激光焊接熔深和离焦量的关系(激光焊接的离焦量指什么)

如何使激光焊接机的焊接效果发挥的更好?

(1)功率密度。 功率密度是加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型焊接中，功率密度在范围在

(2)脉冲波形。 脉冲波形在焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度束射至材料表面，金属表面将会有的能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

(3)脉冲宽度。 脉宽是脉冲焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

(4)离焦量对焊接质量的影响。 焊接通常需要一定的离做文章一，因为焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，加热材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔

熔深的影响

激光焊接体能量及其对焊缝熔深的影响

激光焊接，特别是激光深熔焊接是一个非常复杂的物理化学过程，涉及到激光—材料—等离子体之间的相互作用。但是在激光焊接过程中影响并决定焊缝熔深等焊缝成型状况的是激光功率、焊接速度、离焦量及焦点尺寸等焊接规范参数，其中离焦量（在激光焊接中，一般用离焦量来表征激光光斑及焦点尺寸）是焊缝熔深的重要影响因素之一。

在电弧焊中，人们常采用焊接线能量或热输入(二者的单位均为J·m-1)来描述和评价焊接过程中电弧电压、焊接电流和焊接速度等焊接规范参数对焊缝熔深的影响，但是这两个参数都没有考虑电弧作用面积对焊缝熔深的影响。

如果用电弧焊中的焊接线能量或热输入来综合评价激光焊接过程中焊接规范参数对焊缝熔深的影响，则不能反映离焦量及焦点尺寸对焊缝熔深的影响。若考虑离焦量的影响，用热输入来评价激光焊接过程中焊接规范参数对焊缝熔深的影响，则容易和电弧焊中的热输入在物理意义上混淆。

目前，在激光焊接的研究中，还没有一个参数能够综合体现焊接规范参数对焊接过程的影响。为了综合评价激光焊接过程中焊接规范参数对焊缝熔深的影响以及区别电弧焊中的热输入，本文定义了焊接体能量，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接过程中焊接体能量对焊缝熔深的影响。

1. 焊接体能量的定义

为了能够综合评价激光功率、焊接速度、激光辐照面积（离焦量）以及焦点尺寸等焊接规范参数对焊缝熔深的影响，引入焊接体能量的概念，并将焊接体能量qV的定义为：

（1）

式中：Q——激光功率；

V——焊接速度。

S——为辐照在小孔内的激光束光斑面积，实验用的Nd:YAG激光器经焦距为200mm的透镜输出的激光光斑面积与离焦量关系的拟合关系式为[1]：

式中：?z——离焦量；

R0——激光束焦点半径。

因此，焊接体能量又可以表示为：

从焊接体能量的定义中可以看出，焊接体能量的物理意义为单位时间内的激光功率密度或单位面积内的焊接线能量，其单位为J·m-3，不同于电弧焊中焊接线能量和热输入的物理意义和单位J·m-1。

从焊接体能量的定义可以看出，焊接体能量可由激光功率、焊接速度、及离焦量及激光束焦点半径计算得出。图1为焊接体能量随激光功率、焊接速度和离焦量等焊接规范参数的变化。从焊接体能量的定义及图1中可以看出，焊接体能量与激光功率成正比关系，与焊接速度成反比关系，与焦点尺寸成平方关系，而与离焦量成指数关系。焊接体能量的变化能够体现激光功率、焊接速度、离焦量等焊接规范参数的变化。

2. 焊接体能量对焊缝熔深的影响

2.1 试验条件

实验用的激光器为额定功率为2kW的Nd:YAG固体激光器，输出波长为1.06μm的连续波激光，激光束由内径为0.6mm的光纤传输，经焦距为200mm的透镜聚焦输出激光束焦点半径为0.3mm，工件为250×100×1.8mm的Q235钢板，同轴保护气为Ar气。

(a)激光功率(b)焊接速度

(c)离焦量

图1焊接体能量随焊接规范参数的变化

本文的主要目的在于研究焊接体能量对焊缝熔深的影响，因此为了减少接头形式及其尺寸等因素的影响，实验采用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，并且只测量工件未焊透时的焊缝熔深。

