激光焊接中的表面成形

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在实际应用中，激光深熔型焊接焊缝表面往往会形成一定高度的突起（或一定深度的塌陷）。但在某些特定的应用环境下，对焊后表面要求相当高，不允许有肉眼可见的不平。因此，研究激光焊焊缝表面形状的影响因素，即表面突起的成因及相应的消除办法就极有必要。
目前，激光深熔焊焊缝表面形状，一般研究认为是由于熔池中表面张力分布、熔池内部压强与大气压之差共同决定的。焊缝表面形状满足下面的关系式：
                              у▽2ε＝－δp
式中    у──表面张力系数；
% M6 E" n( M# W% f& ]/ X3 b; q$ h; Nε──熔池表面各点的竖直位移；
  o& M) z" A1 k9 sδp──液体压强与外界压强差。
1 R8 R3 k3 z) @, x工件变形对焊缝表面成形具有不容忽视的影响，当激光刚照射在一块各向同性平面板材的表面时，工件上表面激光作用区域温度急剧升高，照射区域内材料因受热膨胀而受到周围冷基体的障碍，从而在该区域内形成压应力，并导致板材发生轻微的向下翘曲；当激光继续作用时，工作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的升高而下降，到一定阶段，材料屈服极限小于其周围的压应力数值，这部分材料发生屈服变形，并形成堆积；在激光持续作用下，照射区域内的部分材料开始熔化，形成熔池，其屈服强度将为零，在周围介质的挤压下，熔池液面升高并在表面张力作用下形成曲面。同时，照射区域内的压应力得到部分释放，板材的翘曲程度减小；当激光停止作用后，熔池内的液体在其上方气体及其周围介质的冷却作用下迅速降温凝固，凝固后的表面保持了凝固前的液面形状，从而形成了焊缝表面的“突起”。随后周围材料的温度也随之下降，由于焊缝及其附近区域发生永久性变形，工件表面焊缝附近各点已不能完全恢复其在激光作用前的位置，从而在工件上部形成新的残余拉应力，并最终导致工件产生一定程度的向上翘曲。
当激光功率、扫描速度等工艺参数不同时，单位时间内注入工件的能量也不同，熔池大小和热影响区的范围等也将发生变化，这势必会影响热应力的大小和分布，进而导致焊缝表面突起程度的改变。这就提供了一种可能性，即通过选择合适的工艺参数来控制焊缝表面形状。