浅谈钣金激光焊接工艺

导 语

      将传统电弧焊与激光焊接进行对比，能够得出激光焊接的优势。为了得到更好的激光焊缝，本文就激光焊接工艺进行讨论，首先将焊缝的深宽比、表面形貌等作为评价指标，然后研究影响这些指标的工艺参数，并针对性地对不锈钢、铝板和碳钢板进行激光焊接测试，得出焊接生产过程中可以使用的、经验性的结论。

      激光焊接是利用能量密度高的激光作为焊接热源实现板材焊接的一种特殊的生产技术，因其有能量密度高、焊接速度快、环保、板材变形量小等优点，在钣金制造行业得到了良好的应用。

激光焊接与传统电弧焊的比较

电弧焊介绍

      传统电弧焊大致可分为焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护电弧焊、埋弧焊等。焊条电弧焊是在焊件与焊条之间引出电弧，电弧产生的热量熔化焊件与焊条的接触部分形成金属熔池，随着焊条前进的方向，新的熔池不断产生，老的熔池不断冷却与凝固，最终形成焊缝。焊接过程示意图如图1所示。

图1 焊条电弧焊示意图

      钨极氩弧焊采用钨极作为放电电极，但该电极不会被消耗，采用惰性气体作为保护气体，依靠电弧产生的热量来熔化母材与焊材，焊接区域被保护气覆盖，基本不会发生飞溅。

      熔化极气体保护电弧焊是通过给焊丝通电，在焊丝与母材之间产生电弧，熔化母材与焊丝。

      电弧焊目前在焊接领域仍然占主体地位，但随着市场对于焊接质量、效率的要求越来越高，传统电弧焊在一些高端钣金的制造领域遇到了瓶颈，电弧焊的缺点也越来越明显。传统的电弧焊要求使用氩气作为保护气体，而高纯度的氩气成本较高；电弧焊操作需要有特种作业操作证的专业人员来进行，准入门槛较高；氩弧焊会产生高密度的电流，产生热量较高，不利于熔点较低的金属板材焊接；焊接效率低，速度较慢；焊接表面较为粗糙，若表面形貌要求较高，则需要增加打磨工序；电弧焊强度有限。

激光焊接的优势

      主流的激光焊接可分为自熔焊、摆动焊、填丝焊、振镜焊及多种焊接方式相结合的复合焊等。相比于传统的电弧焊，激光焊接技术的优点见表1。对于产品附加值较高、产品一致性好、焊缝间隙小、追求效率的高端钣金制造行业，激光焊接可作为首选。

表1 激光焊接与电弧焊接特点比较

激光焊接工艺参数

激光焊接焊缝指标

      由于客户需求不同，对钣金件的焊接效果要求也不同。对于焊缝的要求主要体现在以下几个指标：表面形貌，熔池宽深比，是否有气孔、裂纹、杂质、咬边等缺陷。

      表面形貌是焊材与母材结合或者母材与母材结合之后焊缝表面的形状样貌，或者凹陷、或者平整、或者上凸，可通过调节焊接功率、离焦量、拼接方式等来实现不同的焊接形貌。

      熔池宽深比，是指焊缝熔池深度与宽度的比值。若客户对于焊接产品有强度要求，需要将焊接产品通过线切割→镶嵌→磨抛→腐蚀→显微镜金相分析这一系列步骤，根据焊缝的深宽比值反映焊接强度，更多的是硬度方面的体现，也可通过拉伸强度测试反馈焊接的拉伸强度指标。熔深比金相分析如图2所示。

图2 熔深比金相分析

      在特定的工作环境中，焊接件存在气孔、裂纹、杂质、咬边等缺陷，很可能会引发严重的安全事故，如有的产品对气密性、是否漏水等有严格要求。正常焊缝、存在缺陷焊缝示意图如图3所示。

图3 焊缝示意图

激光焊接影响因素

      直接影响激光焊接的因素有焊接温度、焊接材料的熔点、焊接材料对激光的吸收率、热影响等。对应到焊接工艺，可从材料性能、激光功率、焊接速度、焦点位置、保护气体、焊缝间隙等方面来考虑。

      焊接材料对激光的吸收率影响焊接效果，就一般材料而言，铝和铜对于焊接激光的吸收率较高，而碳钢和不锈钢较低。对于吸收率高的焊接材料往往需要花费更多的能量来使之熔化并形成稳定的熔池与焊缝。

      激光功率是激光焊接的能量来源，对焊接效果有决定性的影响，激光功率的大小也影响着焊接的速度。激光功率不是越大越好，在达到一定的激光功率后，对应的焊接熔深也会达到一个阈值，超过这个阈值，熔池会更不稳定，反而使得熔池深度降低。所以选择合适的激光功率值变得尤为关键。

      焊接速度与熔深呈负相关，速度越快，焊接材料上输入的能量就会越低，反之则会越高。过快的速度不能使焊接材料获得足够的能量而形成理想的焊缝，过低的速度会导致过熔现象，尤其是对热量敏感的铝。

      焦点位置直接影响焊缝的熔深与熔宽，激光焦点正好位于焊接材料表面称为零焦,位于焊接材料之上或者之下均为偏焦。零焦光斑最小，同时光斑能量密度最高；偏焦焊接功率密度降低但光斑变大，适合焊接范围大的工件。

      保护气体对焊接的影响不仅体现在吹气种类上，也体现在不同的吹气方式上。吹气的作用不仅是防止焊接过程中工件表面不被氧化，还是抑制激光焊接过程中产生的等离子云。保护气会直接影响表面的形貌与色泽，对这两点有要求的焊接产品一定要注意保护气体的重要性。

      待焊工件焊缝的间隙与焊接的熔深、熔宽、焊缝形貌有直接的关系。若焊缝间隙过大、光斑较小则无法将焊缝熔化结合，熔合困难；同时激光外露，很可能损坏工装或工件。若间隙过大且在一定范围内，可通过增大光斑、增加摆动等方式来改善，但改善效果有限。

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