Ti_55钛合金板材的CO_2激光焊与电子束焊的实验研究

激光焊 激光焊是中j用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接 方法。激光焊作为现代高科技的产物，己成为现代工业生产中一种重要的焊接手 段。随着航空航天、汽车、微电子、轻工业、医疗及核工业等的迅猛发展，产品 零件结构越来越复杂，对性能要求越来越高，对加工精度和面完整性的要 求也越来越严格，传统的焊接方法己难以满足要求。激光焊接具有高能量密度、 可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点而受到世界各国的重视， 并 己成功应用于航空航天、汽车制造、电子轻工等领域. 按焊接机理分类，激光焊有两种基本形式t 一是传导型激光焊， 另一种是激 光深熔焊 [22] 。 传导型激光焊接需将高强度激光荣直接辐射至材料表面， 通过激光与材 料的相互作用，使材料局部熔化实现焊接。激光与材料相互作用过程中，会出现 光的反射、光的吸收、热传导及物质的传导。在热传导型激光焊接中，辐射至材 料表丽的功率密度较低， 光能量只能被表层吸收，不产生非线性效应或小孔效应。 即光的穿透深度为 1 _ / M = ---'- ln一(1.1) A 10 式中，但一表示光通过的厚度 A一材料对激光的吸收系数 ， 对大多数金属 ， A 为( I O'- IQ')Icm ; !'r一材料表面吸收的光强 /-一光入射至M 处的光强。 由此可见，当光穿透微米数量级后，入射光强 I 已趋于零。因此 ， 材料内部 加执是通过热传导方式进行的。 一旦表面t幅度达到熔占儿， 材料表而熔化， 只 要表面温度不超过沸点，熔化波前向材料内部稳定传播， 其传播速度与激光功率 密度和材料的液相和固相热力学参数有关。 激光i捂烙焊的本质特征为小孔效应. 当高功率密度激光束入射到金属表面 时 ， 材料被迅速加热，由于热传导作用，材料将产生熔化、蒸发.如果材料蒸发 速度足够高，激光束将在金属中打出 个小孔.金属蒸汽产生的压力促使熔融金 属沿着孔璧向上移动 ， 小孔作为一个黑体， 帮助激光束吸收和传热至材料深部。 而在大多数常规焊接和热传导型激光焊接过程中 ， 能量首先积聚在材料表面，然 后通过热传导带到材料内部.这是两种完全不同的焊接机制。 - 8 - 在北欠字栩士字tLn:又 "' - + 帚甸，也4 激光深熔焊过程的几何特征可以这样进行描述z 在高功率激光束照射下，被 焊材料的微小局部被加热、熔化并蒸发，首先形成一个小孔，然后穿透材料.在 冉、" τ缸，扣阳~ 7' 且"+"'01 !*::抽兰在啦陆韭陆青虫 ' 有 占!，>，.同拥叶'斗国陆童眉 目C "ëfr. J4~ 静压力达到平衡.随着激光束或工件移动，熔融金属在稳定小孔后以行进光束或 工件确定的速度向前运动，随之凝固形成焊缝金属. 由于小孔附近的温度梯度很高，使小孔周围的金属熔体产生很大的表面张力 梯度，其相应的金属蒸气反冲压力使小孔前沿产生强烈的环流.图 1-3 示出激光 深熔焊接熔池的流动情况， 熔池内的热传输和液体流动可以显著地影响熔池的几 何形状、温度梯度、局部区域的冷却连率和凝固结构，并可导致熔深的波动、气 孔、烙池不足等缺陷. 图 \-) 深烙焊烙池内液体金属的流动 Fig.I-3 The f10w of liquid-metal in the fused bath of deep penetration we1ding 激光深烙焊过程中，会产生已下几种特殊的效应 1. 焊接净化效应 激光焊接时，焊缝中氧化物等杂质因汽化而大量减少， 称之为净化效应. 2 小孔和等离子体效应 在功率密度高达 106- 10'w/cm' 的激光束照射下， 被焊材料辐照区表面局部迅速熔化、汽化，在汽化膨胀反作用下，在材料内部形 成小孔，小孔内充满金属蒸汽形成的等离子体。这些等离子体具有一定的压力， 在工件表面喷发， 在小孔之上形成一定范围的等离子云。 一般来说，这种等离子 对焊接过程有害.因为激光束通过等离子体时，改变了吸收和聚焦条件，有时甚 至会出现激光束的自焦聚和成丝现象，破坏激光的均匀性.等离子体吸收部分激 光而使有效激光能量减少。因此，激光深溶焊时，必须对等离子体加以抑制，端' - 9 - 革北大学硕士学位论主 第一幸绪论 用的方法是向焊接区吹惰性气体将其驱除. 3. 璧聚焦效应 因入射到小孔侧壁的激光束的入射角较大，使入射激光在 孔洞的侧壁出现光束能量叠加现象，即壁聚焦效应。它有助于维持小孔的存在和 熔深的增加123J 。 影响激光焊接质量的主要因素有:光束质量、功率密度、离焦量(焦斑和工 件表面的距离)、焊接速度、保护气体种类及流量.另外材料的热物理性质等也 有一定影响。 激光束光束质量主要用模式或发散角表示。一般要求采用基模或低阶模的激 光束，否则难以满足焊接质量要求。在功率密度和焊速相同的条件下，模式不同 ， 焊接熔深明显不同。此外，模式对熔宽也有影响，模式越低，熔宽越小. 激光焦斑的功率密度直接影响到是否产生小孔效应，因而它对焊缝形成有决 定性影响。焦斑功率密度与激光功率成正比，另外，还与激光束特性、聚焦系统 的参数有关.而作用于工件的光斑功率密度还取决于离焦量的大小.离焦量的选 择对焊缝成形有很大的影响，离交量选择得当能得到深宽比理想的焊缝.在一定 激光功率下，提高焊接速度，线能量下降，焊深不但不增加 ， 反而会使焊缝变宽. 也就是说，在一定条件下，存在一个维持深烙焊接的最低焊速，此时焊缝深宽比 最大。 保护气体的种类及流量对激光焊接质量的影响主要表现在对等离子体抑制 的效果及防止钦合金在焊接过程中受到污染I2427l a 与其它常见的焊接方法相比，激光焊具有显著的特点.高功率激光束经聚焦 后，焦斑直径很小(可小子 0.5mm)，功率密度(l O'- IO'w/cm')比电弧焊(功率窜度 为如10'_ 10' w/cm')要高出儿个数量级。 激光焊缝深而窄，深宽比可达 2-12 ， 焊 合单位表面所需能量少，热影响区和变形区都很小。激光焊接 般不需要填充金 属，可以得到无污染、杂质少的焊缝。焊接系统具有高的柔性，可以实现多工位 焊接，易于实现自动化。激光器与 CAD/CAM 或机器人联合组成的焊接系统己 进入实用阶段. 电子柬焊 电子柬焊接(Electron Beam Weldi吨，简称 EBW)是以高能密度电 子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法。电子 束焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好。近年来，国外对电子束及其 电子束加工技术的研究主要侧重于以下几个方面 1) 完善超高性能密度电子束 - 10-