激光焊透和焊接现象的解释

第36 卷第12 期中国激光V ol36, No. 12 2009 年12 月CHINESE JOURNAL OF LASERS December, 2009

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文章编号: 0258- 7025( 2009) 12-3160- 07

激光焊透和焊接现象的解释

(特约论文)

Seiji Katayama* Youske Kawahito

(缝接和焊接研究所,大阪大学,567 - 0047年大阪,日本)

Corr esponding author : katayama @jwri. osaka-u . ac. Jp

接收2009年10月13日

摘要深入渗透焊接可以由一个高能量密度的激光器产生。而影响激光焊透的因素,有焊缝熔深，激光诱导和激光束之间的相互作用，锁孔是熔体在熔化池中流动的一种行为，并且有气泡和孔隙的产生，阻止了勘察。因此，对等离子体焊缝熔深的效果由CO2激光器和光纤激光器焊接进行解释分别。飞溅，底部填充，驼峰的形成的理解。可以被容易地确认形成在高功率和低的焊接速度，由于许多气泡的产生从该孔隙率尖的。

关键词激光焊接；CO2激光器；光纤激光；激光焊接现象；焊缝熔深

1引言

激光焊接已经获得了极大的普及，有前途的高品质连接技术，高精度，高性能，高速度，好的柔韧性，以及低的变形或失真，除了容易识别还可以广泛的应用。一个机器人，减少电源蒸发增强散热，全自动化，系统化，生产化等[1]。激光焊接的应用是逐渐增加。激光器的缺陷或缺点，使其激光焊接的成本高，高度反射或高难熔塞尔玛导电金属，小间隙公差，易形成焊接，如波河缺陷- 孔隙度在深深地渗透焊缝熔合区。因此，要了解CO2，YAG，或光纤激光器焊缝熔深的机制和现象，各种研究已有进行有关激光诱导行为，激光束和其之间的相互作用诱导等离子，熔体流动，锁孔沟通对话折射率和气泡产生的熔池铅的孔隙形成的焊缝熔合区[2?26]。

2实验方法

高功率CO2，YAG或光纤激光器的焊接是在304型奥氏体少钢或铝合金板上染色进行的，并且其焊透和焊接现象进行了对比。诱导柱或血浆的激光的特性，在交互的激光束和一缕缕之间观察到或通过使用高速摄像机，规范计量、测量和探测激光束。例如可视化观测系统观测激光束和羽流之间的相互作用、焊接过程被显示在图1 [2，3]。1090纳米的光纤激光器，830 纳米的激光二极管，和63纳米的氦氖激光器或YAG激光器或光纤激光器用作探测光束、激光焊接。

Fig. 1 Schematic of observation and measurement system for visualization of interaction between probe laser beam and laser-induced plume during laser welding

锁孔的行为，气泡的形成，熔体流动，熔池几何形状也通过X射线透射REA-L时间的IM服务。老化装置中，如图2 [4，5]所示。清晰的几何可视化铂（Pt）的金属丝放置在孔类型304的不锈钢板表面上。观察每个形成在1000F/s的帧速率。

Fig. 2 Schematic of a microfocused X-ray transmission in-situ observation system

3影响激光焊缝的因素

渗透

在用连续波激光，焊接渗透率和几何受到的那种激光波长不同，激光功率的光束直径，光束质量，集中力量密度，横电磁模式（TEM），散焦距离（激光聚焦刘先洋，刘晓红），焊接速度等与材料物理性质- 领带（激光束的反射率，热扩散率，表面张力和挥发性元素的含量），环境，如空气，保护气体的种类，气体流量和真空度，激光诱导的质粒等有关[2?26]。

304型焊接用的CO2激光器在不同的保护气体下制造10千瓦的功率的激光器-I 特德图[4，5]，显示出在保护气体的作用上的渗透。渗透是深藏在气体中的，但所增加的深度是减小氩气与其他气体比率。氮气比氦气的渗透是轻微的。

