激光焊接工艺-参数篇 激光工艺应用

激光焊接系统由激光器、传输光纤、准直聚焦头or振镜等组成,光纤出来的光是发散的、需要准直镜片把激光变成平行光,再经过聚焦镜片转换成聚焦状态(放大镜效应),在激光工艺调试过程关键参数有:功率、速度、离焦量、保护气等

 

一般来说在确定一个工件选择什么参数之前,先要确定加工速度,这个需要和客户去沟通,看客户的需求来定,比如生产有节拍要求,产量要求,就可以倒退大概要多少速度,然后在此基础上再去做工艺调试。

一般来说速度过快,会出现如图这种V型特征。

 

功率:即为激光焊接功率,通常通过波形设置, 激光焊接是一个能量转换过程,涉及热源输入吸收过程,所以对于波形和功率的控制需要大量的工艺经验积累,不同材料、不同厚度、不同焊缝形式、不同设备都会有所区别,要想达到最佳需要更多去关注能量,波形的变化会影响单位能量的变化,一般软件都有这块设置,可以关注,积累不同材料对能量变化的特征。一般裂纹控制会比较考验经验,直缝焊接功率对应的金相特征为熔深熔宽,熔深熔宽小了,就加能量、大了就减能量。

不同功率直接影响熔深,如图即为不同能量功率的熔深金相图。

能量过小,常会出现如图所示的段焊、虚焊,只有表面微微熔化了一层,熔深很浅,很难满足工艺要求。

 

离焦量:首先激光束并不是每个位置的单位能量都一样,焦点位的能量最集中,光斑最小(激光作用面积小,能量集中);所以所有参数调试都需要在确定焦点之后进行才有意义,所以找焦点也是重中之重,也是个技术活。

 

保护气:保护气分很多种,工业上流水线为了控制成本通常用氮气,实验室氩气为主,也有用氦气等惰性气体,一般在特殊场合,常用的就这两种。因为激光在焊接过程中是一个高温剧烈反应的过程,金属熔化蒸发,金属在高温下及其活跃,一旦遇到氧气就会产生剧烈反应,表现为大量飞溅,焊缝表面粗糙不平,所以保护气就是小范围内(熔池附件)为了营造一个无氧环境,防止发生剧烈氧化反应造成焊缝不良、外管粗糙。

保护气过大会把熔池吹飞,过小则起不到屏蔽氧气环境保护熔池的效果,需要根据现场工况灵活调整。


Hero 发布于  2023-7-18 13:52 

激光焊接工艺参数-速度篇 激光工艺应用

焊接速度往往影响到焊缝单位时间内接受的能量,从而影响焊缝的熔深熔宽,以及外观,下面简单介绍焊接速度对焊缝质量的影响规律,以为工艺调试提供参考。

速度主要对熔深熔宽有影响,主要和线能量密度有关,一般来说:随着激光焊接速度的提高,熔合区面积和宽度减小,可以理解为激光焊接速度提高,导致激光在焊件表面停留时间减小,激光停留时间短,热传导区域减小,焊缝熔合区和热影响区面积减小。

 

其次就是影响焊缝外观,容易出现“V型”鱼鳞纹,焊缝表面粗糙不平,且有颜色,焊缝余高较小甚至无余高,不饱满。

 

速度选择不当会导致的缺陷:激光焊接是一个连续的熔化和凝固过程,当焊接速度增加时,液体金属的冷却速度也增加,液体金属凝固加速,难以铺展,会形成驼峰缺陷,驼峰会随着焊接速度的提高而增加,也变相的限制了焊接速度。

 

驼峰解决思路:

1、采用小芯径的激光器或者通过准直聚焦头的选择减小光斑大小,使得能量集中一点,机理如下:具有较小光斑直径的激光能够缩短激光热源与液态金属流动汇聚点的距离,有利于液体金属铺展并抑制驼峰的发生;

 

2、采用一前一后的双光束激光方法、或者采用环形光斑、多波长光纤半导体复合焊接,可以大幅度提高不产生驼峰的最高焊接速度可,大概比单束激光速度上提升40%以上。这种方法一般两束激光一个负责预热和后处理,一个负责熔深,使得匙孔周围液态金属的冷却速率降低,温度梯度缓降,减小了匙孔周围液态金属的表面张力,增加了液态金属的铺展能力,从而抑制驼峰的发生。

 


Hero 发布于  2023-7-18 13:51 

激光焊接工艺参数-功率 激光工艺应用

激光焊接能量输入通常用能量密度(激光功率除以光斑面积,单位为 W/cm2)和热输入(激光功率除以焊接速度,单位为J/cm)表示,前者描述空间范围内激光能量的强度,后者描述时间范围内激光能量的累积。

 

