激光焊接體能量及其對焊縫熔深的影響
摘 要：定義焊接體能量用來綜合評價激光焊接過程中激光功率瓶殃、焊接速度标炭、離焦量及焦點尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對激光焊接過程的影響锻刺，焊接體能量與激光功率呈正比等跳、焊接速度呈反比查奉、與離焦量呈指數(shù)關系。研究結果表明萌狂，隨著焊接體能量的增大档玻，焊縫熔深近似呈線性增大。
關鍵詞：激光焊接 焊接體能量 焊縫熔深
0 前言
激光焊接茫藏，特別是激光深熔焊接是一個非常復雜的物理化學過程误趴，涉及到激光—材料—等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過程中影響并決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率务傲、焊接速度凉当、離焦量及焦點尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)，其中離焦量（在激光焊接中售葡，一般用離焦量來表征激光光斑及焦點尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一看杭。
在電弧焊中，人們常采用焊接線能量或熱輸入(二者的單位均為J·m-1)來描述和評價焊接過程中電弧電壓挟伙、焊接電流和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響楼雹，但是這兩個參數(shù)都沒有考慮電弧作用面積對焊縫熔深的影響。
如果用電弧焊中的焊接線能量或熱輸入來綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響像寒，則不能反映離焦量及焦點尺寸對焊縫熔深的影響烘豹。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響会贝，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆苞誊。
目前，在激光焊接的研究中跺鬼，還沒有一個參數(shù)能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對焊接過程的影響盘贤。為了綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響以及區(qū)別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量墩沸，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接過程中焊接體能量對焊縫熔深的影響蚣枝。
1 焊接體能量的定義
為了能夠綜合評價激光功率响攘、焊接速度、激光輻照面積（離焦量）以及焦點尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響歼呼，引入焊接體能量的概念千有，并將焊接體能量qV的定義為： 式中：Q——激光功率；
V——焊接速度犁捕。
S——為輻照在小孔內的激光束光斑面積胶向，實驗用的Nd:YAG激光器經(jīng)焦距為200 mm的透鏡輸出的激光光斑面積與離焦量關系的擬合關系式為[1]： 式中：?z——離焦量；
R0——激光束焦點半徑萤遥。
因此裕坊，焊接體能量又可以表示為： 從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時間內的激光功率密度或單位面積內的焊接線能量燕酷，其單位為J·m-3籍凝，不同于電弧焊中焊接線能量和熱輸入的物理意義和單位J·m-1。
從焊接體能量的定義可以看出苗缩，焊接體能量可由激光功率饵蒂、焊接速度、及離焦量及激光束焦點半徑計算得出挤渐。圖1為焊接體能量隨激光功率苹享、焊接速度和離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化双絮。從焊接體能量的定義及圖1中可以看出浴麻，焊接體能量與激光功率成正比關系，與焊接速度成反比關系囤攀，與焦點尺寸成平方關系软免，而與離焦量成指數(shù)關系。焊接體能量的變化能夠體現(xiàn)激光功率焚挠、焊接速度膏萧、離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。
2 焊接體能量對焊縫熔深的影響
2.1 試驗條件
實驗用的激光器為額定功率為2 kW的Nd:YAG固體激光器挖毅，輸出波長為1.06 μm的連續(xù)波激光尤稍，激光束由內徑為0.6 mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200 mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點半徑為0.3 mm倡搞，工件為250×100×1.8 mm 的Q235鋼板弓匪，同軸保護氣為Ar氣。