Fig. 3 Cross sections of type 304 weld beads produced with a 10-kW CO2 laser in different shielding gases

渗透的几何形状和焊缝深度与光纤激光器测距制成从1到10千瓦效率有关，在氩的保护气体中指出图。4[6]。深深地渗透焊缝可以发生在高温下氩保护气的光纤激光焊接。这些数字的比较表明，保护气体的效果是更能指出在比10千瓦更高的功率的CO2 激光器表面增强拉曼光谱，但没有那么大的，只有YAG或光纤熔接激光器具有约1.06微米的波长。

Fig. 4 Penetration geometries and depths of t ype 304 weld beads made with fiber laser power from1 to 10 kW

在各种铝合金离焦距离的函数图5[7]所示。焊缝深近的焦点由于高功率密度（5千瓦），可成为浅在较长的散焦距离。这是联合国- 人们了解的更深的渗透可以很容易地形成合金的大量挥发，例如元素Mg和Zn[7?9]。

Fig. 5 Effect of defocused distance on penetration depths in various aluminium alloys 焊缝的穿透深度的产生与10千瓦光纤激光器具有不同的光束直径，TERS（不同的功率密度）在焦点如下图焊接速度的函数图6[10]。值得注意的是，在更高的功率密度可以高生产较深的熔珠焊接速度。另一方面，在较低速度，功率密度对焊缝PENE 的效果小，尽管电源加大了在渗透[10，11]中影响。

4激光诱导羽的行为和特性，在连续激光焊接之间的互动激光束和诱导羽

激光诱导气体等离子体和遇到的例子在5 -kW功率,50 -mm / s的速度,和30 - l / min 同轴流动的条件下A5083 CO2激光焊接铝

Fig. 6 Effects of beam diameter and welding speed on penetration depths of weld beads produced in type 304 steel with a 10-kW fiber laser

合金,基于“增大化现实”技术,氮气保护气体图7所示[12]。在其他气体,一股仅仅是由一中性金属原子从氩或氮气体经常或有时在焊接、喷射气体plasmais下所形成的。喷嘴除了从锁孔，还分别在更多的氩或氮气体下10千瓦CO2激光器焊接中，气体等离子体流量达到使激光周期性地阻止入射激光束，以减少熔深。焊接前，做好充足的在氮气下示范，15千瓦功率的气体等离子体的形成与锁孔行为之间的关系示于图8[13]。这是国际米兰- 解释层是氩气或氮气气体的等离子体更容易。因为较低的电离电位的形成，用氦气的气体等离子体所施加的作用力比较在CO2激光器的逆韧致辐射过程- 雷射光束，因为效果是与波长的平方成正比，其中激光波长如图[14，15]。

Fig. 7 Plasma and plume observed during CO2 laser welding of A5083 alloy in He, Ar, and N2 coaxial shie-l ding gas, showing effect of shielding gas kind on plasma formation

分光测定的一个例子和304型焊接过程中的分析不锈钢带10千瓦光纤激光器光束约1兆瓦/ 平方毫米，氩的超高功率密度保护气体如图所示9[6]。几乎所有的峰值来自中性原子和电子的发射的，未检测到从氩气的踪迹。逆韧致辐射效果似乎微乎其微在约1微米波长的激光束焊接。根据萨哈方程，估计一个柱子在弱离子PLAS的状态（约6000 K和2％原子离子）[6]。数字图10示出的照片显示了例子- 羽行为与探测激光之间消耗运动[2，6]。据证实，折射和衰减探测激光束的存在，由于引起的倾斜的倾斜折射率分布和蒸气密度在高温下的分布和瑞利散射，分别[2，11，16，17]。该在这样一个斯马尔大小的羽互动 1.06微米的激光束被判断为是小的。

Fig. 8 Simultaneous observation result of phenomena during CO2 laser welding in N2 gas, showing the relationship between gas plasma formation and keyhole behavior

