[激光原理与应用-51]：《激光焊接质量实时监测系统研究》-2-激光焊接及其物理现象

Posted 2022-12-16 文火冰糖的硅基工坊

目录

2.1 激光焊接过程概述

2.1.1 激光焊接的特点

2.1.2 焊接质量的影响因素

2.1.3 激光焊接热源模型

2.1.4 激光焊接技术的发展前景与面临的挑战

2.2 激光焊接中的小孔效应及光致等离子体

2.2.1 激光焊接中的小孔效应

2.2.2 等离子体的产生

2.2.2.1 等离子体形成机理

2.2.2.2 等离子体和焊接过程的相互作用

2.2.2.3 激光等离子体的分类

2.2.2.4 利用谱线相对辐射强度计算光致等离子体温度

2.2.2.5 利用谱线相对强度法计算等离子体电子密度

2.2.2.6 等离子体控制方法

2.2.3 等离子体特征信号及其检测

2.2.3.1 等离子体光辐射

2.2.3.2 等离子体声波信号

2.3 熔池及其光辐射

2.3.1 熔池形成

2.3.2 温度辐射定律

2.3.3 维恩位移定律

备注：

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2.1 激光焊接过程概述

激 光 焊 接 是 一 种 新 型 的 特 殊 焊 接 方 法 ， 它 所 需 要 的 功 率 密 度 达10^5 ~ 10^7W/cm。

激光焊接的应用始于 1964 年，七十年代以来，随着大功率激光器的出现，激光深熔焊得到了迅速的发展。激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到 50毫米mm，目前在世界各国激光加工的应用领域中，激光焊接的应用仅次于激光切割的应用，约占 20.9％。

激光焊接可以不需要填料和焊剂，既可焊接一般的金属材料、非金属材料，又可焊接难熔或极易氧化的金属，还能方便地在不同金属之间，以及金属与非金属材料之间进行焊接。对金属箔、板、丝、玻璃和硬质合金等材料的焊接部很出色。能够得到没有气孔且具有相当韧性的焊缝，其平均抗拉强度等于或高于母材。

由于激光束的能量密度很高。适合于进行深熔穿透焊接。普通电弧焊的深宽比约为 1：1，而激光深熔穿透焊的深宽比一般为 5：1，最高可达 10：l 以上。

激光束可以在恶劣的特殊环境中，例如在高温、高压、深冷、剧毒、水下及放射性等环境中进行远距离焊接，也可以通过透明材料，对诸如电子管、显像管等封闭器件的内部进行遥控焊接 [12] 。

常用焊接激光种类与特征示于表 2.1。

2.1.1 激光焊接的特点

激光焊接是利用高功率密度的激光束使材料瞬时加热到气化温度而实现的熔化—凝固过程。

由于激光束的发散角很小，光束能够聚焦成很小尺寸的光斑，功率密度通常达到10^6 / W cm ，可对常规方法难以加工的高熔点、高硬度和脆性材料进行焊接。与传统的焊接方法相比，激光焊接具有许多突出的优点 [13] ：

• 1) 能量密度高，激光焊接的能量密度高达10^6 / W cm ，而电弧焊仅为10^3~10^4，这对高熔点、高导热率或热物理特性相差较大的异种金属焊接特别有利，显然，激光焊可以获得比电弧焊更高的焊接速度；
• 2) 光束斑点小，定位精度高，适合于精密、高速焊接；
• 3) 热影响区极小，激光焊的结晶速度比一般熔焊快 10—100 倍，加热和冷却速度快，因此热影响区极小；
• 4) 焊缝质量高，不易产生收缩、变形、脆化及热裂等热副作用，激光焊接具有熔池净化效应，能净化焊缝金属，焊缝机械性能相当于或优于母材；
• 5) 激光易传送，通过光束导向联结反射镜或光导纤维可以对任意位置进行加工；
• 6) 光束可控性好，易于实现微机控制。

