激光焊接特性.pptx

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？激光焊接基本原理？2.激光焊接的主要参数？激光焊接的主要参数？3.常用材料的激光焊接性？常用材料的激光焊接性？4.激光焊接易出现的问题？激光焊接易出现的问题？一、激光焊接原理 热导焊接热导焊接 深熔焊接深熔焊接 热导焊传热特性热导焊传热特性 深熔焊传热特性深熔焊传热特性 一、激光焊接原理ProcessHeat source intensityFusion zone profileFlux shielded arc welding5102104Gas-shielded arc welding5102104Plasma5102106Laser or EB5106108 low high low high defocus focus 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光束特性 能量，脉冲或连续能量，脉冲或连续 光斑尺寸和模式光斑尺寸和模式 偏振偏振 波长波长焊接特性焊接特性 焊接速度焊接速度 聚焦位置聚焦位置 接头几何尺寸接头几何尺寸 间隙间隙保护气保护气 成份成份 保护方式保护方式 压力、流速压力、流速材料特性材料特性 成份成份 表面状态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 1、激光能量、激光能量304不锈钢6kW4kW2kW1kW1050050100焊接速度,V/(mm/s)熔深，h/mm激激光光功功率率直直接接影影响响焊接深度。焊接深度。一一定定板板厚厚焊焊接接，需需要要匹匹配配合合适适的的焊焊接接速度与激光功率。速度与激光功率。P:激光功率(W)R:反射率 v:焊接深度(m/s)W:焊缝宽度(mm)二、激光焊接的主要影响因素2 2、脉冲能量、脉冲能量调调Q Q脉脉冲冲：初初期期抑抑制制激激光光振振荡荡，积积累累工工作作物物质质上上能能量量粒粒子子数数；打打开开Q Q 开关，高能粒子雪崩式跃迁，极短时间内释放能量。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，短脉宽脉冲固体激光器：低平均功率，高峰值脉冲能量，短脉宽(200ms)(200ms)优势：适用焊接高反射率材料，更大熔深、低变形。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、峰值功率脉冲参数：脉冲频率、脉冲能量、脉冲宽度、峰值功率 二、激光焊接的主要影响因素脉冲脉冲频率频率 f(Hz)脉冲频率、光斑直径、焊接速度的匹配，决定焊缝重叠率。脉冲频率、光斑直径、焊接速度的匹配，决定焊缝重叠率。单位脉冲单位脉冲能量能量 E(J)脉冲峰值功率脉冲峰值功率 P(W)脉冲宽度脉冲宽度 t(s)脉冲脉冲平均功率平均功率 Pe(W)脉脉冲冲焊焊关关键键：一一定定脉脉冲冲能能量量或或平平均均功功率率基基础础上上，可可以以调调节节峰峰值值功功率和激光作用时间。率和激光作用时间。铝铝合合金金：500Hz频频率率、P=1000W、Pe=2000W 脉脉冲冲焊焊接接速速度度可可以以提提高高3倍倍，熔深提高熔深提高60%。二、激光焊接的主要影响因素3 3、光斑直径、光斑直径光光斑斑直直径径决决定定激激光光能能量量密密度度，从从而而影影响响焊焊缝缝熔熔深深、焊焊接接速速度度和和激激光光功率的匹配。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、连接间隙光斑直径的选择：深宽比、材料反射率、连接间隙4 4、波长、波长波长影响材料和等离子体对激光的吸收率。波长影响材料和等离子体对激光的吸收率。二、激光焊接的主要影响因素5 5、焊接速度、焊接速度焊接速度影响熔池流动方式和尺寸。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 6、焦点位置、焦点位置焦焦点点位位置置直直接接影影响响光光束束能能量量在在材材料料表表面面及及内内部部的的分分布布状状态态，由由接接头头类型、间隙、错位和所需焊缝熔深、熔宽决定。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；对接接头：熔深最大；搭接接头：熔宽最大搭接接头：熔宽最大 二、激光焊接的主要影响因素激光焊接的接头设计激光焊接的接头设计高能量密度、高速焊接高能量密度、高速焊接p 冷却速度快冷却速度快p 材料蒸发、匙孔材料蒸发、匙孔p 激光辐射加热激光辐射加热 三、常用材料的激光焊接性激光焊接主要问题激光焊接主要问题裂纹、气孔裂纹、气孔气孔气孔材料反射损失能量材料反射损失能量热裂纹敏感材料：高碳、硫、磷材料热裂纹敏感材料：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,CoInconel 6000.080.250.50.258.015.5-AlInconel 7180.08-0.1518.5193Nb,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碳 钢钢 采用激光焊接时，材料的含碳量采用激光焊接时，材料的含碳量(碳当量碳当量)不应高于不应高于0.2%0.2%。碳当量超。碳当量超过过0.3%0.3%焊接难度增加，焊接难度增加，冷裂纹倾向加大冷裂纹倾向加大，增加材料在疲劳和低温条件下，增加材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向。的脆断倾向。激激光光焊焊接接性性能能较较好好，因因为为材材料料在在浇浇注注前前加加入入了了铝、硅等脱氧剂，使得钢中含氧量降到很低程度。铝、硅等脱氧剂，使得钢中含氧量降到很低程度。如如果果钢钢没没有有脱脱氧氧(如如沸沸腾腾钢钢)，不不能能用用激激光光进进行行焊焊接接，否否则则气气体体逸逸出出过过程程中中形形成成的的气气泡泡很很容容易易导导致致气孔的产生。