激光熔焊參數(shù)設(shè)定規(guī)范

武漢法利萊切焊系統(tǒng)工程有限公司  沈義

     激光加工作為一種先進的加工技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于打標(biāo)、切割、焊接、表面處理等加工應(yīng)用中。其中激光打標(biāo)、切割已成為大眾化加工手段，激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步擴大，特別是在自動化程度較高的3C產(chǎn)品、汽車、鈑金加工等行業(yè)，已有逐步取代常規(guī)焊接方法的趨勢。本文在激光焊接應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提煉出影響激光熔焊的相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合焊接材料的性能測試，形成激光熔焊的參數(shù)設(shè)定規(guī)范。 

圖1 激光輻射金屬材料的幾個主要物理過程

     1、激光熔焊參數(shù)

     影響激光熔焊的參數(shù)，主要有功率、離焦量、焊接速度、氣保護等。

     功率：激光經(jīng)過受激輻射，通過光路傳輸及光束準直、聚焦從而照射到被加工件表面。影響熔化效果的因素有激光輻射功率和激光照射面積，功率越大，材料熔化速度越快，熔化深度越深，相應(yīng)熱輸入量越大，可能產(chǎn)生的焊接變形也越大。

     離焦量：激光光束經(jīng)過準直聚焦后照射到工件表面的位置與激光光束聚焦后的焦斑位置的距離稱為離焦量。光斑在焦斑位置上方，稱為負離焦，光斑在焦斑位置下方，稱為正離焦。通常認為，負離焦時光斑直徑在熔深方向趨向于減小，會加大熔深；正離焦不會因飛濺而損壞鏡片，操作上有更大的空間。

     焊接速度：激光焊接是激光連續(xù)照射到工件表面而形成永久焊縫的過程，光束移動的速度，對熔深有直接影響，速度越快，熔深越淺；相反，速度越慢，熔深越大。

     氣保護：通過氣體保護焊縫金屬，從而避免空氣中的氣體(O2、N2、H2、H2O)與焊縫金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。通常用N2、He、Ar或者三者的混合氣體作為激光焊接的保護氣，氣體純度要求至少在99%以上。 

圖2 帶拖罩的同軸保護氣工裝

     相關(guān)聯(lián)因素包括：焊接裝配間隙、焊接結(jié)構(gòu)和焊接位置。

     焊接裝配間隙不大于0.2mm或板厚的十分之一，兩者相權(quán)取其??；

     焊接結(jié)構(gòu)包括板與板、板與管、管與管的對接、角接、疊焊；

     焊接位置包括水平焊、橫焊和立焊三種。 

圖3 激光焊接接頭形式

     2、激光焊接試驗方案

     采用正交表或單因素對比的試驗設(shè)計，對激光焊接進行試驗。目標(biāo)是用最少的試驗，獲得最好的試驗結(jié)果。

     采用與被焊工件材料相同、厚度相等的材料進行激光熔焊試驗。焊接過程中，嚴格按照被加工件的裝配間隙，接頭形式和焊接位置進行焊接。若接頭形式和焊接位置未定，采用最簡單的加工位置進行焊接。

     焊接過程中，所用設(shè)備與工件正式焊接的設(shè)備相同，并采用相同純度的保護氣及氣保護工裝。氣保護工裝可采用單管式、并排多管式、圓盤式、托罩式等不同結(jié)構(gòu)，在焊接結(jié)構(gòu)滿足的條件下合理選擇。

     控制好試驗件的裝配間隙，如果條件允許，可試驗在不同參數(shù)下所允許的裝配間隙范圍，以備產(chǎn)品件焊接時靈活應(yīng)對。對于鍍鋅板疊焊，需要人為控制上下板間隙。

     采用與產(chǎn)品件相同的控制方式進行激光焊接，在處理起弧點和收弧點上，記錄好時間與功率的坡調(diào)參數(shù)，并通過起弧處提前開氣和收弧處延遲關(guān)氣等措施，保證焊縫起弧收弧的完美外觀。

     3、焊縫金屬性能檢測

     首先進行無損檢查，包括外觀焊縫質(zhì)量觀察和放大鏡觀察、進行無損檢測等，相關(guān)標(biāo)準參照《GB/T 26951-2011焊縫無損檢測 磁粉檢測》、《GB/T 26953-2011焊縫無損檢測 焊縫滲透檢測 驗收等級》等；如果是鍋爐相關(guān)行業(yè)，參照標(biāo)準《DL/T 1105-2009 電站鍋爐集箱小口徑接管座角焊縫無損檢測技術(shù) 》；如果是機車相關(guān)行業(yè)，同樣參照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準。

     再對焊縫金屬進行破壞性試驗，檢驗金屬的相關(guān)性能。

     強度和金相組織是最常見的焊縫性能分析手段，通過焊縫金屬與母材強度對比，能宏觀判斷焊縫組織性能變好或變差。通過金相組織觀察，能明確焊縫組織變好或變壞的原因。

     4、缺陷原因分析

     激光熔焊缺陷包括：焊穿、未焊透、表面裂紋、氣孔、咬邊、表面氧化、焊縫下陷等，其原因分析如下表1。

     5、評價選優(yōu)流程

     激光熔焊參數(shù)設(shè)定規(guī)范流程見圖4，方案合理、焊縫美觀、焊縫力學(xué)性能合格、焊縫熔深足夠等評價方法選出的參數(shù)符合激光熔焊參數(shù)設(shè)定要求。 

圖4 激光熔焊參數(shù)評定流程

     6、激光熔焊在汽車行業(yè)的應(yīng)用

     由于極高的技術(shù)門檻，此前國內(nèi)的汽車行業(yè)激光焊接領(lǐng)域一直被外企壟斷，直到法利萊的出現(xiàn)，才打破這一局面。武漢法利萊切焊系統(tǒng)工程有限公司研發(fā)的&“國內(nèi)首條多品種商務(wù)車頂蓋-側(cè)圍激光搭接填絲焊接技術(shù)與生產(chǎn)線&”采用激光搭接填絲熔焊技術(shù)，填補了國內(nèi)空白，其主要技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平。

     經(jīng)過幾年生產(chǎn)驗證，該生產(chǎn)線設(shè)備運行良好，加工質(zhì)量穩(wěn)定，截止目前，該生產(chǎn)線已經(jīng)生產(chǎn)商務(wù)車數(shù)萬臺，取得了顯著的經(jīng)濟與社會效益。2014年，法利萊憑借&“汽車制造大功率激光切割、焊接關(guān)鍵技術(shù)與裝備&”項目榮獲中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎一等獎。