激光焊接机工作过程中焊缝表面凸起的原因分析

    激光焊接机相对传统焊接设备，具有焊接快、焊缝美观、热影响区域小，操作简单等优点，但不可避免，在激光焊接机工作过程中可能会出现的一些焊接瑕疵，例如焊缝表面出现凸起的现象，对于这种现象的产生，经研究分析主要由以下几个因素造成的。

    1、材料热膨胀及热应力的影响

在激光束的快速加热情况下，工件迅速受热升温，体积发生膨胀。由于激光束加热集中，在激光作用的周围区域温度升高不是很大，激光作用区材料受热膨胀受到周围较冷部分基体的阻碍，在该区域形成压应力，同时被焊板材发生轻微的向下弯曲变形。尽管此应力与其他焊接方法相比是微不足道的，但它是表面凸起的主要影响因素之一。当激光束继续作用，工件上表面温度继续升高，压应力增大。与此同时，材料的屈服极限随温度升高而下降。到一定阶段，材料屈服极限小于周围的压应力数值，熔池上表面附近材料发生屈服变形，并产生堆积。在激光束移动到下一区域后，先前发生堆积部分温度迅速下降而冷凝，凝固后的表面保持了凝固前弯曲的堆积形貌，从而形成了焊缝表面的凸起。在焊缝及附近区域发生的变形也保留了下来，附近各点已不能完全恢复到激光作用前的位置，从而要在工件上部形成新的残余拉应

力。

    2、熔池表面熔体的流动

激光焊接过程中，熔池受到各种复杂外在因素的影响，造成表面熔体的流动，这客观上对于表面凸起有着很重要的影响。对于熔池表面熔体的运动，至今已有多种假说。Anthony T.R和Cline H.E在1977年提出，熔池中心与四周的很大温差形成的表面张力差提供了熔池内熔体对流的驱动力，此对流造成表面粗糙不平。1978年S.M.Copley等在透明三环茨烯(Camphene Tricycline),上用电阻丝加热观察到了熔池的对流和表面波纹状凸起的过程，他们考虑了在热源移动时，前沿和后沿形成一定的熔池液体位能差，当前沿达到一定压力差后向后沿流动，在已开始凝固而略为下倾的后沿界面前产生液体凸起，在冷凝后保留下来。这个过程中考虑了有回流和无回流两种情况(与界面能有关)。Moore和Weinman在1978年提出了蒸汽压力说，认为在热源功率密度很高时，作用于金属表面及其上空的金属蒸汽和空气形成等离子体，受热膨胀，对熔池表面形成蒸汽压力。在压力作用下熔池前沿的液体流向后方，造成两侧下凹、中间隆起的形状。同时，由于激光功率的变动或激光与熔池耦合也造成熔体流动。1983年I.C.Hawkes等认为熔池在压力作用下产生弓形波，使接受.激光的液面斜率有变化，使吸收功率密度下降，反射率提高，引起熔池对激光吸收率的波动，能够产生间断性熔化和表面波纹状凸起。这几种说法都有一-定道理，在实际激光焊接过程中，因熔池熔体流动造成表面凸起是.上述因素综合影响的结果。一般研究认为，熔池表面熔体的流动主要受表面张力梯度、小孔效应、金属材料蒸发及气体电离产生的等离子体热喷发、保护气流及辅助气流的冲击等的影响。

    3、组织的变化

激光焊接时，材料受热形成液态熔池，然后冷凝形成焊缝，组织有很大的差异。由于不同组织的密度不一样，焊缝体积会发生变化，这往往会对焊缝表面凸起造成影响。由于激光束高能量密度及集中加热，使得材料的升温和冷却速度极快，-般激光焊接后会形成条状的马氏体组织和贝氏体组织。经试验研究发现，材料相变体积的变化量与材料的含碳量有很大关系，对一般中低碳钢，相变体积变化占总凸起量的1/8~1 /4左右，对于高碳钢则会更高，在焊接时往往不能忽略这个因素。

    在实际的焊接过程中，若表面凸起较为严重，将在焊缝表面形成纵向呈鱼鳞状的凸起带，称为“鱼鳞纹”。它对于激光焊接表面的质量是不利的，针对其产生根源，对板材局部施压，调节激光能量及施加方式，可以对凸起加以改善。而在板材对接焊中，却可以利用表面凸起现象，在板材之间预留一道宽度适中的狭缝，在焊后可以得到表面齐平的焊道。

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