文/蔣明生，戴威，王鐸，童純，陸啟宇·江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室

導 語

將傳統電弧焊與激光焊接進行對比，能夠得出激光焊接的優(yōu)勢。為了得到更好的激光焊縫，本文就激光焊接工藝進行討論，首先將焊縫的深寬比、表面形貌等作為評價指標，然后研究影響這些指標的工藝參數，并針對性地對不銹鋼、鋁板和碳鋼板進行激光焊接測試，得出焊接生產過程中可以使用的、經驗性的結論。

激光焊接是利用能量密度高的激光作為焊接熱源實現板材焊接的一種特殊的生產技術，因其有能量密度高、焊接速度快、環(huán)保、板材變形量小等優(yōu)點，在鈑金制造行業(yè)得到了良好的應用。

激光焊接與傳統電弧焊的比較

電弧焊介紹

傳統電弧焊大致可分為焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護電弧焊、埋弧焊等。焊條電弧焊是在焊件與焊條之間引出電弧，電弧產生的熱量熔化焊件與焊條的接觸部分形成金屬熔池，隨著焊條前進的方向，新的熔池不斷產生，老的熔池不斷冷卻與凝固，最終形成焊縫。焊接過程示意圖如圖1所示。

圖1 焊條電弧焊示意圖

鎢極氬弧焊采用鎢極作為放電電極，但該電極不會被消耗，采用惰性氣體作為保護氣體，依靠電弧產生的熱量來熔化母材與焊材，焊接區(qū)域被保護氣覆蓋，基本不會發(fā)生飛濺。

熔化極氣體保護電弧焊是通過給焊絲通電，在焊絲與母材之間產生電弧，熔化母材與焊絲。

電弧焊目前在焊接領域仍然占主體地位，但隨著市場對于焊接質量、效率的要求越來越高，傳統電弧焊在一些高端鈑金的制造領域遇到了瓶頸，電弧焊的缺點也越來越明顯。傳統的電弧焊要求使用氬氣作為保護氣體，而高純度的氬氣成本較高；電弧焊操作需要有特種作業(yè)操作證的專業(yè)人員來進行，準入門檻較高；氬弧焊會產生高密度的電流，產生熱量較高，不利于熔點較低的金屬板材焊接；焊接效率低，速度較慢；焊接表面較為粗糙，若表面形貌要求較高，則需要增加打磨工序；電弧焊強度有限。

激光焊接的優(yōu)勢

主流的激光焊接可分為自熔焊、擺動焊、填絲焊、振鏡焊及多種焊接方式相結合的復合焊等。相比于傳統的電弧焊，激光焊接技術的優(yōu)點見表1。對于產品附加值較高、產品一致性好、焊縫間隙小、追求效率的高端鈑金制造行業(yè)，激光焊接可作為首選。

表1 激光焊接與電弧焊接特點比較

激光焊接工藝參數

激光焊接焊縫指標

由于客戶需求不同，對鈑金件的焊接效果要求也不同。對于焊縫的要求主要體現在以下幾個指標：表面形貌，熔池寬深比，是否有氣孔、裂紋、雜質、咬邊等缺陷。

表面形貌是焊材與母材結合或者母材與母材結合之后焊縫表面的形狀樣貌，或者凹陷、或者平整、或者上凸，可通過調節(jié)焊接功率、離焦量、拼接方式等來實現不同的焊接形貌。

熔池寬深比，是指焊縫熔池深度與寬度的比值。若客戶對于焊接產品有強度要求，需要將焊接產品通過線切割→鑲嵌→磨拋→腐蝕→顯微鏡金相分析這一系列步驟，根據焊縫的深寬比值反映焊接強度，更多的是硬度方面的體現，也可通過拉伸強度測試反饋焊接的拉伸強度指標。熔深比金相分析如圖2所示。

圖2 熔深比金相分析

在特定的工作環(huán)境中，焊接件存在氣孔、裂紋、雜質、咬邊等缺陷，很可能會引發(fā)嚴重的安全事故，如有的產品對氣密性、是否漏水等有嚴格要求。正常焊縫、存在缺陷焊縫示意圖如圖3所示。

圖3 焊縫示意圖

激光焊接影響因素

直接影響激光焊接的因素有焊接溫度、焊接材料的熔點、焊接材料對激光的吸收率、熱影響等。對應到焊接工藝，可從材料性能、激光功率、焊接速度、焦點位置、保護氣體、焊縫間隙等方面來考慮。

焊接材料對激光的吸收率影響焊接效果，就一般材料而言，鋁和銅對于焊接激光的吸收率較高，而碳鋼和不銹鋼較低。對于吸收率高的焊接材料往往需要花費更多的能量來使之熔化并形成穩(wěn)定的熔池與焊縫。

激光功率是激光焊接的能量來源，對焊接效果有決定性的影響，激光功率的大小也影響著焊接的速度。激光功率不是越大越好，在達到一定的激光功率后，對應的焊接熔深也會達到一個閾值，超過這個閾值，熔池會更不穩(wěn)定，反而使得熔池深度降低。所以選擇合適的激光功率值變得尤為關鍵。

