激光深熔焊
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第110页（6072字）
2．8．3．1 激光深熔焊原理
当激光功率密度达到106～107W／cm2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成匙孔，孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔直射到孔底，称为匙孔效应(keyhole e-fect)．匙孔的作用和黑体一样，能将射入的激光能量完全吸收，激光停止后四周的熔化金属迅速将小孔填满而成焊缝．匙孔示意图如图2-44所示．
图2-44 深熔焊匙孔示意图
2．8．3．2 激光深熔焊特征
激光提供一种易控、化学干净和高度强化的大气焊接过程，产生具有狭热影响区和低畸变的深熔焊缝．概括起来，它具有以下六大特征：
(1)聚焦后，激光束具有106W／cm2以上高功率密度是确立高质量、高精度激光焊优势的最主要特征．在这种高功率密度激光束照射下，可以实施高的加工速度，并利用光的无惯性，在高速加工过程中可急停和重新开始．
由于能量高度集中，加工速度高，因此可获得高深宽比的狭焊缝和窄的近热影响区，整个焊接接头变形很小．
(2)焊接过程不需要电极和填充材料，焊接区几乎不受污染；再加上激光深熔焊机制产生的纯化作用，可形成较纯、低杂质焊缝．
(3)光束易控，容易实现自动化．在相应的光学传输系统工作条件下，可在高速下焊接复杂形状的工件，获得非常精确的焊缝．
(4)可在室内大气中或保护气氛下进行焊接，不需要像电子束焊那样的真空工作室．
(5)可实施异种材料(金属与金属、金属与非金属)间焊接，也可处理常规方法难焊的材料．
(6)通过分光装置可实现一机多用，即两只以上工作台可在一台激光器控制下分别使用．
2．8．3．3 激光深熔焊与其他焊接方法的比较
激光焊和电子束焊无论在高的生产效率还是在优良的焊缝性能方面，均处于领先位置．但电子束焊需要一真空工作室，或者说，需在真空环境中才能获得最佳效应．此外，它还需防护X线辐射问题．而激光束焊可在大气压下，在空气环境或其他气氛中进行，且激光束传输过程中，能量无明显衰减．
激光焊工件机械性能差不多与母材相同，其接头拉伸强度可等于甚至高于母材，同时保持焊缝金属相当高的韧性，从而使激光焊区性能明显优于常规焊．
激光焊可利用同样的导光系统、喷嘴和保护气体，处理从普通碳钢到锆合金在内的大多数金属，不像常规焊在焊接不同金属时需要更换设备．而且，激光焊工艺随不同材料变化甚校它不需要使用不同电极、熔剂、焊丝、喷嘴或极性与被焊材料匹配．
与钨极氩弧焊和等离子焊相比，激光焊焊缝有热影响区狭窄、焊接边接近平行、熔深大以及变形小的优点．
与常规焊相比，激光焊最大的不足莫过于一次性投资费用较高，以及对焊件装配的对中度和间隙控制较严格这两个方面．
因此，在考虑是否采用激光焊问题上，主要可根据高的一次性投资与获得高生产率、优良的焊缝形状及性能之间平衡的合理性来作出抉择．
2．8．3．4 激光深熔焊的影响因素
影响激光焊接的主要工艺参数包括：入射光束功率、光斑直径、吸收率和光束与工件相对行进速度等，其他诸如焊接设计、保护气体、对接工件间隙尺寸以及焦点与工件的相对位置也是重要参数．
(1)输出功率 激光焊熔深与激光输出功率密度直接有关，并且是入射光束功率和光斑直径的函数．一般地，对一定的光斑直径，熔深随光束功率的提高而增加，两者几乎成线性关系，如图2-45～图2-47所示．
图2-45 304不锈钢激光焊熔深随激光功率的变化
图2-46 沸腾钢熔深与激光功率的关系
图2-47 316不锈钢焊接熔深与激光功率的关系
(2)光斑尺寸 这是个非常重要的工艺参数，但它又很难测量，根据光的衍射理论可以计算激光束焦点上的衍射极限光斑尺寸，即
式中：Db——光斑直径；
λ——光束波长；
f——透镜焦长；
D——光束聚焦前直径；
M——振荡模数．
对于具有一定波长的光束来说，f／D值和M值越校光斑直径也越校因此，当需要高功率密度时，用低输出功率、M值小的TEM00模光束，比高输出功率、M值大的高阶模振荡光束可能更有利，从焊接有效性角度来看，需要具有小的f/D值和低阶模的紧密聚焦光束．
但要注意，式(2-1)是在没有聚焦透镜产生像差的假设条件下成立的，所以实际光斑要比上式计算值大，当要求高质量工作时，应以实验实测光斑为主要依据．
(3)表面状态 材料表面状态对光束的吸收率有较重要影响，从而对焊接效果有显着作用，材料一旦熔化乃至汽化，对光束的吸收将急剧增加，采用表面涂层或生成氧化膜，对提高材料对光束吸收也很有效．
图2-48表示各种表面处理对材料表面吸收率的影响，各种表面处理都不同程度地提高吸收率，在不同的焊接速度下，不同表面层的材料熔透功率都有增加．
(4)焊接速度 深熔焊时，焊接熔深几乎与焊接速度成反比．图2-49表示了低碳钢在3种不同功率下熔深与焊接速度的关系．从图可以看出，在同样功率下，薄板的焊接速度极快．