通過激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實現(xiàn)了焊接體能量的變化拥耍。實驗過程中的焊接規(guī)范參數(shù)變化如表1所示显艘。
2.2 焊接體能量對焊縫熔深的影響
在焊接體能量的定義（1）式和（3）式中，焊接速度表征了激光束對小孔輻照時間的長短审拉，而Q/S或則表明了輻照在孔內的激光功率密度的大小吩屹。因此，輻照在小孔孔內的焊接體能量從激光輻照時間和功率密度兩方面影響拧抖、決定著小孔深度和焊縫熔深煤搜。由于孔底液態(tài)金屬層的厚度很小[1-3]，其對焊縫熔深的影響很小唧席，因而在激光深熔焊接研究中擦盾，人們通常將焊縫熔深視作小孔深度來處理。
焊接體能量與焊接速度呈反比關系谋作，隨著焊接速度的加快，激光束對小孔的輻照時間越短帮色，輻照在小孔內的焊接體能量就越小缩棉，則孔底蒸發(fā)的材料就越少，焊縫熔深就越淺瑟哺。如圖2b所示颂梆。
焊接體能量與離焦量呈指數(shù)關系，且在理論上關于?z＝0 mm對稱（在實際焊接過程中弹梁，由于激光束焦點位置的漂移览雁，使焊接體能量并不關于?z＝0 mm對稱，而是向入焦方向偏移了一定距離畴文，本文中試驗中激光束焦點位置的偏移為入焦1mm）碉晾。在離焦量變化過程中，隨著激光束焦點到工件上表面距離的減小删猿，輻照在小孔內的激光光斑就越小陋窗，激光功率密度就越大嘱悄，焊接體能量也就越大，
對孔底材料的轟擊也就越強实愚，孔底蒸發(fā)的材料也就越多兼呵，焊縫熔深也就越深。如圖2c所示腊敲。
從上面的分析及圖2中可知击喂，焊縫熔深隨焊接體能量的變化而近似呈線性變化。焊接體能量越大碰辅，則單位時間懂昂、單位面積內工件材料接受的激光束輻照的能量越多，蒸發(fā)的材料也就越多没宾，從而小孔深度和焊縫熔深也就越深凌彬。
從焊接體能量的定義及圖1、圖2中可以看出循衰，焊接體能量綜合了激光功率铲敛、焊接速度及離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響。
此外会钝，從焊接體能量的定義（3）式中還可以看出伐蒋，焊接體能量與激光束焦點半徑成平方關系，能夠體現(xiàn)激光束焦點大小對焊縫熔深的影響狞吏。激光束焦點尺寸越小曲苛，焊接體能量就越大，也就可以獲得更深的焊縫熔深圈蛹∷嗟螅或者說，在一定的焊接體能量下奇茫，獲得一定深度的焊縫熔深，如果所用激光束焦點越小烫王，則所需要的激光功率也就越小上绅。因此，可采用強聚焦的方法減小激光束焦點尺寸靠鸦，從而達到增加熔深或減小激光器輸出功率的目的岛宵，這一點已被國外有關研究成果所證明[4]。
3 結 論
（1）定義激光焊接體能量苔巍，其由激光功率滚吱、焊接速度及離焦量計算得到。
（2）焊接體能量與激光功率呈正比避归、焊接速度呈反比荣月、離焦量呈指數(shù)關系管呵，激光束焦點尺寸越小，焊接體能量越大哺窄。
（3）焊縫熔深隨著焊接體能量的增大而近似呈線性增大捐下。焊接體能量能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響。
參考文獻
1 秦國梁. Nd:YAG激光薄鋼板深熔焊接小孔特征及同軸視覺傳感. 哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文[D]. 2004: 18~24
2 M.V.Allmen. Laser-Beam Interaction with Materials [M]. Springer - Verlag Berlin Heidelberg New York. 1987
3 V.Semark and A.Matsunawa. The Role of Recoil Pressure in Energy Balance during Laser Material Processing [J]. J. Phys. D: Appl. Phys.. 1997, 30: 2541~2552
4 F.Dausinger and A.Ru?. Benefits of Strong Focus Ability for Laser Welding [C]. 北京：
關鍵詞：激光焊接 焊接體能量 焊縫熔深
0 前言
激光焊接茫藏，特別是激光深熔焊接是一個非常復雜的物理化學過程误趴，涉及到激光—材料—等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過程中影響并決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率务傲、焊接速度凉当、離焦量及焦點尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)，其中離焦量（在激光焊接中售葡，一般用離焦量來表征激光光斑及焦點尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一看杭。
