激光焊接两种异常现象的分析

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1、激光焊接两种异常现象的分析提要：研究了在激光焊接中出现的两种异常现象，即焊缝的缩颈和表面凸起现象。结果表明：焊缝截面的缩颈是因激光束的偏振、小孔壁聚焦、小孔内高压金属蒸气的动态行为引起的；表面凸起是因组织的变化、熔池熔体的流动、热膨胀及热应力引起的。关键词：激光焊接异常现象焊缝成型1引言激光焊接采用高能束的激光作为热源，与传统焊接方法相比具有速度快、组织细腻、热影响区小、成型好等特点。但在激光焊接中，经常会出现两种异常现象，即焊缝截面的缩颈和表面凸起，如图1所示。焊缝截面的缩颈是指在激光焊缝截面上，在熔深的中段焊缝呈现收缩特征，出现

2、焊缝的上下两端宽、中间窄的现象。在激光焊接中一般并不添加焊丝等填充材料，但在焊接后焊缝表面常出现凸起，这往往影响了激光焊接的表面光洁度。对此现象很多激光焊接工作者都没有给予应有的重视。在实际某些应用中，如汽车蒙皮、汽车底盘钢板对焊后表面质量要求很高，不允许有任何不平。在一些精密零件的激光焊接也对此有着严格要求，任何表面的不平整都可能造成功能失效或者对使用有严重影响。因此探索这两种现象的形成机理，对于控制焊缝的成型、提高焊缝质量是很重要的。本文通过多角度、多侧面的分析，对其进行了具体的解释。2理论分析2．1焊缝截面的缩颈现象激光焊缝截

3、面的缩颈现象，与激光焊接的特性是分不开的。经大量的研究和试验，分析认为缩颈现象这个特征的形成是由于下列因素所造成的。①激光束的偏振激光是一种电磁波，具有偏振性。高功率CO2激光器输出的是偏振面不固定的线偏振光。工件金属表面对入射光中S成分的反射率Rs与P成分的反射率Rp不同。由于高功率激光焊接时，产生深的小孔，并且激光沿焊缝移动，造成小孔前侧壁的倾斜，其斜面的法向与激光束的中心线成θ角，θ一般在75°～85°之间。在这种入射角很大的情况下，偏振面与入射面平行的P光和垂直的S光反射系数相差很大。S光几乎全部被反射，Rs接近于1.0，而

4、P光则大部分被吸收，反射率只有0.3～0.4，如图2所示。这样就造成了焊缝两侧的截面形状不对称分布。②小孔壁聚焦由于激光束在经过小孔孔壁的多次反射之后，又会聚于孔底，这就是小孔的壁聚焦效应，如图3所示。在孔底聚焦的激光束又相当于一个点热源，使得在孔底附近焊缝又出现明显加宽。这样在工件表面热源和孔底点热源的作用下，焊缝形成上下两端宽、中间窄的缩颈现象。③小孔内高压金属蒸气的形成在小孔内，金属迅速熔化汽化，形成金属蒸气，受热膨胀产生的压力使熔融金属沿着孔壁向上移动，小孔周围液体的流动和表面张力倾向于消除小孔，而孔壁材料连续产生的蒸气则极

5、力保持住小孔，二者之间是一个动态的平衡，如图4所示。在孔底附近产生的金属蒸气压力很高，可将上部熔化的部分液体金属托住。当孔内气体的压力及激光束的辐射压力等导致孔底贯穿时，孔内高压蒸气就部分排除，每排除一次，孔内金属蒸气压力会降低，被托住的连续形成的熔池部分液体金属便开始下坠，又将小孔底部封住。随后孔内蒸气压力又会升高，到一定值时小孔贯穿而压力又会降低，此后不断地重复此过程。孔内金属蒸气和金属液体是连续形成的，因此小孔的贯穿与被堵、金属蒸气从孔底的排除、液态金属的被托与下坠、孔内蒸气压力的升高与下降都是一个动态的过程。激光束是连续移动

6、的，在激光束后部的熔池温度迅速下降而冷凝，形成所谓的“缩颈”现象。从大量试验发现，产生“缩颈”现象都是属于贯穿焊情况，与深熔焊的孔底聚焦及小孔的贯穿有关，而研究结果表明在激光微焊即熔深较浅时不会出现缩颈现象。2.2激光焊缝表面凸起现象高功率激光焊接时，在没有添加任何材料的情况，在焊缝表面常常出现凸起，如图1(b)所示。对这一现象，经研究认为主要是由下列几个因素所造成的。①材料热膨胀及热应力的影响在激光束的快速加热情况下，工件迅速受热升温，体积发生膨胀。由于激光束加热集中，在激光作用的周围区域温度升高不是很大，激光作用区材料受热膨胀受

7、到周围较冷部分基体的阻碍，在该区域形成压应力，同时被焊板材发生轻微的向下弯曲变形，如图5所示。尽管此应力与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响因素之一。当激光束继续作用，工件上表面温度继续升高，压应力增大。与此同时，材料的屈服极限随温度升高而下降。到一定阶段，材料屈服极限小于周围的压应力数值，熔池上表面附近材料发生屈服变形，并产生堆积。在激光束移动到下一区域后，先前发生堆积部分温度迅速下降而冷凝，凝固后的表面保持了凝固前弯曲的堆积形貌，从而形成了焊缝表面的凸起。在焊缝及附近区域发生的变形也保留了下来，附近各点已不能

8、完全恢复到激光作用前的位置，从而要在工件上部形成新的残余拉应力。②熔池表面熔体的流动激光焊接过程中，熔池受到各种复杂外在因素的影响，造成表面熔体的流动，这客观上对于表面凸起有着很重要的影响。对于熔池表面熔体的运动，至今已有多种假说。A