導(dǎo) 語(yǔ)

      將傳統(tǒng)電弧焊與激光焊接進(jìn)行對(duì)比，能夠得出激光焊接的優(yōu)勢(shì)。為了得到更好的激光焊縫，本文就激光焊接工藝進(jìn)行討論，首先將焊縫的深寬比、表面形貌等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后研究影響這些指標(biāo)的工藝參數(shù)，并針對(duì)性地對(duì)不銹鋼、鋁板和碳鋼板進(jìn)行激光焊接測(cè)試，得出焊接生產(chǎn)過(guò)程中可以使用的、經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)論。

      激光焊接是利用能量密度高的激光作為焊接熱源實(shí)現(xiàn)板材焊接的一種特殊的生產(chǎn)技術(shù)，因其有能量密度高、焊接速度快、環(huán)保、板材變形量小等優(yōu)點(diǎn)，在鈑金制造行業(yè)得到了良好的應(yīng)用。

激光焊接與傳統(tǒng)電弧焊的比較

電弧焊介紹

      傳統(tǒng)電弧焊大致可分為焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)電弧焊、埋弧焊等。焊條電弧焊是在焊件與焊條之間引出電弧，電弧產(chǎn)生的熱量熔化焊件與焊條的接觸部分形成金屬熔池，隨著焊條前進(jìn)的方向，新的熔池不斷產(chǎn)生，老的熔池不斷冷卻與凝固，最終形成焊縫。焊接過(guò)程示意圖如圖1所示。

圖1 焊條電弧焊示意圖

      鎢極氬弧焊采用鎢極作為放電電極，但該電極不會(huì)被消耗，采用惰性氣體作為保護(hù)氣體，依靠電弧產(chǎn)生的熱量來(lái)熔化母材與焊材，焊接區(qū)域被保護(hù)氣覆蓋，基本不會(huì)發(fā)生飛濺。

      熔化極氣體保護(hù)電弧焊是通過(guò)給焊絲通電，在焊絲與母材之間產(chǎn)生電弧，熔化母材與焊絲。

      電弧焊目前在焊接領(lǐng)域仍然占主體地位，但隨著市場(chǎng)對(duì)于焊接質(zhì)量、效率的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)電弧焊在一些高端鈑金的制造領(lǐng)域遇到了瓶頸，電弧焊的缺點(diǎn)也越來(lái)越明顯。傳統(tǒng)的電弧焊要求使用氬氣作為保護(hù)氣體，而高純度的氬氣成本較高；電弧焊操作需要有特種作業(yè)操作證的專業(yè)人員來(lái)進(jìn)行，準(zhǔn)入門檻較高；氬弧焊會(huì)產(chǎn)生高密度的電流，產(chǎn)生熱量較高，不利于熔點(diǎn)較低的金屬板材焊接；焊接效率低，速度較慢；焊接表面較為粗糙，若表面形貌要求較高，則需要增加打磨工序；電弧焊強(qiáng)度有限。

激光焊接的優(yōu)勢(shì)

      主流的激光焊接可分為自熔焊、擺動(dòng)焊、填絲焊、振鏡焊及多種焊接方式相結(jié)合的復(fù)合焊等。相比于傳統(tǒng)的電弧焊，激光焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)表1。對(duì)于產(chǎn)品附加值較高、產(chǎn)品一致性好、焊縫間隙小、追求效率的高端鈑金制造行業(yè)，激光焊接可作為首選。

表1 激光焊接與電弧焊接特點(diǎn)比較

激光焊接工藝參數(shù)

激光焊接焊縫指標(biāo)

      由于客戶需求不同，對(duì)鈑金件的焊接效果要求也不同。對(duì)于焊縫的要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)指標(biāo)：表面形貌，熔池寬深比，是否有氣孔、裂紋、雜質(zhì)、咬邊等缺陷。

      表面形貌是焊材與母材結(jié)合或者母材與母材結(jié)合之后焊縫表面的形狀樣貌，或者凹陷、或者平整、或者上凸，可通過(guò)調(diào)節(jié)焊接功率、離焦量、拼接方式等來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的焊接形貌。