与激光焊接的应用和发展相适应，新型激光器的研制(包括激光逆变电源)、大功率激光焊接中的基本现象研究、高速激光焊接过程的精密控制，已成为当今国内外激光焊接界十分重视的课题。人们相信，21 世纪焊接技术的发展将进入包括激光束、电子束在内的高能束焊接时代。

2.1.2 焊接质量的影响因素

•  激光照射条件
• 光束焦点的相对位置
• 保护气的种类以及参数
• 熔深与激光功率的关系
• 熔深与焊接速度的关系
• 熔深与焦距的关系
• 熔深与保护气体流量的关系

 

 备注：

很显然，激光器的功率越大，达到相同融深的时间越短，焊接的效率越高。

 

2.1.3 激光焊接热源模型

2.1.4 激光焊接技术的发展前景与面临的挑战

目前，在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士和美国等国。横流连续 CO 2 激光加工设备的输出功率可达 20kW ，脉冲Nd ： YAG 激光器的最大平均输出功率也已达到 4kW ，并且实现了纳秒级的脉冲宽度。

激光焊接能够实现的材料厚度最大已达 80mm ，最小为 0.05mm ，大部分材料的激光焊接质量均超过传统焊接工艺。激光焊接技术正朝着低成本、高质量的方向发展，具有很大的发展潜力和发展前景。可以预料，激光焊接工艺将逐步占据焊接领域的主要位置，并取代一些传统落后的焊接方法。

激光焊接技术在迅猛发展的同时，也面临着一些新的课题，其中包括：

• 功率：高功率低模式激光器的开发及在焊接中的应用；
• 时间：纳秒级、短脉冲、高峰值功率激光焊接过程中激光与材料的作用机制；
• 材料：超薄板材激光焊接工艺的优化与接头性能的检测；
• 控制：激光焊接时声、光、电信号的反馈控制；
• 质量：激光焊接过程中等离子体的产生对焊接质量的影响等等。

激光焊接技术面临的这些新的挑战，有待于从事激光焊接的研究人员进行深入的探讨，

同时，这些新问题的提出也预示着激光焊接技术正向着更加深化的方向发展。

2.2 激光焊接中的小孔效应及光致等离子体

等离子体能够吸收激光，阻碍激光的进一步融合金属，属于反馈。

2.2.1 激光焊接中的小孔效应

低功率激光焊接时，材料对激光的吸收仍然是一种表面行为 ，这一阶段焊接深度的增长没有一个明显的突变过程。

随着激光功率密度的增加，材料粒子的蒸发产生的压力增大，熔池的下陷深度增加，同时熔池表面的曲率半径将减小。当材料的蒸发压力达到某一临界值时，蒸汽产生的压力使熔池表面下陷而形成小孔，焊接深度跳跃式增长，形成激光深熔焊，此时由于小孔效应，材料对激光的吸收率将急剧增加  。

激光深熔焊的机制与电子束焊相似，其能量传递与转换是通过“小孔”完成的。如图 2.5a 所示，在高功率激光束照射下，被焊材料剧烈熔化并蒸发，形成一个小孔，孔壁材料连续蒸发的高压蒸汽把邻近熔化金属推向四周，以使激光束深穿进材料内部。随着工件的运动，熔融金属在稳定小孔后以工件运动的速度而向前运动，随之凝固成焊缝金属。由于小孔的存在，激光束能沉积到材料内部而形成深熔焊，焊缝深宽比高达 12 ： 1 。

 

2.2.2 等离子体的产生

2.2.2.1 等离子体形成机理

大功率激光焊接等离子体的产生过程：

等离子体状态：

任何物质在接收外界能量而使温度升高时，原子或分子受能量 ( 光能、热能、电场能量等 ) 的激发都会产生电离，从而形成由自由运动的电子、带正电离子和中性原子组成的等离子
体，它在宏观上保持电中性的状态。等离子体又被称为物质的第四态（固态、液态、气态、等粒子体态），材料表面在高能密度激光辐照下产生汽化形成金属蒸汽，等离子体实际上是高密度的电子层。