图2-48 不同表面处理与全熔透所需功率的关系
图2-49 低碳钢在不同功率下熔深随焊速的变化
(5)工件拼合间隙 装配间隙直接与焊接工件的熔深和缝宽有关，由于激光束要聚焦为几百μm直径的光斑，因此，接头装配、拼合间隙的准直度也要求达到这个数量级．
图2-50(a)表示被焊工件对接装配间隙应不大于板厚的15%，不准直度和不平度应小于板厚的25%；图(b)表示搭接接头装配间隙应小于板厚的25%．
图2-50 工件深熔焊允许的装配间隙(t为工件厚度)
(a)对接；(b)搭接
为了获得狭而平整、精细的焊缝，装配间隙必须校即装配越紧密，效果越佳，如果接头间隙超过光斑尺寸，焊接将不能进行．
2．8．3．5 激光深熔焊接头形式
大多数常规焊的接头形式也适用于激光焊，最常见的激光焊接接头形式是对接、搭接和凸缘接．激光焊缝的接头设计如图2-51所示．
(1)对接 为熔透型焊接．焊前材料不需开斜坡口，方正、平直的剪切边就可．焊接两边装配间隙应小于板厚的15%，不准直度和不平整度应小于25%板厚，横向准直度保持在1／2聚焦光斑直径范围内．
凸缘焊是对接焊的变种，大多数对接焊的原则也适用于凸缘焊接．这种接头形式最适用于像铝那样具有高收缩率的材料焊接．
(2)搭接 空气存在于间隙中会导致气孔和不熔夹杂，熔化区有时会形成微孔，孔的数量和尺寸随间隙增大而增大．
空气间隙严重地限制熔深和焊接速度，应采用紧固压力，使间隙小于板厚的25%，焊接不同厚度工件时，应使薄件焊到厚件上．
(3)T型接(角接) 在T型接头中有一个有利特征：激光束有跟踪缝隙的趋向，即激光束以一个浅角照射T型接头会促使整个缝深的熔化．
图2-51 深熔焊接头设计主要形式
(a)对接；(b)搭接；(c)点固；(d)凸缘；(e)角接
2．8．3．6 钢铁材料的激光焊接
通常用常规方法焊接的大多数工程合金都可进行激光焊接，所有具有冶金相容性的金属也都可进行激光焊接．此外，不同金属也可通过激光进行焊接．
(1)碳钢及普通合金钢的激光焊接 碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决于杂质含量，硫、磷是产生焊接裂纹的敏感因素，为了获得满意的焊接质量，碳的质量分数超过0．25%时需要预热．当不同含碳量的钢相互焊接时，焊炬可稍偏向低碳材料一边，以确保接头质量．
低碳沸腾钢由于硫、磷含量高，并不适合激光焊接；而低碳镇静钢由于夹渣含量低，激光焊接效果就很好．
中、高碳钢和普通合金钢都可进行良好激光焊接，但需要预热和焊后处理．这类钢视焊件工作条件要求，有时需要作焊后消除应力处理．
(2)不锈钢的激光焊接．一般来说，不锈钢激光焊比常规焊更易于获得优质接头．敏化不成为重要问题．与碳钢相比，不锈钢更易获得深熔窄焊缝．
①奥氏体不锈钢的激光焊接．奥氏体不锈钢激光焊由于高的焊接速度和小的热输入，可获得优良的接头性能，热影响区和敏化区也最小．
②马氏体不锈钢的激光焊接．马氏体不锈钢的物理、力学性能与合金钢相似，焊接的主要困难是应力裂纹．因此在某些应用场合需要进行预热与焊后处理，预热及焊后处理温度略高于常规焊的温度．
③铁素体和半铁素体不锈钢的激光焊接．
这类钢很容易实施激光焊．
(3)不同金属间的激光焊接 激光焊极高的冷却速度和很小的热影响区，为异种材料的焊接创造了有利条件．
通过试验，已经证明下列金属可进行激光深熔焊并获得良好的接头性能：不锈钢—低碳钢；416不锈钢—310不锈钢；347不锈钢—Hastalloy镍合金；镍电极—冷锻钢；不同镍含量的双金属带．
此外，研究表明，铜—镍、镍—钛、钛—钼、黄铜—铜、低碳钢—铜和不锈钢—铜等不同对异种金属在一定条件下都可进行激光焊．
2．8．3．7 有色金属的激光焊接
(1)铝合金的激光焊接 不填充焊丝，大多数铝合金不可焊，进行激光焊也有不少困难．对于铝合金，需要有比焊其他材料更高的功率密度才能维持焊接．材料状态对激光焊接也有影响，热处理态铝合金焊接的难度要比非热处理态合金高一些．有时为了防止焊接缺陷，还需要添加填充金属．
(2)铜合金的激光焊接 铜合金一般很难进行激光焊接．只有在极高的激光功率和进行表面处理的前提下，才能对少数合金如磷青铜和硅青铜成功实施焊接．
由于锌组元的挥发，黄铜焊接性能不好．
(3)镍合金的激光焊接 对于镍合金，能较容易地实施激光焊接并获得高质量的接头．但要注意HastalloyX和Kovar合金的热裂纹敏感性问题．
(4)钛合金的激光焊接 激光可以很好地焊接这类合金，焊接接头质量高、塑性好．但这类材料由于有高的氧化敏感性，所以必须在惰性气氛中进行焊接．
3．8．3．8 其他材料的激光焊接
作为特种工程材料的陶瓷，具有优良的耐热、耐磨和耐腐蚀性能．陶瓷激光焊时需要预热以防止焊接裂纹．一般使用电炉加热到1500℃，然后在空气中在千瓦级激光束照射下进行焊接，这时需采用长焦透镜聚焦．
焊接时加填充焊丝可提高接头强度，并在室温至700℃工况下性能不变，其接头抗热冲击性与基材一样．