      熔池寬深比，是指焊縫熔池深度與寬度的比值。若客戶對(duì)于焊接產(chǎn)品有強(qiáng)度要求，需要將焊接產(chǎn)品通過(guò)線切割→鑲嵌→磨拋→腐蝕→顯微鏡金相分析這一系列步驟，根據(jù)焊縫的深寬比值反映焊接強(qiáng)度，更多的是硬度方面的體現(xiàn)，也可通過(guò)拉伸強(qiáng)度測(cè)試反饋焊接的拉伸強(qiáng)度指標(biāo)。熔深比金相分析如圖2所示。

圖2 熔深比金相分析

      在特定的工作環(huán)境中，焊接件存在氣孔、裂紋、雜質(zhì)、咬邊等缺陷，很可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，如有的產(chǎn)品對(duì)氣密性、是否漏水等有嚴(yán)格要求。正常焊縫、存在缺陷焊縫示意圖如圖3所示。

圖3 焊縫示意圖

激光焊接影響因素

      直接影響激光焊接的因素有焊接溫度、焊接材料的熔點(diǎn)、焊接材料對(duì)激光的吸收率、熱影響等。對(duì)應(yīng)到焊接工藝，可從材料性能、激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、保護(hù)氣體、焊縫間隙等方面來(lái)考慮。

      焊接材料對(duì)激光的吸收率影響焊接效果，就一般材料而言，鋁和銅對(duì)于焊接激光的吸收率較高，而碳鋼和不銹鋼較低。對(duì)于吸收率高的焊接材料往往需要花費(fèi)更多的能量來(lái)使之熔化并形成穩(wěn)定的熔池與焊縫。

      激光功率是激光焊接的能量來(lái)源，對(duì)焊接效果有決定性的影響，激光功率的大小也影響著焊接的速度。激光功率不是越大越好，在達(dá)到一定的激光功率后，對(duì)應(yīng)的焊接熔深也會(huì)達(dá)到一個(gè)閾值，超過(guò)這個(gè)閾值，熔池會(huì)更不穩(wěn)定，反而使得熔池深度降低。所以選擇合適的激光功率值變得尤為關(guān)鍵。

      焊接速度與熔深呈負(fù)相關(guān)，速度越快，焊接材料上輸入的能量就會(huì)越低，反之則會(huì)越高。過(guò)快的速度不能使焊接材料獲得足夠的能量而形成理想的焊縫，過(guò)低的速度會(huì)導(dǎo)致過(guò)熔現(xiàn)象，尤其是對(duì)熱量敏感的鋁。

      焦點(diǎn)位置直接影響焊縫的熔深與熔寬，激光焦點(diǎn)正好位于焊接材料表面稱為零焦,位于焊接材料之上或者之下均為偏焦。零焦光斑最小，同時(shí)光斑能量密度最高；偏焦焊接功率密度降低但光斑變大，適合焊接范圍大的工件。

      保護(hù)氣體對(duì)焊接的影響不僅體現(xiàn)在吹氣種類上，也體現(xiàn)在不同的吹氣方式上。吹氣的作用不僅是防止焊接過(guò)程中工件表面不被氧化，還是抑制激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的等離子云。保護(hù)氣會(huì)直接影響表面的形貌與色澤，對(duì)這兩點(diǎn)有要求的焊接產(chǎn)品一定要注意保護(hù)氣體的重要性。

      待焊工件焊縫的間隙與焊接的熔深、熔寬、焊縫形貌有直接的關(guān)系。若焊縫間隙過(guò)大、光斑較小則無(wú)法將焊縫熔化結(jié)合，熔合困難；同時(shí)激光外露，很可能損壞工裝或工件。若間隙過(guò)大且在一定范圍內(nèi)，可通過(guò)增大光斑、增加擺動(dòng)等方式來(lái)改善，但改善效果有限。

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