激光电源参数对焊缝成型及表面质量的影响

过去，在激光焊接设备的开发、多种材料激光焊接性研究、激光焊接过程观察测试和激光焊接缺陷分析等方面做了大量工作[1-3]，但就激光电源参数对激光焊接焊缝成型及表面质量的影响少有报导。
 
实验条件和方法
使用JJM-1GXY-400B型数控多功能激光加工机，焊接试样为厚2mm的30mm×120mm2Cr13板材。在扫描速度为200mm/min、离焦量为+2mm、保护方式为45°后吹0.3MPa氮气条件下，实验并分析脉宽、频率、电流、脉冲波形对焊缝成型及表面质量的影响。 实验结果及分析
脉宽对焊缝成型及表面质量的影响
电流180A、频率25Hz条件下的不同脉宽对焊缝成型及表面质量的影响如表1所示。可以看出，脉宽增加，焊缝熔宽、熔深增加，焊缝凹陷也增加。这是主要是因为脉宽增加，单脉冲内激光的作用时间增加，熔池温度升高，熔池扩大；由于激光作用时间长，熔池表面金属熔液汽化、飞溅，使熔池金属减少，产生焊缝凹陷。
 
频率对焊缝成型及表面质量的影响
电流180A、脉宽4.0ms条件下频率对焊缝成型和表面质量的影响如表2所示。可见，在实验的频率范围内，频率越高，单频率的能量越低，熔宽变窄、熔深变浅。同时频率的增加，使能量分布的均匀性增加，焊缝的平整性和光滑度得到明显提高。 电流对焊缝成型及表面质量的影响
根据上述实验结果，脉宽采用4.0ms、频率采用20Hz，进行电流实验，结果如表3所示。电流决定着YAG脉冲激光器的输出能量的大小，电流增大，单脉冲激光能量增大，则使熔深增大，焊缝宽度和焊缝凹陷也相应增加。综合考虑，选用200~250A的电流比较合适。 脉冲波形对焊缝成型及表面质量的影响
频率为20Hz时，脉冲波形及其相应参数对焊缝成型及表面质量的影响如表4所示。实验结果表明，波形对熔宽和熔深影响不大，对焊缝凹陷有较大影响，波形200A×4ms+250A×2ms时焊缝外观较好，电流逐渐增大的波形对金属熔化形成熔池具有缓冲作用，不致于表面瞬间汽化造成金属损失，形成焊缝凹陷。 焊接试件实验
综合考虑以上实验，我们在波形为200A×4ms+250A×2ms，频率为20Hz、扫描速度为200mm/min、离焦量为+2mm、保护方式为45°后吹0.3MPa氮气条件下焊接的5个试件进行抗拉强度试验，结果如表5所示。2Cr13基材强度为666.28MPa。由表5可见，所焊接头的最高强度值是基材强度的99.86%，最低强度值是基材强度的90.7%，已达到使用要求。 应用情况
根据实验结果，我们采用激光电源参数为（200A×4ms+250A×2ms）×20Hz，在扫描线速度为200mm/min、离焦量为+2mm、保护方式为0.3MPa氩气后吹下，已成功焊接厚度2mm的2Cr13不锈钢管状零件，该零件焊缝平整，无氧化色，熔宽1.72mm，熔深<2mm，达到了满意的效果。
 
通过分析激光电源参数对焊缝成型及表面质量影响表明：①脉宽增加，熔宽、熔深增加，焊缝凹陷也增加；频率越高，熔宽、熔深越浅；电流增大，熔深、熔宽和焊缝凹陷也相应增加；电流逐渐增大的波形对金属熔化形成熔池具有缓冲作用，焊缝凹陷较小。②（200A×4ms+250A×2ms）×20Hz的电源参数适合2mm厚的2Cr13不锈钢板材焊接。