铍激光焊接临界功率密度的影响因素解析

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激光焊接有热传导及深熔焊两种方式，焊接时是出现热传导焊还是深熔焊受激光功率密度控制，如激光功率密度大于金属材料要求的临界功率密度，焊接时就出现深熔焊，材料对激光的吸收率就很高，通常为70%~90%，得到的焊缝具有较大的深宽比；如激光功率密度小于材料的临界功率密度，焊接时就出现热传导焊，材料对激光的吸收率很低，通常为10%，焊缝具有较小的深宽比。氧化、气孔及裂纹是铍焊接时出现的3个主要问题,其中裂纹问题最难克服，而控制焊缝形貌，减少铍的熔化是降低裂纹敏感性的有效方式之一，只要得到了铍的临界功率密度及其影响因素，在进行铍的激光焊接时就可根据工程应用的需要，选择合理的焊接工艺参数，并得到需要的焊缝形貌。焊接材料为40级铍，试验使用的是f58mm及f96mm铍环，焊前在铍环外止口处预置厚度0.40~0.80mm的Al-Si12钎料，焊前用铍环焊接夹具将试件固定，焊接功率为1~2.5kW。
试验结果表明，铍环直径大小对产生深熔焊接的功率密度会带来直接影响，f58mm铍环产生深熔焊的功率密度阈值为7′105W/cm2，而f96mm铍环产生深熔焊的功率密度阈值为5′105W/cm2，随着试件直径的增大，实现深熔焊接的临界功率密度要求越小。这是由于试件直径增大后，其曲率减小，在激光入射角度为0°时，直径大的试件激光的背反射强于小直径试件，而背反射激光越强，其在激光器谐振腔内被调制成调Q脉冲可能性越大，而调Q脉冲的功率密度通常比一般激光功率密度高一个数量级，在试件直径增大后，调Q脉冲的形成导致了试件对激光吸收率的提高。小于临界功率得到焊缝的形貌如图1所示，大于临界功率得到焊缝的形貌如图2所示。
此外倾斜角度的大小对产生深熔焊接的功率密度会产生直接影响，在0°时产生深熔焊的功率密度阀值为7′105W/cm2，入射角度为3°时产生深熔焊的功率密度阀值为8.9′105W/cm2，随着入射角度的增大，要实现深熔焊接的临界功率密度要求越大。这是由于入射角度增大后，激光经试件的表面反射，大部分反射激光并没有沿光纤反射回激光器的谐振腔，只有部分背反射激光回到了谐振腔，产生的调Q脉冲可能性减小，即使产生调Q脉冲，其峰值功率也相对较小，而不会导致试件对激光吸收率的提高，在焊接头倾斜一定角度后产生的调Q脉冲的强度就会减弱或消失，对试件吸收率的影响同样也减弱。