在電弧焊中，人們常采用焊接線能量或熱輸入(二者的單位均為J·m-1)來描述和評價焊接過程中電弧電壓挟伙、焊接電流和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響楼雹，但是這兩個參數(shù)都沒有考慮電弧作用面積對焊縫熔深的影響。
如果用電弧焊中的焊接線能量或熱輸入來綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響像寒，則不能反映離焦量及焦點尺寸對焊縫熔深的影響烘豹。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響会贝，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆苞誊。
目前，在激光焊接的研究中跺鬼，還沒有一個參數(shù)能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對焊接過程的影響盘贤。為了綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響以及區(qū)別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量墩沸，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接過程中焊接體能量對焊縫熔深的影響蚣枝。
1 焊接體能量的定義
為了能夠綜合評價激光功率响攘、焊接速度、激光輻照面積（離焦量）以及焦點尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響歼呼，引入焊接體能量的概念千有，并將焊接體能量qV的定義為： 式中：Q——激光功率；
V——焊接速度犁捕。
S——為輻照在小孔內的激光束光斑面積胶向，實驗用的Nd:YAG激光器經(jīng)焦距為200 mm的透鏡輸出的激光光斑面積與離焦量關系的擬合關系式為[1]： 式中：?z——離焦量；
R0——激光束焦點半徑萤遥。
因此裕坊，焊接體能量又可以表示為： 從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時間內的激光功率密度或單位面積內的焊接線能量燕酷，其單位為J·m-3籍凝，不同于電弧焊中焊接線能量和熱輸入的物理意義和單位J·m-1。
從焊接體能量的定義可以看出苗缩，焊接體能量可由激光功率饵蒂、焊接速度、及離焦量及激光束焦點半徑計算得出挤渐。圖1為焊接體能量隨激光功率苹享、焊接速度和離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化双絮。從焊接體能量的定義及圖1中可以看出浴麻，焊接體能量與激光功率成正比關系，與焊接速度成反比關系囤攀，與焦點尺寸成平方關系软免，而與離焦量成指數(shù)關系。焊接體能量的變化能夠體現(xiàn)激光功率焚挠、焊接速度膏萧、離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。
2 焊接體能量對焊縫熔深的影響
2.1 試驗條件
實驗用的激光器為額定功率為2 kW的Nd:YAG固體激光器挖毅，輸出波長為1.06 μm的連續(xù)波激光尤稍，激光束由內徑為0.6 mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200 mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點半徑為0.3 mm倡搞，工件為250×100×1.8 mm 的Q235鋼板弓匪，同軸保護氣為Ar氣。
(a) 激光功率 (b) 焊接速度
(c) 離焦量
圖1 焊接體能量隨焊接規(guī)范參數(shù)的變化
通過激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實現(xiàn)了焊接體能量的變化拥耍。實驗過程中的焊接規(guī)范參數(shù)變化如表1所示显艘。
2.2 焊接體能量對焊縫熔深的影響
在焊接體能量的定義（1）式和（3）式中，焊接速度表征了激光束對小孔輻照時間的長短审拉，而Q/S或則表明了輻照在孔內的激光功率密度的大小吩屹。因此，輻照在小孔孔內的焊接體能量從激光輻照時間和功率密度兩方面影響拧抖、決定著小孔深度和焊縫熔深煤搜。由于孔底液態(tài)金屬層的厚度很小[1-3]，其對焊縫熔深的影響很小唧席，因而在激光深熔焊接研究中擦盾，人們通常將焊縫熔深視作小孔深度來處理。
