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激光焊接金刚石锯片工艺分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2008-01-29  浏览次数:563

  2焊接工艺

  金刚石锯片的激光焊接属于不同厚度的异种材料焊接,影响其焊接质量的因素很多,包括焊前准备、激光光束质量、激光功率、焊接速度、焦点位置、激光束偏移量、激光束的入射角、保护气体流量等,而目前有关这方面的研究应该说是比较成熟的。

  2.1光束质量

  目前国内外激光焊接金刚石锯片所用激光器主要为1000-5000W的C02激光器。其模式多为基模、准基模或者低阶模。评价光束质量通常以光束模式来表征,光束模次越高,发散角越大,光束质量越差。就焊接而言,光束质量主要影响焊缝熔深和形状,在相同条件下,模式不同,则焊接深度明显不同;光束模式对焊缝形状也有影响,高阶模式焊接焊缝较宽且不均匀,这是由于高阶模(TEM00)的光束能量分布不均匀引起的;低阶模(TEM01)焊接,焊缝较细且平直均匀。因此,应采用基模或低阶模,若模次偏高,则难以满足焊接质量的要求。

  2.2功率

  激光功率是影响焊接的最重要因素,一定的功率对应一定的功率密度,决定一定的熔深。产生小孔效应、进行深熔焊接的前提是聚焦激光焦斑有足够高的功率密度。根据激光功率密度的大小,激光焊接有两种方式:(1)热传导焊,(2)深熔穿透焊。功率密度较低时(<106W/cm2),材料表面熔化,焊缝很浅(<0.5mm),焊接时不产生等离子体,这就是热传导焊。功率密度大于106W/cm2,则被焊金属急剧气化,形成匙状深孔,出现等离子体,从而实现激光深穿透焊接,此时熔深急剧增加。随着激光功率的增加,焊缝深度也随之增加,功率大于0.7kW时,焊接方式由热传导焊向深穿透焊过渡。

  2.3焊接速度

  激光深穿透焊时,焊速因小孔效应而受到限制。当激光功率一定时,焊接速度决定了焊接深度,进而影响焊接强度。焊接速度过快,一方面熔深浅,另一方面熔池中的气体来不及逸出,焊缝中就存在大量气孔,有效承载面积减小,焊接强度降低;焊接速度过慢,一方面过渡层烧损严重,另一方面热影响区增大,组织粗化严重,也使焊接强度降低。在保证焊接深度的前提下,应该选择高的焊接速度,以提高生产效率,降低成本。另外,过低的焊速会导致热能输入过大(J=P/V,式中,J一输入热能,P-激光功率,V-焊速),焊缝的组织和性能恶化,甚至会出现宏观裂纹。熔深、缝宽随焊速的增加而减小,当焊速大于15mm/s时,焊缝深宽比大于1,适当提高焊速,可以提高深宽比。

  2.4离焦量

  激光束的焦斑功率密度并不等于作用于工件的光斑功率密度,后者还取决于焦斑平面与件表面的相对位置(离焦量),此位置对激光焊接过程有显著的影响。离焦量严重影响金刚石锯片的焊接熔深。大量的研究结果表明,激光焊接金刚石锯片时,一般采用负离焦,且离焦量约为板厚的1/3,此时获得的熔深最大。由于激光焊接金刚石锯片属于小孔效应焊接机制,而小孔的形成常伴有明显的声、光特征,若未形成小孔,则焊接火苗是橘红色或白色;若形成小孔,则焊接火苗为蓝色,并伴有爆炸声,故常据此确定和调整离焦量。

  2.5惰性保护气体

  激光焊接金刚石锯片时需要使用惰性保护气体,其作用有:避免焊件的氧化;保护聚焦透镜,避免受到金属蒸汽污染和熔化液滴的溅射;吹散激光焊接过程中可能产生的等离子体。有关惰性保护气体涉及保护气体种类选择、流量大小控制、吹气方式3个问题。根据焊接质量和气体成本的要求,一般选用氢气。气体流量大小的控制与喷嘴口径、喷嘴与工件距离有关。气流量太小,起不到保护作用,焊缝氧化严重,呈脆性;气流量太大,一方面周围的空气反而被裹进焊接熔池,焊缝照样氧化严重,另一方面,大的气流量会吹翻焊接熔池,使得焊接过程的稳定性被破坏,焊缝成型性差,焊接强度降低。实际中常采用侧吹氢气的方法来吹散等离子体。

 
 
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