第1章激光焊接激光(Laser)意为受激辐射发射的光放大,是利用原子或分子受激辐射的原理,使工作物质受激而产生的一种单色高、方向强、亮度高的光束。1.1激光焊接原理激光与物质的相互作用是激光焊接的物理基础,因为激光首先必须被材料吸收并转化为热能,才能用不率密度的激光进行焊接或其他加工。激光与物质的相互作用涉及到激光物理、原子与分子物理、等离子体物理、固体与半导体物理、材料科学等广泛的学科领域。当激光作用到材料上时,电磁能先转化为电子激发能,然后再转化为热能、化学能和机械能。因此,在激光焊接过程中,材料的焊接区域将发生各种变化。这些变化主要体现在材料的升温、熔化、汽化、产生等离子体等。激光作用到焊接材料上,与材料要相互作用,这一相互作用过程主要与激光率密度和作用时间、材料的密度、熔点、相变温度以及激光的波长和材料表面对该波长激光的吸收率、热导率等有关。激光率密度、作用时间、作用波长不同,或材料本身的质不同,作用区的温度变化则不同,作用区的物质状态可发生不同的变化。对于有固态相变的材料来讲,可用激光加热来实现相变硬化。对于所有材料来讲,可用激光加热使材料处于液态、气态或者等离子体等不同状态。激光光束是由单色的、相位相干的电磁波组成,正因为它的单色和相干,激光束的能量才可以汇聚到一个相对较小的点上,使得工件上率密度能达到10'W/cm²以上。这个数量级的入率密度可以在极短的时间内使加热区的金属汽化,从而在液态熔池中形成一个小孔,称之为匙孔。光束可以直接进入匙孔内部,通过匙孔的传热,获得较大的焊接熔深。质量好的光束甚可以在4x10W/cm²率密度下形成匙孔,这主要取决于激光率密度分布情况。匙孔现象发生在材料熔化和汽化的临界点,气态金属产生的蒸气压力很高,足以克服液态金属的表面张力并把熔融的金属吹向四周,形成匙孔或孔穴。随着金属蒸气的逸出,在工件上方及匙孔内部形成等离子体,较厚的等离子体会对入射激光产生的屏蔽作用。由于激光在匙孔内的多重反射,匙孔几乎可以吸收的激光能量,再经内壁以热传导的方式通过熔融金属传到周围固态金属中去。当工件相对于激光束移动时,液态金属在小孔后方流动、逐渐凝固,形成焊缝,这种焊接机制称为深熔焊,也称匙孔焊,它是激光焊接中常用的焊接模式。当激光的入率密度较低时,工件吸收的能量不足以使金属汽化,只发生熔化,此时金属的熔化是通过对激光辐射的吸收及热量传导进行的,这种焊接机制称为热导焊。由于没图1.1-1描绘了这两种焊接模式的基本原理。也有人将激光焊接模式进行了更细致的划分,提出在激光焊接的两种基本模式深熔焊和热导焊之间存在着第三种焊接过程,激光焊接过程分为稳定深熔焊、模式不稳定焊和稳定热导焊三种模式。其中模式不稳定焊的基本特征是深熔焊和热导焊两种模式出现,熔深和熔宽相应地在大小两级跳变,焊缝成形不均匀。焦点位置是影响焊接模式和焊接过程的重要工艺参数。 图1.1-2所示为激光焊接两种基本模式的熔池形态图。热导焊时由于激率不足以使熔池金属蒸发形成匙孔,温度变化造成的熔池表面张力的变化在熔池内部产生一股很大的搅拌力,使熔池中的液态金属沿图示方向进行流动。当入射的激光能量较大,引起材料蒸发而在熔池中形成匙孔时,在不断产生的蒸气压力作用下,匙孔将趋于稳定。匙孔行为像光学中的黑体,光束辐射进入孔内,经过孔壁的多次反射,能量几乎被吸收。当焊接高反射率材料时,这可能既是优点也是不利之处。为建立匙孔,需要更大的激率,而一旦匙孔形成,吸收率会从3%跳变到98%,这种大幅度的变化可能会对焊接结构带来负面影响。 |