表1 焊接規(guī)范參數(shù)的變化
(a) 激光功率 (b) 焊接速度
(c) 離焦量
圖2 焊接規(guī)范參數(shù)變化時焊接體能量對焊縫熔深的影響
焊接體能量與焊接速度呈反比關系谋作，隨著焊接速度的加快，激光束對小孔的輻照時間越短帮色，輻照在小孔內的焊接體能量就越小缩棉，則孔底蒸發(fā)的材料就越少，焊縫熔深就越淺瑟哺。如圖2b所示颂梆。
焊接體能量與離焦量呈指數(shù)關系，且在理論上關于?z＝0 mm對稱（在實際焊接過程中弹梁，由于激光束焦點位置的漂移览雁，使焊接體能量并不關于?z＝0 mm對稱，而是向入焦方向偏移了一定距離畴文，本文中試驗中激光束焦點位置的偏移為入焦1mm）碉晾。在離焦量變化過程中，隨著激光束焦點到工件上表面距離的減小删猿，輻照在小孔內的激光光斑就越小陋窗，激光功率密度就越大嘱悄，焊接體能量也就越大，
對孔底材料的轟擊也就越強实愚，孔底蒸發(fā)的材料也就越多兼呵，焊縫熔深也就越深。如圖2c所示腊敲。
從上面的分析及圖2中可知击喂，焊縫熔深隨焊接體能量的變化而近似呈線性變化。焊接體能量越大碰辅，則單位時間懂昂、單位面積內工件材料接受的激光束輻照的能量越多，蒸發(fā)的材料也就越多没宾，從而小孔深度和焊縫熔深也就越深凌彬。
從焊接體能量的定義及圖1、圖2中可以看出循衰，焊接體能量綜合了激光功率铲敛、焊接速度及離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響。
此外会钝，從焊接體能量的定義（3）式中還可以看出伐蒋，焊接體能量與激光束焦點半徑成平方關系，能夠體現(xiàn)激光束焦點大小對焊縫熔深的影響狞吏。激光束焦點尺寸越小曲苛，焊接體能量就越大，也就可以獲得更深的焊縫熔深圈蛹∷嗟螅或者說，在一定的焊接體能量下奇茫，獲得一定深度的焊縫熔深，如果所用激光束焦點越小烫王，則所需要的激光功率也就越小上绅。因此，可采用強聚焦的方法減小激光束焦點尺寸靠鸦，從而達到增加熔深或減小激光器輸出功率的目的岛宵，這一點已被國外有關研究成果所證明[4]。
3 結 論
（1）定義激光焊接體能量苔巍，其由激光功率滚吱、焊接速度及離焦量計算得到。
（2）焊接體能量與激光功率呈正比避归、焊接速度呈反比荣月、離焦量呈指數(shù)關系管呵，激光束焦點尺寸越小，焊接體能量越大哺窄。
（3）焊縫熔深隨著焊接體能量的增大而近似呈線性增大捐下。焊接體能量能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響。
參考文獻
1 秦國梁. Nd:YAG激光薄鋼板深熔焊接小孔特征及同軸視覺傳感. 哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文[D]. 2004: 18~24
2 M.V.Allmen. Laser-Beam Interaction with Materials [M]. Springer - Verlag Berlin Heidelberg New York. 1987
3 V.Semark and A.Matsunawa. The Role of Recoil Pressure in Energy Balance during Laser Material Processing [J]. J. Phys. D: Appl. Phys.. 1997, 30: 2541~2552
4 F.Dausinger and A.Ru?. Benefits of Strong Focus Ability for Laser Welding [C]. 北京：
聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)萌业，轉載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡分享坷襟，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責，也不構成任何其他建議生年。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布婴程、編輯整理上傳，對此類作品本站僅提供交流平臺抱婉，不為其版權負責排抬。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片授段、文字如涉及作品版權問題蹲蒲，請第一時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權并按國家標準支付稿酬或立即刪除內容悄函，以保證您的權益牲羊！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。
網(wǎng)友評論
匿名:
最新反饋
注冊獲取更多行業(yè)信息
- 暫無反饋
無須注冊，輕松溝通