激光热传导焊接技术优化

4.3.2.1 激光热传导焊接的基本原理

热传导型激光焊接中，辐射到材料表面的激光功率密度较低，光能量只能被表层吸收，表面热量通过热传导的方式逐渐向材料内部扩散，实现焊接。图4.3-2所示为激光辐射下材料表层熔化过程示意图。

4.3.2.2 激光焊接参数及焊接方法

1.焊接参数的选择

图4.3-2 激光辐射下材料表层熔化过程示意图

1—激光束 2—被焊接材料 3—熔化金属 4—焊缝

激光热传导焊接一般采用脉冲激光焊接设备，其主要焊接参数有功率密度、脉冲波形、脉冲宽度、离焦量等。

（1）功率密度 它是激光加工最关键的参数之一。图4.3-3给出了两种不同功率密度下，金属表面温度及底层温度随时间的变化曲线。采用较高的功率密度，在几微秒时间范围内，表层可加热至沸点，即有汽化发生。因此，高功率密度对材料去除加工，如打孔、雕刻、切割等有利。采用较低的功率密度，表层温度达到沸点需经数毫秒，并在表层汽化前，底层温度就达到熔点，易形成良好的熔融焊接。由此可见，在传导型激光焊接中，功率密度的范围为10⁴～10⁶W/cm²。

图4.3-3 功率密度与金属表层温度及底层温度随时间的变化曲线

T_s—表层温度 T_ss—底层温度

在具有恒定强度的表面热源作用下，表面达到材料熔点的功率密度为I₀₁，表面达到材料沸点的功率密度为I₀₂，热波与汽化波速度相等时的临界功率密度为I₀₃。表4.3-2给出了一些金属材料的I₀₁、I₀2值，表4.3-3给出了一些金属材料的临界功率密度I₀₃。对于大多数材料，I₀₁＜I₀₂＜I₀₃。

表4.3-2 一些金属的临界功率密度I₀₁和I₀₂

表4.3-3 一些金属材料的临界功率密度I₀₃

注：表中L_b为材料的汽化热；ρ为热导率；α为热扩散率；τ_i为脉冲宽度。

（2）脉冲波形及脉冲宽度 不同的激光脉冲波形，对焊接会产生不同的影响。采用有前端尖峰脉冲的波形，可使金属表面温度迅速上升达到熔点，降低了材料对激光的反射率，这种波形适用于高反射金属，如非铁金属（见图4.3-4中曲线1）。对反射率比较低的金属，如某些钢铁材料（见图4.3-4中曲线2），则要求激光波形比较平坦。图4.3-4给出了到达沸点时，在一个激光脉冲周期内金属反射率R的变化曲线，由该图可知，脉冲开始时，强度很高的激光束入射到金属材料的表面，大部分的激光能量被反射，当温度逐渐上升到熔点时，反射率迅速下降（由a点到b点），随着温度的继续升高反射率再次迅速下降（由b点到c点）。对于铜以及金、银、铝等反射率高的非铁金属材料可以采用带有前置尖峰的波形，对于钢以及镍、钼、钛等反射率低的钢铁材料，可以采用比较平坦的激光波形，如图4.3-5所示。

图4.3-4 一个激光脉冲周期内金属反射率R的变化曲线

图4.3-5 不同材料焊接时的脉冲激光波形

a）尖峰波形适用于非铁金属 b）平坦波形适用于钢铁材料

脉冲宽度主要影响熔化深度，脉冲宽度越长，熔化深度越深。对于同一种金属，达到同样的熔化深度，脉冲宽度短，则需功率密度高，可焊范围窄，热效率高；脉冲宽度长，所需功率密度低，可焊范围宽，热效率低。表4.3-4列出了一些金属材料的I₀Z_max值以及不同脉冲宽度作用下可达到最大熔深。

热影响区与脉冲宽度有关，脉冲宽度越长，热影响区越大。因此，在薄片与薄膜焊接中，脉冲宽度的选取应在保证热影响区所允许的情况下，适当增加脉冲宽度，提高焊接质量的稳定性。

（3）离焦量 图4.3-6所示为激光焦点与离焦量的关系示意图。经透镜聚焦后的光束腰部不在透镜焦平面上，而在位置A处，A点称激光焦点。激光焦点处的光斑最小，能量密度最大。激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易造成汽化成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀，因此，激光焊接通常需要一定的离焦量。

表4.3-4 一些金属材料的I₀Z_max值、脉冲宽度与最大熔深的关系

当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递，因此可获得更大的熔深。在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。(www.xing528.com)

2.焊接方法

激光焊接常用的方法有：导线焊接、导线与接触面的焊接、片状材料的焊接及不同类金属材料的焊接等。

图4.3-6 激光焦点与离焦量的关系示意图

（1）导线焊接 主要有四种焊接形式：对接、平行搭接、交叉十字接和T形接。表4.3-5给出了四种导线焊接的形式、特点和它们对焊接的要求。表4.3-6给出了部分材料采用导线焊接时选用的形式和参数。

表4.3-5 四种导线焊接的形式、特点和焊接要求

（续）

表4.3-6 部分材料导线焊接时选用的形式和参数

（2）导线与接触面的焊接 主要有两种焊接形式：T形焊和端面焊。表4.3-7是两种导线与接触面焊接的形式、特点和它们对焊接的要求。

（3）片状材料的焊接 主要有四种焊接形式：对接焊、端面焊、中心穿透熔接焊和中心插式熔焊。表4.3-8给出了四种片状材料焊接的形式、特点和它们对焊接的要求。

（4）不同类金属材料的焊接 不同材料之间的激光焊接的焊接性是不一样的，只有某些特定的材料组合才有可能实现互焊，如图4.3-7所示。只有两种材料的熔、沸点相近，才能形成较为牢固的连接。设金属A熔点为T_rA，沸点为T_fA；金属B熔点为T_rB，沸点为T_fB；当T_fA＞T_fB>T_rA＞T_rB时，如图4.3-8a所示，可在T_rA与T_fB之间调节金属表面温度，T_rA与T_fB之间温差越大，激光参数调节范围越大。如果T_rA＞T_fB＞T_rA时，如图4.3-8b所示，则不能形成两种金属的牢固焊接，可借助与两种金属材料相匹配的过渡金属来实现焊接。

表4.3-7 两种焊接形式的特点及其焊接要求

注：1.为了形成焊接，必须提前熔化大块金属。因此，为完成焊接，必须满足下列两个条件

1）大块金属开始熔化的时间τ₁应大于导线开始熔化需要的时间τ₂，即τ₁＞τ₂。

2）大块金属开始破坏的时间τ_p1应大于辐射的脉冲宽度τ，即τ_p1＞τ。

2.大块金属的熔深应约等于被焊接的导线半径的一半，这样才能获得高质量的连接。

3.在焊接时，块状零件的几何尺寸可以任意，但应注意导线的几何尺寸。

图4.3-7 不同金属材料间采用激光焊接的焊接性

图4.3-8 两种金属熔、沸点示意图

表4.3-8 四种片状材料焊接的形式、特点及其焊接要求

（续）