激光焊接兩種異?，F(xiàn)象的分析

1、激光焊接兩種異?，F(xiàn)象的分析提要：研究了在激光焊接中出現(xiàn)的兩種異常現(xiàn)象，即焊縫的縮頸和表面凸起現(xiàn)象。結(jié)果表明：焊縫截面的 縮頸是因激光束的偏振、小孔壁聚焦、小孔內(nèi)高壓金屬蒸氣的動態(tài)行為引起的；表面凸起是因組織的變化、熔池熔體的流動、熱膨脹及熱應(yīng)力引起的。關(guān)鍵詞：激光焊接異?，F(xiàn)象焊縫成型1引言激光焊接采用高能束的激光作為熱源，與傳統(tǒng)焊接方法相比具有速度快、組織細(xì)膩、熱影響區(qū)小、成型好 等特點。但在激光焊接中，經(jīng)常會出現(xiàn)兩種異?，F(xiàn)象，即焊縫截面的縮頸和表面凸起，如圖1所示。焊縫 截面的縮頸是指在激光焊縫截面上，在熔深的中段焊縫呈現(xiàn)收縮特征，出現(xiàn)焊縫的上下兩端寬、中間窄的 現(xiàn)象。在激光焊接中一般并不添

2、加焊絲等填充材料，但在焊接后焊縫表面常出現(xiàn)凸起，這往往影響了激光 焊接的表面光潔度。對此現(xiàn)象很多激光焊接工作者都沒有給予應(yīng)有的重視。在實際某些應(yīng)用中，如汽車蒙 皮、汽車底盤鋼板對焊后表面質(zhì)量要求很高，不允許有任何不平。在一些精密零件的激光焊接也對此有著 嚴(yán)格要求，任何表面的不平整都可能造成功能失效或者對使用有嚴(yán)重影響。因此探索這兩種現(xiàn)象的形成機理，對于控 制焊縫的成型、提高焊縫質(zhì)量是很重要的。本文通過多角度、多側(cè)面的分析，對其進行了具體的解釋。2理論分析2. 1焊縫截面的縮頸現(xiàn)象激光焊縫截面的縮頸現(xiàn)象，與激光焊接的特性是分不開的。經(jīng)大量的研究和試驗，分析認(rèn)為縮頸現(xiàn)象這個 特征的形成是由于下列因

3、素所造成的。激光束的偏振激光是一種電磁波，具有偏振性。高功率CO2激光器輸出的是偏振面不固定的線偏振光。工件金屬表面對入射光中S成分的反射率Rs與P成分的反射率Rp不同。由于高功率激光焊接時，產(chǎn)生 深的小孔，并且激光沿焊縫移動，造成小孔前側(cè)壁的傾斜，其斜面的法向與激光束的中心線成e角，e 一 般在7585之間。在這種入射角很大的情況下，偏振面與入射面平行的P光和垂直的S光反射系數(shù)相差 很大。S光幾乎全部被反射，Rs接近于1.0，而P光則大部分被吸收，反射率只有0.30.4,如圖2所示。 這樣就造成了焊縫兩側(cè)的截面形狀不對稱分布。小孔壁聚焦由于激光束在經(jīng)過小孔孔壁的多次反射之后，又會聚于孔底，這

4、就是小孔的壁聚焦效應(yīng)，如圖3所示。在 孔底聚焦的激光束又相當(dāng)于一個點熱源，使得在孔底附近焊縫又出現(xiàn)明顯加寬。這樣在工件表面熱源和孔 底點熱源的作用下，焊縫形成上下兩端寬、中間窄的縮頸現(xiàn)象。小孔內(nèi)高壓金屬蒸氣的形成在小孔內(nèi)，金屬迅速熔化汽化，形成金屬蒸氣，受熱膨脹產(chǎn)生的壓力使熔融金屬沿著孔壁向上移動，小孔 周圍液體的流動和表面張力傾向于消除小孔，而孔壁材料連續(xù)產(chǎn)生的蒸氣則極力保持住小孔，二者之間是一個動態(tài)的平衡，如圖4所示。在孔底附近產(chǎn)生的金屬蒸氣壓力很高，可將上部熔化的部分液體金屬托住。當(dāng)孔內(nèi)氣體的壓力及激光束的輻射壓力等導(dǎo)致孔底貫穿時，孔內(nèi)高壓蒸氣就部分排除，每排除一次，孔內(nèi)金屬蒸氣壓力會

5、降低，被托住的連續(xù)形成的熔池部分液體金屬便開始下墜，又將小孔底部封住。隨后孔內(nèi)蒸氣壓力又會升 高，到一定值時小孔貫穿而壓力又會降低，此后不斷地重復(fù)此過程?？變?nèi)金屬蒸氣和金屬液體是連續(xù)形成 的，因此小孔的貫穿與被堵、金屬蒸氣從孔底的排除、液態(tài)金屬的被托與下墜、孔內(nèi)蒸氣壓力的升高與下 降都是一個動態(tài)的過程。激光束是連續(xù)移動的，在激光束后部的熔池溫度迅速下降而冷凝，形成所謂的縮 頸”現(xiàn)象。從大量試驗發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象都是屬于貫穿焊情況，與深熔焊的孔底聚焦及小孔的貫穿有關(guān)， 而研究結(jié)果表明在激光微焊即熔深較淺時不會出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。2.2激光焊縫表面凸起現(xiàn)象高功率激光焊接時，在沒有添加任何材料的情況，

