摘 要：定义焊接体能量用来综合评价激光焊接过程中激 光功率、焊接速度、离焦量及焦点尺寸等焊接规范参数 对激光焊接过程的影响，焊接体能量与激光功率呈正比、 焊接速度呈反比、与离焦量呈指数关系。研究结果表明， 随着焊接体能量的增大，焊缝熔深近似呈线性增大。关 键词：激光焊接 焊接体能量 焊缝熔深前言激光焊接，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
范参数的变化。 (源自：中国焊接协会) 2 焊接体能量对焊缝熔深的影响试 验条件实验用的激光器为额定功率为2 kW的Nd:YAG固体 激光器，输出波长为1.06 μm的连续波激光，激光束由内 径为0.6 mm的光纤传输，经焦距为200 mm的透镜聚焦输 出激光束焦点半径为0.3 mm，工件为250×100×1.8 mm 的Q235钢板，同轴保护气为Ar气。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。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
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
，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。从焊接体能量的定义中可以看出，焊 接体
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
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
。 (源自：中国焊接协会)
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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。 (源自：中国焊接协会)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
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＝0 mm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＝0 mm对称，而是向入焦方向 偏பைடு நூலகம்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