焊接速度與熔深呈負相關，速度越快，焊接材料上輸入的能量就會越低，反之則會越高。過快的速度不能使焊接材料獲得足夠的能量而形成理想的焊縫，過低的速度會導致過熔現象，尤其是對熱量敏感的鋁。

焦點位置直接影響焊縫的熔深與熔寬，激光焦點正好位于焊接材料表面稱為零焦,位于焊接材料之上或者之下均為偏焦。零焦光斑最小，同時光斑能量密度最高；偏焦焊接功率密度降低但光斑變大，適合焊接范圍大的工件。

保護氣體對焊接的影響不僅體現在吹氣種類上，也體現在不同的吹氣方式上。吹氣的作用不僅是防止焊接過程中工件表面不被氧化，還是抑制激光焊接過程中產生的等離子云。保護氣會直接影響表面的形貌與色澤，對這兩點有要求的焊接產品一定要注意保護氣體的重要性。

待焊工件焊縫的間隙與焊接的熔深、熔寬、焊縫形貌有直接的關系。若焊縫間隙過大、光斑較小則無法將焊縫熔化結合，熔合困難；同時激光外露，很可能損壞工裝或工件。若間隙過大且在一定范圍內，可通過增大光斑、增加擺動等方式來改善，但改善效果有限。

焊接試驗分析

焊接試驗采用安川機器人GP25、PRIMA激光器、OSPRI焊接頭（芯徑100μm、焦距300mm）、萬順興送絲機，分別對1.5mm的Q235碳鋼板、SS304不銹鋼、3系鋁合金板進行焊接效果測試。根據經驗，在測試工藝過程中，可提供一個參考：1mm的薄板可從1kW的功率、30mm/s的焊接速度開始試焊接，參考功率可為P=A·X，其中A是常數系數（A≥0），X是板厚。在焊接速度、材質、氣體等其他焊接條件不變的情況下，系數A的大小隨著板厚的增加而逐漸減小，同時系數A也受焊接方式的影響。

碳鋼板焊接工藝分析

厚度為1.5mm的Q235碳鋼板的擺動焊接工藝參數見表2。

表2 Q235碳鋼板擺動焊接工藝參數

從上述試驗數據可以看出，在擺動焊接碳鋼板的過程中，隨著焊接速度的增加、激光功率也要適當增加，在保證擺動范圍不變的情況下，需要增加擺動速度，來保證焊接效果。若是擺動速度過小會出現焊縫不均勻的情況。

一般來說，碳鋼自熔焊所需能量小于碳鋼自熔擺動焊所需能量，碳鋼自熔擺動焊所需能量小于碳鋼擺動填絲焊所需能量，在其他因素不變的情況下，能量主要由功率和速度來控制。相同的焊接效果，功率高了，速度要快；功率低了，速度要慢。理想狀態(tài)下，為了兼顧焊接質量與效率，要盡可能提高焊接速度，但速度太快焊接頭會抖動，還會受激光功率與材料性能的限制。因此，一般會在功率與速度之間尋求平衡。

鋁板焊接工藝分析

試驗選用的光纖芯徑為100μm，如果要焊接鋁、銅等高反、吸熱性強的材料，需要更高的功率密度來使鋁熔化。此時，需選擇零焦焊接金屬，在焊縫較小的情況下，它可以使激光在功率最小的情況下形成最大的功率密度，熔化金屬，形成熔池，這就是需要找零焦的原因之一。不同材質焊接工藝參數見表3。

表3 不同材質焊接工藝參數對比

從上述試驗數據可以看出，相同厚度的板材，在其他參數幾乎不變的情況下，3系鋁合金要比Q235碳鋼需要更慢的焊接速度來達到理想的焊接效果，本質上需要更多的熱量。

不銹鋼吹白工藝分析

厚度為1.5mm的不銹鋼焊接焊縫吹白工藝參數對比見表4，焊接效果如圖4所示，3條焊縫（從左到右）焊接參數分別對應表4中的序號1、2、3。

圖4 焊接效果對比

表4 不銹鋼焊接焊縫吹白工藝參數對比

要想不銹鋼吹白，是需要激光熔化金屬之后能夠在保護氣體的氛圍下快速冷卻結晶。如果功率過高，在金屬板材上就會積累很多熱量，冷卻速度就會較慢，容易氧化變色；功率過低，無法熔透；如果速度過快，加上吹氣工裝可能不夠大，吹氣效果就會不好；如果速度過慢，熱積累過多?？偟膩碚f，要吹白，就要平衡好功率、速度和吹氣這幾個方面，如果實在無法一次性吹白，可以先在功率略高的條件下焊一道，然后降低功率再焊一道。

結束語

激光焊接過程中，為保證焊接質量，可從材料性能、激光功率、焊接速度、焦點位置、保護氣體、焊縫間隙等方面綜合考慮。對于主流的碳鋼、不銹鋼、鋁板可以選擇上述提到的起始試驗參數，然后根據材料特性、客戶要求等調節(jié)各方面參數，從而使焊縫達到理想的效果。