气孔的产生。镇静钢和镇静钢和半镇静钢半镇静钢含含硫硫量量高高于于0.04%或或含含磷磷量量高高于于0.04%的的钢钢激激光光焊接时易产生裂纹。焊接时易产生裂纹。硫、磷含量硫、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。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，吸收率比碳钢略高，焊接熔深约比普通碳钢深焊接熔深约比普通碳钢深510%左右左右 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，采用其它常规焊接方法时，奥氏体不锈钢会产生比碳钢大它常规焊接方法时，奥氏体不锈钢会产生比碳钢大50%的热膨胀量。的热膨胀量。奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢不锈钢不锈钢 三、常用材料的激光焊接性高反射率金属铝高反射率金属铝 铝铝合合金金的的激激光光焊焊接接需需要要相相对对较较高高的的能能量量密密度度：铝铝合合金金反反射射率率较较高高；铝合金的导热系数很高。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。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。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。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铝合金双光束激光焊接 总功率相同时，总功率相同时，双光束焊接焊缝表面成形优于单光束，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。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铝合金双光束填丝焊P=1300W VL=1.3m/minP=1400W VL=1.9m/minP=1600W VL=3.0m/min焊缝余高焊缝余高0.41mm背面下塌背面下塌0.31mm焊缝余高焊缝余高0.46mm背面下塌背面下塌0.18mm焊缝余高焊缝余高0.27mm背面下塌背面下塌0.18mm 三、常用材料的激光焊接性钛及钛合金钛及钛合金 激光焊可获高质量、塑性好的焊接接头。激光焊可获高质量、塑性好的焊接接头。钛钛对对由由氧氧气气、氢氢气气、氮氮气气和和碳碳原原子子所所引引起起的的间间隙隙脆脆化化很很敏敏感感，特特别别注意接头的清洁和气体保护问题。注意接头的清洁和气体保护问题。钛从钛从250250开始吸收氢，从开始吸收氢，从400400开始吸收氧，从开始吸收氧，从600600开始吸收氮。开始吸收氮。对对热热裂裂纹纹不不敏敏感感，焊焊接接时时会会在在接接头头的的热热影影响响区区出出现现延延迟迟裂裂纹纹，氢氢是是主要原因。主要原因。气孔是钛及钛合金焊接时一个主要的问题。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：消除气孔的主要途径：a)a)用高纯度的氩气进行焊接，纯度高于用高纯度的氩气进行焊接，纯度高于99.9%99.9%；b)b)焊前清洗；焊前清洗；c)c)合适焊接规范。合适焊接规范。三、常用材料的激光焊接性钛合金表面氧化钛合金表面氧化V=0.8m/min,P=1000WV=1.2m/min,P=1000WV=1.6m/min,P=1000WV=2.0 m/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能量密度大精度高精度高焊接速度快焊接速度快变形小变形小柔性大柔性大成本成本装配精度装配精度反射率反射率气孔、裂纹气孔、裂纹等离子体等离子体熔池熔池匙孔匙孔 五、问题解决途径焊接过程质量监测焊接过程质量监测开发新型激光器开发新型激光器 功率提高、光束质量改善、成本降低功率提高、光束质量改善、成本降低工艺优化工艺优化保护气体、能量输出形式控制，改变材料表面状态保护气体、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、问题解决途径气体气体种类种类CO2激光焊抑制激光焊抑制等离子体能力等离子体能力(电离能电离能)抗氧抗氧化能化能力力相对相对价格价格典型流典型流量量焊缝焊缝成形成形局限性局限性氦气氦气非常好非常好(24.5eV)好好高高2030l/min最深最深无无氩气氩气较差较差(15.7eV)非常非常好好适中适中3045l/min宽宽电离能低，喷嘴设电离能低，喷嘴设计及流速很关键计及流速很关键氮气氮气(无无氧氧)较差较差(15.5eV)好好低低3045l/min较深较深电离能低，某些钢电离能低，某些钢产生脆化产生脆化二氧二氧化碳化碳较差较差(14.4eV)差差最低最低3045l/min正常正常不适应活性金属不适应活性金属(Ti,Cr-Ni钢钢)，焊缝表，焊缝表面有轻微氧化面有轻微氧化20氦氦氩氩好好非常非常好好适中适中2535l/min正常正常为提高等离子体抑为提高等离子体抑制效果，含氦量需制效果，含氦量需达到达到50 五、问题解决途径不同保护气下等离子体形态不同保护气下等离子体形态氩氩气气1400w1600w1900w氦氦气气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，银合金高反射材料如铜合金，银合金以及一些铝合金以及一些铝合金表面杂质含量较多的材料表面杂质含量较多的材料 表面金属易挥发的材料，表面金属易挥发的材料，如镀锌板如镀锌板 问题你是否已经知道：1.激光焊接基本原理？激光焊接基本原理？2.激光焊接的主要参数？激光焊接的主要参数？3.常用材料的激光焊接性？常用材料的激光焊接性？4.激光焊接易出现的问题？激光焊接易出现的问题？