6、在焊縫表面常常出現(xiàn)凸起，如圖1(b)所示。對這一現(xiàn)象， 經(jīng)研究認(rèn)為主要是由下列幾個因素所造成的。材料熱膨脹及熱應(yīng)力的影響在激光束的快速加熱情況下，工件迅速受熱升溫，體積發(fā)生膨脹。由于激光束加熱集中，在激光作用的周 圍區(qū)域溫度升高不是很大，激光作用區(qū)材料受熱膨脹受到周圍較冷部分基體的阻礙，在該區(qū)域形成壓應(yīng)力， 同時被焊板材發(fā)生輕微的向下彎曲變形，如圖5所示。盡管此應(yīng)力與其他焊接方法相比是微不足道的，但 它是表面凸起的主要影響因素之一。當(dāng)激光束繼續(xù)作用，工件上表面溫度繼續(xù)升高，壓應(yīng)力增大。與此同 時，材料的屈服極限隨溫度升高而下降。到一定階段，材料屈服極限小于周圍的壓應(yīng)力數(shù)值，熔池上表面 附近材料

7、發(fā)生屈服變形，并產(chǎn)生堆積。在激光束移動到下一區(qū)域后，先前發(fā)生堆積部分溫度迅速下降而冷 凝，凝固后的表面保持了凝固前彎曲的堆積形貌，從而形成了焊縫表面的凸起。在焊縫及附近區(qū)域發(fā)生的 變形也保留了下來，附近各點已不能完全恢復(fù)到激光作用前的位置，從而要在工件上部形成新的殘余拉應(yīng) 力。熔池表面熔體的流動激光焊接過程中，熔池受到各種復(fù)雜外在因素的影響，造成表面熔體的流動，這客觀上對于表面凸起有著 很重要的影響。對于熔池表面熔體的運動，至今已有多種假說。Anthony T.R和Cline H.E在1977年提出， 熔池中心與四周的很大溫差形成的表面張力差提供了熔池內(nèi)熔體對流的驅(qū)動力，此對流造成表面粗糙不平

8、。 1978年S.M.Copley等在透明三環(huán)茨烯（Camphene口 Tricycline上用電阻絲加熱觀察到了熔池的對流和表 面波紋狀凸起的過程，他們考慮了在熱源移動時，前沿和后沿形成一定的熔池液體位能差，當(dāng)前沿達到一 定壓力差后向后沿流動，在已開始凝固而略為下傾的后沿界面前產(chǎn)生液體凸起，在冷凝后保留下來。這個 過程中考慮了有回流和無回流兩種情況（與界面能有關(guān)Moore和Weinman在1978年提出了蒸汽壓力說， 認(rèn)為在熱源功率密度很高時，作用于金屬表面及其上空的金屬蒸汽和空氣形成等離子體，受熱膨脹，對熔 池表面形成蒸汽壓力。在壓力作用下熔池前沿的液體流向后方，造成兩側(cè)下凹、中間隆起的形

9、狀。同時， 由于激光功率的變動或激光與熔池耦合也造成熔體流動。1983年I.C.Hawkes等認(rèn)為熔池在壓力作用下產(chǎn) 生弓形波，使接受激光的液面斜率有變化，使吸收功率密度下降，反射率提高，引起熔池對激光吸收率的 波動，能夠產(chǎn)生間斷性熔化和表面波紋狀凸起。這幾種說法都有一定道理，在實際激光焊接過程中，因熔 池熔體流動造成表面凸起是上述因素綜合影響的結(jié)果。一般研究認(rèn)為，熔池表面熔體的流動主要受表面張 力梯度、小孔效應(yīng)、金屬材料蒸發(fā)及氣體電離產(chǎn)生的等離子體熱噴發(fā)、保護氣流及輔助氣流的沖擊等的影 響。組織的變化激光焊接時，材料受熱形成液態(tài)熔池，然后冷凝形成焊縫，組織有很大的差異。由于不同組織的密度不一

10、 樣，焊縫體積會發(fā)生變化，這往往會對焊縫表面凸起造成影響。由于激光束高能量密度及集中加熱，使得 材料的升溫和冷卻速度極快，一般激光焊接后會形成條狀的馬氏體組織和貝氏體組織。經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)， 材料相變體積的變化量與材料的含碳量有很大關(guān)系，對一般中低碳鋼，相變體積變化占總凸起量的1/81 /4左右，對于高碳鋼則會更高，在焊接時往往不能忽略這個因素。在實際的焊接過程中，若表面凸起較為嚴(yán)重，將在焊縫表面形成縱向呈魚鱗狀的凸起帶，稱為“魚鱗紋。它 對于激光焊接表面的質(zhì)量是不利的，針對其產(chǎn)生根源，對板材局部施壓，調(diào)節(jié)激光能量及施加方式，可以 對凸起加以改善。而在板材對接焊中，卻可以利用表面凸起現(xiàn)象，在板材之間預(yù)留一道寬度適中的狹縫， 在焊后可以得到表面齊平的焊道。激光焊接過程中出現(xiàn)的兩種異常現(xiàn)象，即焊縫的縮頸和表面凸