脉冲激光焊接工艺

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概述1、激光焊接是一种新兴的焊接工艺，它 相对各种传统焊接最大的优势就是热影响 范围小，变形小，焊缝精美。 2、脉冲激光焊接一般用于点焊和中小功 率的缝焊，焊接厚度一般不大于1mm。

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在脉冲激光焊中用到的一些名词1、注入电功率：由激光电源提供给氙灯的电功 率。其值P=23.7×I3/2。 2、激光平均功率：实际输出的激光功率，大约 等于注入电功率的2-3%。我们的机器上是几十 到几百瓦。 3、激光峰值功率：激光在实际出光时的瞬间功 率。由于我们是使用脉冲激光，激光峰值功率等 于平均功率除以占空比。在我们的机器上一般是 几个千瓦的数量级。

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激光波形解释脉宽=5ms 频率=1000/20=50Hz 峰值功率=1KW 平均功率=1×5÷20=250W 1

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在脉冲激光焊中用到的一些名词

激光功率密度：单位面积内的激光功率。等于激 光峰值功率除以光斑面积。用于焊接一般是 104W/cm2 ~105W/cm2级别。

激光脉冲能量：指单个脉冲所输出的能量。由储 能电容容量、电压和氙灯决定。这是一个重要的 指标，在点焊的时候，单点能量的稳定性对焊接 的质量影响很大。

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在脉冲激光焊中用到的一些名词脉冲宽度：单个脉冲的时间。

脉冲频率：每秒钟内激光脉冲重复的次数。

点距：相邻两个焊点间的距离。点距越小，焊接 会越慢。等于焊接速度除以脉冲频率，画图时注 意穿透焊和对接焊两种。

焊接速度：等于频率乘以点距。

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表面对接焊点距说明

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穿透焊点距说明

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以下参数会对脉冲激光焊接造成影响一、吸收率的影响 二、功率密度的影响 三、波形的影响 四、脉宽的影响 五、离焦量的影响 六、聚焦透镜焦距的影响

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吸收率的影响1、波长越短，吸收率越高； 2、一般导电性好的材料，反射率都很高； 对YAG激光来说，银的反射率是96%,铝是 92%,铜90%,铂89%,而铁只有60%。 92 90 89 60 3、温度越高，吸收率越高，呈线性关系。 4、表面涂层的影响，一般涂磷酸盐、碳黑、 石墨等以提高吸收率。

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功率密度的影响1、功率密度直接影响表面材料的温升时间， 功率密度越大，温度升得越快。拿不锈钢来 说，当注入功率密度在3.5×104W/cm2的时 候，材料表面会在1ms内被加热到熔点1500 度，而注入功率在6.3×104W/cm2时，材料 表面会在1ms内被加热到沸点2700度。根据 这个资料，我们可以算出来对应WF200, SI600的光纤，100对100的镜头，使不锈 钢表面在1ms内升温到1500度约为20A,升 到2700度约为29A。

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功率密度的影响2、当注入功率引起的材料温度上升速度小于散 热的速度时，材料温度下降。 3、几种常用材料在1ms内升温到各温度点对应 的

功率密度：金属 铜 铝 铁 锌 钛 不锈钢 熔点 1083 660 1539 491 1800 1500Ic1(W/cm2)

沸点 2300 2062 2700 906 3200 2700

Ic2(W/cm2)

110000 41000 87000 25000 30000 35000

234000 130000 150000 45000 53000 63000

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波形的影响由于材料在固态和液态下对激光体现出不同 的吸收率，在固态下反射率较高，而液态下 较低，这意味着如果不改变能量注入的波形， 则随着物质表面状态的变化，吸收的能量变 多，出现气化。100% 80% 60% 40% 20%

气化

温度太低0% 0 2 4 6 8 10 12

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波形的影响一般的，如果不考虑反射率的变化，要维持材 料的表面温度不变，则注入能量随时间的变化 大概如下图所示：

100% 80% 60% 40% 20% 0% 0 2 4 6 8 10 12

考虑反射率

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波形的影响上面的波形都是针对点 焊来说的，而缝焊时一 般采用一个方波即可。 如右图所示：100% 80% 60% 40% 20% 0% 0 0.5 1 1.5 2 2.5

对于一些容易裂纹的材 料，则需要在波形上加 一段预热和一段缓冷的 时间，如右图所示：

100% 80% 60% 40%

预热20% 0% 0 0.5 1 1.5 2 2.5

缓冷3 3.5 4 4.5

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脉宽的影响1、设注入功率为I0时，需要时间t0后表面温度达 到T,熔深为h0,功率为I1时需要时间为t1,熔深 为h1,则有: I0 /I1=(t1 / t0)1/2 h1 /h0=(t1 / t0)1/2 2、达到同样的熔深，有两种方式：增加功率密 度和增加脉宽，增加功率密度可以让输入能量降 低，增加脉宽可以让焊接更加稳定。 3、如热影响范围有要求，则脉宽不能太大。 4、脉宽增大到一定程度后，熔深不会再增加。

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离焦量的影响1、激光焦点并不等于聚焦镜的焦点。 2、离焦量=聚焦镜和工件间的距离-焦 距，为负值时就是负离焦，为正值就是正 离焦。 3、离焦量相同时，负离焦可以获得更大 的熔深，正离焦会得到更好的表面效果。 4、离焦量为0时，焊接对高度最不敏感。 5、采用何种离焦方式，要视具体情况而 定。

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聚焦镜焦距的影响从D=fθ,得知聚焦镜焦距越小，焦点光 斑直径越小，穿透力越强，对高度也越敏 感。

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连续穿透焊的一般工艺控制单点焊接时如果背面可以看到轻微变色的痕迹，那 么在连续焊接的时候可以做到比较好的穿透焊接； 如果背面看到明显的痕迹，甚至可以感觉到已经穿 透，那么，在连续焊接的时候会飞溅，甚至出现一 条深坑，单面焊接双面成形。 具体的要根据实际样品调整焦距和能量大小以及波 形 越薄(小于0.1mm)的材料，所需要的光斑越小， 脉宽尽量小，否则就会出现焊穿的情况。

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焊接工艺波形具体考虑因素激光焊接针对不同的材料设定波形时从工艺上主要 综合考虑材料的以下特性： 材料对激光的吸收率：一般黑色金属(如钢、钛) 对激光的吸收率较高，而有色金属(

如铝、铜、金) 对激光的反射较强，吸收率较低。具体各种材料对 1064nm激光的吸收率可通过查阅材料的光谱来获 得；吸收率较高的材料焊接波形的峰值(电流百分 比)一般较小，吸收率较低的材料反之； 材料的熔点：熔点高的材料(如钨)所需要的能量 较大，熔点低的材料(如钛、锡)反之； 材料的沸点：沸点低的材料(如锡)如果注入的峰 值(电流百分比)能量较大，材料会较易气化损失 达不到焊接强度，一般多采用小电流焊接；沸点较 大的材料反之；

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材料的导热率：导热率较高的材料(铜、锡、锌) 需要注入的瞬间能量或者持续功率较大，所以多采 用峰值能量较大窄脉宽的波形，或者峰值能量小， 且大频率的波形焊接；导热率低的材料反之； 材料的冷却凝固特性：如果材料在冷却凝固时容易 形成裂纹，需要增加冷却保温段，通常通过减小电 流拉长脉冲宽度来实现； 以锡为例： 锡的熔点低、沸点低、导热性较好、吸收率好，所 以要求的峰值不高，焊接频率较大，不需要保温故 脉宽不需要很长。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j1wj.html