激光焊接下的接头形状及逃逸速度计算

4.4.7.1 接头设计

激光匙孔焊时，接头的设计应考虑有利于匙孔的形成，高功率密度焊接时，匙孔的形成对连接的板厚不十分敏感，因此激光焊接可以考虑一些新型的接头形式。图4.23给出了激光焊接的典型接头形式。Sepold等人^[24]采用喇叭形坡口对两个金属条进行高速焊接，焊接速度达到了4m/s，在焊接厚管的直线焊缝时，通常对其开喇叭形坡口。采用这种坡口进行焊接时，必须采用正确的光束偏振面，在光束被反射到接头点下面之前，必须将光能吸收，可以说这种方法的焊接效率是非常高的。“T”形接头具有良好的焊接操作性，由于匙孔可从一定角度穿透进入工件，可以将工件朝上翻转，实现“T”形母材的穿透焊接，这种“T”形接头设计还可降低匙孔的热负荷。

图4.23 不同焊接接头形式

a）对接接头 b）角接或搭接接头 c）点焊或搭接接头 d）钉尖焊或点焊接头 e）卷边接头 f）端接接头 g）侧面焊T形接头 h）喇叭形焊接头 i）角焊接头 j）吻接或喇叭形接头

当焊接圆管时，如果圆管未完全焊穿，由于未焊接的根部母材应力升高，焊缝就有开裂的可能性。为焊透管材，可以采用提高焊接功率和降低焊接速度的方法来解决；或者对接头的形状进行重新设计，从而可以避免出现较深的焊缝^[25]。

4.4.7.2 间隙的影响

对接接头进行激光焊接时，接头间隙必须足够小，从而避免光束直接从间隙穿过，焊接接头的间隙应当小于光束的半径（＜200μm）。对于大间隙的焊缝，可以采用透镜旋转光束焊接，不过这种方法易产生焊漏或未填满等焊接缺陷，采用添丝^[26]或添粉焊可克服上述缺陷^[13，27]。一般来说，激光焊接是不需要填充材料的自动焊接过程。可能会出现的问题：如果存在间隙，根据质量守恒定律，焊道应该是塌陷的，而实际上焊缝是凸起的，这主要是由于焊缝金属收缩会对熔池产生一定的挤压力，因此对于比较小的间隙是不必添加材料的。

熔池受到的挤压程度与焊缝金属冷却时的收缩力是成比例的，因此对接接头激光焊中能够承受的最大间隙g由下式计算^[13]：

因此

式中，β为热胀系数（m/℃），ΔT为温度的变化，近似为熔点温度（℃），w为焊缝宽度（m），t_P为板厚，g为间隙宽度，A为常数，B为常数，对于搭接接头（间隙在两板之间）

所以

当对镀锌板或其他易挥发性材料进行搭接焊时，应在两板之间留一定的间隙，在焊接时应该仔细控制脉冲频率^[28]，以确保在一个脉冲中产生的气孔会被下一个脉冲所消除。易挥发的中间层在焊接过程中产生高压蒸气问题，锌的沸点是906℃，钢的沸点是1500℃，产生匙孔时的温度会更高。因此当匙孔进入两块镀锌板的中间层时，会导致金属蒸气的突然迸发，如果没有一个通道将其释放掉，它会破坏焊接过程。为了释放掉这些金属蒸气，应在工件之间留一定的间隙，Akhter和Steen^[29]已经计算出间隙的大小，其计算模型如图4.24所示。

图4.24 为排出镀锌板焊接过程中产生的高压锌蒸气^[29]在镀锌板之间留有一定的小间隙

a）侧视图 b）俯视图

Φ_gen为每秒钟产生金属蒸气的体积（m³/s），v为焊接速度，ρ_S和ρ_V分别为固体和气体的密度。

v₂为气体从熔池中的逃逸速度（m/s），Φ_esc为每秒从两板之间逃逸出气体的体积（m³/s），在一定焊接间隙下，最大的逃逸速度由式4.9和式4.10可知：(www.xing528.com)

这个逃逸速度只有在一定的加速压力下才能获得，该压力不能超过熔池金属的钢铁静压头——ρ_Lg_Ct_P，其中g_C为重力加速度，否则气体不能从熔池中排出，降低了焊接质量。Ber-noulli给出了该速度的近似值：

由式4.11和式4.12可以确定逃逸速度v₂的大小，因此可以求出焊接镀锌钢板时为排出气体应保留的最小间隙。

如果间隙小于g_min（m）将会产生焊缝爆裂现象。为控制间隙尺寸，Akhter和Steen^[29]建议通过微凹焊接件方法予以改进。

然而，为了避免出现焊漏现象，焊道之间的间隙不能超过某一最大值，该最大值由等式4.8确定。因此有以下不等式：

当不等式除t_P后，可以得到以下关系：

上式所示关系可以由图4.25来表示。其中常数A为

从式4.2中可以得到以下等式：

因此

从图4.25中可以求出函数的最大值为，该值表明在焊接镀锌钢板时可能存在一个最大的上限功率，该功率的最大值接近于5kW。当焊接功率在5kW以上时，必须继续增大焊道间隙才能排出锌金属蒸气，但间隙太大了，会产生焊漏现象。

对于在汽车工业中应用较为广泛的镀锌钢板搭接焊，当采用Nd-YAG激光进行焊接时，上述问题可以通过控制脉冲的频率和焊接速度来解决。Tzeng^[30]和Katauama^[28]两人可以焊出没有气孔的镀锌钢板搭接焊缝。该焊缝为什么没有出现气孔，Tzeng认为是由于在焊接过程中采用了脉冲搭接的方法，该方法可以以区域重熔的方式排出气孔。另外有报道，可以采用单透镜多光束的Nd-YAG激光焊接解决镀锌钢板搭接焊缝的气孔问题^[31]。

图4.25 焊接低碳钢镀锌板时的操作图^[24]