獾葰怏w來(lái)保護(hù)工件在焊接過(guò)程中不被氧化。
氦氣不易電離(電離能高),使得激光順利通過(guò),光束能量可以暢通無(wú)阻地到達(dá)工件表面。這是激光焊接中使用的Z有效的保護(hù)氣體,但價(jià)格較貴。
氬氣更便宜,密度更大,所以保護(hù)效果更好。但容易被高溫金屬等離子體電離,導(dǎo)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(hù)的焊件表面比氦氣保護(hù)的焊件表面光滑。
氮?dú)馐荶便宜的保護(hù)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(wèn)題,如吸收,有時(shí)會(huì)在搭接接頭中產(chǎn)生氣孔。
使用保護(hù)氣體的作用是保護(hù)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(qiáng)大,更需要保護(hù)透鏡。
保護(hù)氣體的第三個(gè)作用是消除高功率激光焊接產(chǎn)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(hù)氣體也會(huì)被加熱電離。如果等離子體太多,激光束會(huì)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(guò)增加電子與離子和中性原子的碰撞來(lái)增加電子的復(fù)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(fù)合率越高;另一方面,只有電離能高的保護(hù)氣體才不會(huì)因?yàn)闅怏w本身的電離而增加電子密度。
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