工业使用上一般直接程序编辑波形来设置能量,但是设置的能量和出光检测的能量以及最后焊接头出来的功率有一定损耗。这其中我们要注意关注能量而非功率,不同的场景焊接形式功率波形会有不同,但是能量相对比较准确,有对比价值。不同材料的熔化能量的积累有利于快速针对新产品进行工艺窗口设计,快速定位合理参数。

简单的功率与熔深熔宽的关系如图,一般来说:功率越大,熔深熔宽都会随功率增加而增大。激光焊接有一个能量节点,低于节点热导焊,高于为深熔焊。区别在于深熔焊有匙孔,后面会进一步分析。

 

常见的由于功率不足引起的缺陷主要是:虚焊、熔深浅、焊印不清晰;功率过大的缺陷:焊穿、大飞溅、波浪边、咬边等。


Hero 发布于  2023-7-18 13:50 

激光焊接工艺参数-离焦量 激光工艺应用

离焦量对焊缝工艺的影响主要和能量有关,常用的激光能量分布是关于焦点对称分布,焦点处光斑最小,单位能量最高,离焦越大,激光能量越分散,光斑也越大。

正离焦:焦点在工件上面;负离焦:焦点在工件内部,在焊接表面下方。

一般给定工艺窗口的时候,需要给定一个离焦量上下限,主要是针对表面有高反的工件,如不锈钢、铝合金等,因为这些材料表面类似镜面,离焦过大,单位能量过低不能迅速熔化材料表面,会导致一定激光能量反射损伤焊接头镜片和光纤端面。同时在选定光纤芯径之后,如果工件间隙过大,可能会有激光漏过焊缝情况时,离焦可以作为一种使得光斑变大的补救办法,使得受热面积增大,熔池覆盖焊缝防止漏光。

离焦一般选择正离焦,不选择焦点位和负离焦是因为:激光能量主要集中在焦点光斑中心位置,焦点在工件表面或者工件内部,使得熔池内部激光功率密度过高,容易引起焊接飞溅、焊缝表面粗糙、凹凸不平。

 

离焦量和熔深熔宽的关系如图,可灵活调整,一般同样的离焦,负离焦的熔深会大于正离焦熔深,因为负离焦焦点在工件内部,材料吸收的能量大于正离焦。

 

从截面廓形来看,规律是:随着离焦量增加,熔深逐渐减小,熔宽先增加后减小;


Hero 发布于  2023-7-18 13:48 

激光焊接工艺参数-保护气 激光工艺应用

首先保护气的定义:为什么需要保护气,因为激光焊接过程中,激光的高能量热源会迅速把材料熔化,形成熔池匙孔,熔化状态下的金属非常活跃,极易与大气中的氧气发生氧化反应,非常剧烈,直观上看就是大量飞溅、气孔、焊渣遍地,放烟花一样。所以保护气的作用就是隔绝熔池与氧气,保护气喷涌在熔池周边形成一个流动的惰性气体环境,熔融态的金属和氧气直接接触。

 

激光焊接保护气的另一个作用就是吹散等离子体(高能量激光使得金属电离产生的类似雾气一样的一团在熔池上方、会屏蔽激光能量直达熔池,激光穿过等离子体有一定损耗)。

保护气主要有三种:氩气、氦气、氮气,一般来说,怎么选择和焊什么工件有关,高端的医疗行业,实验室打样这种为了保证效果一般选择氩气,工业流水线生产,经济考虑就选氮气。

保户气的主要考量是:流量流速、直吹侧吹、气嘴与熔池距离;一般来说直吹更好一些,能够均匀笼罩熔池,但是有时考虑用保户气抑制飞溅,焊瘤也会考虑侧吹;侧吹角度和气嘴距离对一些薄板、镍基合金、铜等比较讲究,稍不注意就会有裂纹,因为气流会影响导热、且侧吹气流不均匀,需要一点经验摸索。

侧吹保护气,不同距离的脉冲点焊效果,可见方向和距离对焊接效果影响很大

保护气流速角度不当会直接引起热量散热导致裂纹

 

一般从焊接反方向吹保护气可以一定程度上抑制飞溅。

 

 

保护气流量选择不当会导致的缺陷主要有:飞溅、表面粗糙度、波浪边、鱼鳞纹、飞刺等。以铝合金锂电池顶盖焊为例,用的同轴直吹,保护气大小直接影响焊接熔池匙孔的稳定性,采用熔深监测设备可以直观观察到,合适的保户气流速可以稳定匙孔波动,使得飞溅等缺陷降低,提高良率。

合理的保护气熔池匙孔波动平缓,更稳定

不合理的保护气流量会加剧匙孔波动,更容易导致飞溅,气孔

 

检测的熔深数据,用标准差来衡量匙孔深度的波动程度,标准差越大,匙孔越不稳定,越容易产生飞溅,凹坑、炸点,可以看出合理的保户气可以抑制匙孔波动,提高激光焊接稳定性。


Hero 发布于  2023-7-18 13:47