Fig. 9 Spectroscopic measurement and analytical result of plume induced during 10-kW fiber laser welding of type 304 stainless steel

羽和等离子体的行为和形成机制- 在熔池锁孔几何是出自于图11[15]。在一个功率为10千瓦的CO 2激光器的情况下，10.6

微米波长，氩气和氮气形成的气体等离子体，导致在焊缝的表面上的渗透减少，同时在YAG，光纤的情况下，或约1微米波长，屏蔽的盘形激光器效果小，而激光功率和其密度施加的渗透[10，16]也小。

Fig. 10 Simult aneous observation results of probe fiber laser behavior ( upper ) and laser-induced plume( lower ), showing visual interaction betweenlaser beamand laser-induced plume

Fig. 11 Schematic plume and plasma behaviour and consequent keyhole in laser weld fusion zone

5抑制程序的激光焊接缺陷

焊接可以在各种地方进行通过使用高亮度和质量的条件性光纤激光器。一个适度高的焊接光纤激光器，具有完善的熔珠的功率密度的凸表面进行生产。另一方面，底部填充焊缝形成，由于根大飞溅的焊接速度，高速度超过10米/分的较低的功率密度，而焊缝与峰值发生在高功率密度（见图6）。为了澄清这些焊缝的现象，高速视频观察的被执行的熔池表面图12高速摄像机观测结果在光纤激光焊接时熔池表面6千瓦的功率和360微米的光束直径。

光纤激光器珠上板焊接为电力每6千瓦的激光焊接的条件下形成，360微米光斑直径，以及各种焊接速度的观察结果的例子。焊接速度从6至10米/分都显示在图12（a）和（b），分别为在6米/分钟时，熔池是超过700毫米的长度。一个关键孔位于熔池的前端附近的和熔体流动了从锁孔入口形成一凸面。形成较大的飞溅从熔体，但跳上大熔池和消失了。在该焊接速度10米/分，则熔池变小，溅射变得更加严重。几乎所有的熔体靠近表面的顶部形成飞溅。形成机制，在形成底部填充焊道与尖端增强拉曼光谱。这意味着，飞溅可以防止一个长熔池产生。

Fig. 12 High-speed video camera observation results of molten pool surface during fiber laser welding at 6-kW power and 360-Lm beam diameter 图13示出的观察结果6千瓦的焊接条件下，熔池激光功率，115微米的光斑直径，和6米/分钟行驶速度。氙弧灯是用于低照度观察熔池和激光的诱导羽。据证实，熔池很窄又长，落后熔体流动。由于激光诱导羽流的喷射是强的，峰值部产生的同盟在熔池的后部。这是反对式的驼峰形成因。激光诱导羽向后熔体流动性和很窄的珠较高的表面张力宽度。

Fig. 13 High-speed video camera observation result s of molten pool surface at high power density

孔隙率是很容易形成深深地渗透焊缝低温焊接速度。X射线透射锡观察结果证实，气泡从锁孔尖端产生，形成的孔隙度低焊接速度，而气泡没有形成在高的焊接速度，从而导致没有气孔，并且6千瓦的光纤激光焊接的例子示于图14 [11]。从这样的观察结果羽行为，锁孔行为，熔体流动和泡沫代领导气孔形成的熔池示意性概括图15