2.2.2.2 等离子体和焊接过程的相互作用

激光焊时，当激光功率密度相对较低时，材料表面对激光反射率很高 。

当等离子体产生以后，稀薄的等离子体有利于材料对激光的吸收，这种现象称之为增强耦合。

当等离子体浓度相当大时，它对激光能量产生极大的损失，主要表现为等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能量以及等离子体对激光的散射等两种形式。

光致等离子体不仅存在于材料表面而且存在于小孔之内。

由于等离子体对激光的吸收，使得穿过小孔、到达孔底的激光能量密度下降，从而使深熔焊受到限制。
激光诱导的等离子体在焊缝形成过程中起到重要的作用，各种质量监测技术如光辐射法 、声压法  、电场法等都与等离子体相关。

目前对激光焊接中出现缺陷时等离子体信号的特征还缺乏细致的分析，影响了质量实时监测系统的完善性和准确性。

2.2.2.3 激光等离子体的分类

 

2.2.2.4 利用谱线相对辐射强度计算光致等离子体温度

2.2.2.5 利用谱线相对强度法计算等离子体电子密度

2.2.2.6 等离子体控制方法

1 ．本征控制法

根据等离子体产生时在时间和浓度上的特点，从根本上防止等离子体的产生。

• 1) 激光脉动：周期性地切断激光，使其辐照时间小于等离子体形成时间。
• 2) 激光摆动：光斑沿焊接方向往返扫描，在小孔出现后等离子体形成以前，将光斑瞬时移至熔池的后缘。
• 3) 低气压焊接：采用减压焊接，当气压低于某一程度时，材料表面及小孔内金属蒸汽密度较小，等离子体消失 。

以上方法主要用于试验研究，其实用价值较小。

2 ．吹气控制法

通过气体运动来增加电子、离子、中性原子三体碰撞而增加电子复合速率，从而降低等离子体电子密度并利用气体动量将其吹散 [24] 。

常用的有同轴主吹、同轴侧吹和单向侧吹。

吹气控制使用较为普遍，效果也比较好，控制等离子体有效
而实用的方法是侧吹辅助气体。无论采用何种气体，只要气体压力稍高于金属蒸汽压力，等离子体被压缩并从小孔的后壁吹除，从而获得最佳深宽比的焊缝。

2.2.3 等离子体特征信号及其检测

2.2.3.1 等离子体光辐射

等离子体光辐射 ：等离子体中存在大量的以各种形式运动着的带电粒子，因而由此引起的辐射过程也是多种多样的。根据光谱的不同性质，可以分为连续光谱和线光谱（非连续）。根据辐射过程的微观特性，等离子体辐射主要有韧致辐射、复合辐射和激发辐射三种。

韧致辐射：是指自由带电粒子的运动速度发生变化时伴随产生电磁波的过程。等离子中的自由电子运动速度要远远大于离子的速度，因此可以把离子看作是静止不动得背景粒子。当自由电子在运动过程中靠近离子时将会受到库仑力的作用，运动速度发生变化，运动方向发生改变，同时会辐射出光子。电子在辐射出一个光子后，往往还有足够的动能离开离子继续前进。由于电子在和离子碰撞前后都是自由电子，因而韧致辐射也叫自由—自由辐射。韧致辐射的光谱是连续光谱。

复合辐射：电子与离子相碰撞时，电子可能被离子俘获而复合成中性粒子，并将多余能量以光子形式释放出来。该过程叫做复合辐射。复合过程中电子从自由态到束缚态，因而复合辐射属于自由—束缚态辐射，它的光谱是连续的。在试验中测量得到的等离子体连续光谱是韧致辐射和复合辐射共同作用的结果。

激发辐射：在激发态的粒子中，电子从较高能级跳回到较低能级时要辐射出光子，这时的辐射称为激发辐射。它属于束缚态—束缚态辐射，其光谱是不连续的线光谱。

可见等离子体辐射出的谱线强度除了与金属的蒸发量有关外，还与等离子体的温度有关，等离子体的温度（等离子体的电子温度）越高，其中粒子的温度也越高，处于激发态的金属粒子越多，光强也越强。等离子体光辐射强度能够很好地反映焊接状态，只有金属蒸汽吸收足够的能量发生了激发和电离后，才会形成等离子体，也才会有光辐射，等离子体光强变化与焊接质量有很好的对应关系。