通过激光功率、焊接速度、离焦量的离散变化实现了焊接体能量的变化。实验过程中的焊接规范参数变化如表1所示。

2.2 焊接体能量对焊缝熔深的影响

在焊接体能量的定义（1）式和（3）式中，焊接速度表征了激光束对小孔辐照时间的长短，而Q/S或则表明了辐照在孔内的激光功率密度的大小。因此，辐照在小孔孔内的焊接体能量从激光辐照时间和功率密度两方面影响、决定着小孔深度和焊缝熔深。由于孔底液态金属层的厚度很小[1-3]，其对焊缝熔深的影响很小，因而在激光深熔焊接研究中，人们通常将焊缝熔深视作小孔深度来处理。

表1焊接规范参数的变化

图2为在激光功率、焊接速度及离焦量变化时焊缝熔深随焊接体能量的变化。

(a)激光功率(b)焊接速度

(c)离焦量

图2焊接规范参数变化时焊接体能量对焊缝熔深的影响

焊接体能量与激光功率呈正比，激光功率密度随着激光功率增大而增大，焊接体能量也随之增大。因而在单位时间内将有更多的激光束能量辐照到小孔底部，激光束对孔底的辐照加热作用增强，孔底蒸发的材料越多，焊缝熔深也就越深。如图2a所示。

焊接体能量与焊接速度呈反比关系，随着焊接速度的加快，激光束对小孔的辐照时间越短，辐照在小孔内的焊接体能量就越小，则孔底蒸发的材料就越少，焊缝熔深就越浅。如图2b所示。

焊接体能量与离焦量呈指数关系，且在理论上关于?z=0mm对称（在实际焊接过程中，由于激光束焦点位置的漂移，使焊接体能量并不关于?z=0mm对称，而是向入焦方向偏移了一定距离，本文中试验中激光束焦点位置的偏移为入焦1mm）。在离焦量变化过程中，随着激光束焦点到工件上表面距离的减小，辐照在小孔内的激光光斑就越小，激光功率密度就越大，焊接体能量也就越大，

对孔底材料的轰击也就越强，孔底蒸发的材料也就越多，焊缝熔深也就越深。如图2c所示。

从上面的分析及图2中可知，焊缝熔深随焊接体能量的变化而近似呈线性变化。焊接体能量越大，则单位时间、单位面积内工件材料接受的激光束辐照的能量越多，蒸发的材料也就越多，从而小孔深度和焊缝熔深也就越深。

从焊接体能量的定义及图1、图2中可以看出，焊接体能量综合了激光功率、焊接速度及离焦量等焊接规范参数对焊缝熔深的影响。

此外，从焊接体能量的定义（3）式中还可以看出，焊接体能量与激光束焦点半径成平方关系，能够体现激光束焦点大小对焊缝熔深的影响。激光束焦点尺寸越小，焊接体能量就越大，也就可以获得更深的焊缝熔深。或者说，在一定的焊接体能量下，获得一定深度的焊缝熔深，如果所用激光束焦点越小，则所需要的激光功率也就越小。因此，可采用强聚焦的方法减小激光束焦点尺寸，从而达到增加熔深或减小激光器输出功率的目的，这一点已被国外有关研究成果所证明[4]。

3. 结论

（1）定义激光焊接体能量，其由激光功率、焊接速度及离焦量计算得到。

（2）焊接体能量与激光功率呈正比、焊接速度呈反比、离焦量呈指数关系，激光束焦点尺寸越小，焊接体能量越大。

（3）焊缝熔深随着焊接体能量的增大而近似呈线性增大。焊接体能量能够综合体现焊接规范参数对焊缝熔深的影响。

离焦量对激光焊接机的焊接质量有影响吗

激光焊接通常需要一定的离焦量，激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。

离焦方式有：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上是不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。

当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦。焊接薄材料时，宜用正离焦。

在激光热处理过程中，离焦量对热处理效果产生直接的的影响。当离焦量过大，作用在工件上的功率密度过低达不到处理工件的目的；当离焦量过小，作用在工件上的功率密度过高，容易熔化激光照射点，破坏工件表面。

综上所述，离焦量对激光焊接机的焊接质量是有一定影响的，因此我们在进行焊接的过程中，一定要掌握好离焦量的大小，以免影响激光焊接机的焊接质量。

激光焊接中的主要参数包括哪些，分别是如何影响焊缝成形的

激光焊接中的主要参数包括激光功率、焊接速度和焦点位置。激光功率增大时，熔深增大。焊接速度增大时，熔深及熔宽均下降。当焦点位于工件较深部位时，形成V形焊缝;当焦点在工件以上较高距离(正离焦量大)时，形成“钉头”状焊缝，且熔深减小;而当焦点位于工件表面以下1mm左右时，焊缝截面两侧接近平行。

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