[15]。在低焊接速度，深刻的锁孔是可能崩溃，然后将激光束照射在倒塌液体墙锁孔，并形成机制逻辑向下的熔体流动是由重力造成的，蒸发从压扁的壁线圈压力。这种现象可能会导致产生大量的气泡到毛孔。作为焊接速度是稍微有折痕，强烈的蒸发有时发生从一个锁孔（其中液体的前壁层薄）变形的锁孔的后壁 （其中液体是大），以便产生一个泡泡糖 - BLE 。在acertain 条件气泡向上流动从熔池表面消失。如果材料具有如此高的表面张力，以产生一个稳定的锁孔中，蒸汽被强烈地向上喷出从锁孔入口以诱导熔体流接近入口向上，和更小的气泡是从锁孔尖形成。因此，毛孔存在靠近焊缝的底部。 当焊接速度足够高，一缕向上，和一个锁孔变得如此稳定 以抑制或防止气泡的形成，从而导致气孔在减少或无气孔。在高功率，如 20至40千瓦在其他的保护气体或在高POW 密度（例如10千瓦）与0.2毫米聚焦束，气泡从而导致毛孔有时根从钥匙孔的中间部分纳入样本。

Fig. 14 X-ray transmission observation results

an

X 射线透射照片中的例子连续波（CW ）YAG 激光类型的焊接304钢，氩气、氦气、氮气保护气图16[18]。形成气泡的惰性气体中如氩气和氦气，但泡沫几乎不可见 氮气。氩气和氦气一般是检测毛孔。因此，氩气和氦气的参与一个未锁孔稳定在较低的焊接速度，但危害氮气的有用的影响是减少了与铬反应在锁孔还未被列入，由于高蒸气在熔池的溶解度。氮气被认为是一个YAG 适当的保护气体，磁盘或光纤激光器 焊接奥氏体不锈钢

.

Fig. 16 X-ray transmission observation photos of keyhole and/ or bubble generation in molten pool during CW YAG laser welding of t ype 304 steel in Ar,He, and N 2 coaxial shielding gas

气泡，导致气孔或孔隙率，是香格里拉在尖端通常形成逻辑焊接，从而为下面的程序 在孔隙率的降低，提出[9，13，19?21]， 并且其有效性得到确认：1）全佩内焊接; 2）适当的脉冲调制（图 17）[22，23]; 3）向前倾斜的激光束; 4）双斑激光焊接; 5）真空焊接; 6）使用龙卷风喷嘴; 7）复合焊接与激光和 TIG 或MIG 在高温电弧电流; 8）高速焊接等。

Fig. 17 Effect of pulse modulation on porosity in CO 2 laser weld beads of aluminium alloy

在锌涂层钢板的激光焊接，它是重要的控

制，以重叠纸张之间的间隙 逃避蒸汽和他们的压力，由于lowevap 祭文高温汽化压力锌激光钎焊可申请加入的Zn-COA - 特德

钢板无气孔或凹坑[24]。莫雷奥版本，压铸或烧结合金的激光焊接困难的，因为毛孔都不可避免地形成焊缝融合区[24]。

在一些铝合金，在发生裂缝某些情况下，但不要在其他地方拿条件。有关的实验结果在A7N01铝裂纹的形成条件- 铅丹合金示于图18 [25]。结果发现，开裂，容易形成以更高的焊接速度中厚钢板。

Fig. 18 Effects of plate thickness and welding speed on cracking in A7N01 aluminium alloy welded with a CO2 laser

在激光焊接铝合金中，飞溅容易出现，因此一个底部填充焊缝珠可以被形成。表面是由AP修改行走复合焊接与MIG电（如后续- ING热源）[22，26]。

6结论

激光焊接现象是令人满意的。与连续波激光器制成的焊接效果是描述。在焊接含106纳米CO2激光器，容易形成于氩气和氮气plasmaare - SORB激光照射能量，而在该情况下用YAG激光，磁盘或光纤激光器，一个高大的焊接形成柱施加折射的效果，杰福和瑞利散射，减少穿透率。飞溅和驼峰现象是由于激光诱导的羽流的作用提供，孔隙度主要是从有深刻的尖端产生，锁孔以及一些预防方法是去veloped。开裂发生在激光焊接金属厚板高的焊接速度。

致谢谨

承认雅美水谷先生，硒直树博士- 到，木下惠介先生，直行Matsumo先生- 到，等前研究生，以及技术专家在大阪大学JWRI。

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