2.2.3.2 等离子体声波信号 - 声波辐射

等离子体中主要有三种振荡模式：郎缪尔波、电磁波和离子声波。在等离子体中，离子由于质量较大可视为不动，而电子在静电力的作用下产生简谐振荡，同时还有热运动，两者综合作用将使得简谐振荡运动形成纵波，这就是朗缪尔波，电磁波是一种横波。上述两种波的频率都很高，大于等离子体振荡频率。

等离子体中各气体成分的稳态温度差别很大，电子温度比例子温度和中性原子温度要高很多。因此除了在数量上占一定优势的中性原子热运动造成的寻常声波外，等离子体中还存在离子声波。离子声波是以热运动压力为恢复力的，但因电子与离子的热速度不同，微小的电荷分离会引起静电场，使电子和离子的运动耦合起来共同振荡形成离子声波，其满足如下的关系式：

原子热运动产生的声信号，强度很弱。当出现深熔焊时，出现小孔现象也将导致等离子体的产生，随着等离子体的出现，声信号会得到加强。声信号能够较好地反映等离子体和焊接状态。 

2.3 熔池及其光辐射 -- 红外热辐射

2.3.1 熔池形成

激光深熔焊接模式下，材料的蒸发过程将在熔化金属表面产生反冲压力。由于激光束具有高斯型的功率密度分布，金属液面上的反冲压力将具有中心大边缘小的压力分布。由于反冲压力沿光斑中心向边缘部分逐渐减小，压力差将使得熔化金属由光束中心区域向小孔前沿两侧和小孔后部流动，使得小孔沿液面向焊接方向移动。激光焊接参数对焊接熔池行为会有较大的影响，当采用低阶模焊接时形成的焊缝就要比采用高阶模时形成的焊缝深而窄。激光功率低时不会有等离子体现象，只有当激光功率密度较高时才会对焊接熔池产生影响 [27] 。激光功率越大时焊接熔池将越深。焊接速度对熔池形态也会有一定的影响，焊速越小焊接熔池深度差别越大 [30] 。激光焊接深熔焊熔池图像如图 2.8 所示，图中 d 为焊缝宽度， h 为熔池的深度A’C’ 为焊缝表面形状曲线，它是熔池后半周边缘 ABC 在焊接方向上的投影。熔池形态时表征焊接状态的直接信息，它决定了焊缝的深宽比及熔深，对其辐射信号的采集有助于判断焊接状态。

2.3.2 温度辐射定律

熔池由温度接近沸点的液态材料组成，其辐射主要是热辐射，辐射谱线近似符合普朗克公式，它是普朗克在 1900 年用量子假说提出，后来爱因斯坦于 1905年用近代量子理论又作了证明，真空中其表达式如下：

2.3.3 维恩位移定律

比关系。

以钢为例 [27] ，其沸点在 3200K 附近，其熔点在 1800K 附近，通过上述公式可计算得到熔池辐射光波长范围位于 0.90 1.60um ? 之间，属于红外波段，因此可用红外光电二极管进行探测。

备注：

（1）开环到闭环控制成为了可能

目前的激光焊接和激光检测是分离的两套系统，因此，激光焊接是开环控制系统，如果能够把激光焊接系统与激光检测系统结合起来，就构成了闭环焊接，这将极大地提升焊接的质量控制。这将是一个很有价值的研究课题。闭环焊接的难点是反馈信息与焊接目标之间的关系。这是一个很有价值的研究课题。一方面，它不激光焊接应用与激光焊接检测这两个独立系统连接了起来，并且，这种结合讲极大地提升了焊接的精密程度和质量。更大的价值在于，除了激光焊接，大量的其他激光应用，都可以某种方式转变成闭环控制！！！

（2）增加高频电磁波的检测

（3）增加声波和超声波的检测