在激光焊接中材料相關(guān)參數(shù)對焊接的影響

發(fā)布日期：2025-10-20 14:25 ????瀏覽量：

焊接質(zhì)量與母材的物理特性密切相關(guān)——??材料的反射率、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等核心參數(shù)，直接影響能量吸收效率、熔池穩(wěn)定性及接頭力學(xué)性能??。本文聚焦關(guān)鍵材料參數(shù)，解析其對激光焊接的作用機(jī)制。

一、反射率與熱導(dǎo)率

1、金屬對激光的反射率

當(dāng)激光入射至材料表面時(shí)，部分能量被反射流失，剩余部分被吸收轉(zhuǎn)化為熱能。??高反射材料（如銅、鋁及其合金）因初始反射率極高，常導(dǎo)致能量利用率不足，甚至無法形成穩(wěn)定熔池??。以純銅為例，其對1064nm光纖激光的初始反射率高達(dá)98%，僅2%的能量被吸收；而鋁合金（如6061）對同波長激光的初始反射率也達(dá)80%以上。若直接采用常規(guī)工藝，易出現(xiàn)未熔合、氣孔等缺陷。

2、材料的??熱導(dǎo)率??決定了熱量的擴(kuò)散速度

高導(dǎo)熱材料（如銅的熱導(dǎo)率約401W/(m·K)，遠(yuǎn)高于鋼的45W/(m·K)）會(huì)快速將熔池?zé)崃肯蚧w擴(kuò)散，導(dǎo)致熔深減小、焊接速度受限。若焊接功率不足或速度過快，熔池?zé)o法充分融合，接頭強(qiáng)度顯著下降。

??應(yīng)對策略??：針對高反射/高導(dǎo)熱材料，可通過“波長匹配+功率優(yōu)化”改善能量吸收。例如，銅對515nm綠光激光的初始反射率降至50%以下，配合短波長激光器可提升吸收效率；適當(dāng)提高激光功率（如從3kW增至6kW）或降低焊接速度（如從10m/min降至5m/min），補(bǔ)償熱量散失，確保熔池深度。預(yù)處理（如表面黑化）也可降低反射率，但需權(quán)衡成本與效率。

二、熱膨脹系數(shù)

熱膨脹系數(shù)（CTE）反映材料隨溫度變化的膨脹程度。??當(dāng)焊縫兩側(cè)材料CTE差異較大時(shí)，冷卻過程中會(huì)因收縮不一致產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致裂紋、變形甚至接頭失效??。典型案例如鋼（CTE約12×10??/℃）與鋁合金（CTE約23×10??/℃）的異種金屬焊接：冷卻時(shí)鋁的收縮量遠(yuǎn)大于鋼，界面處易生成脆性金屬間化合物（如Fe?Al?），并伴隨拉應(yīng)力集中，最終引發(fā)裂紋。

即使是同材質(zhì)焊接，厚板與薄板的CTE差異也可能導(dǎo)致變形問題。例如，汽車動(dòng)力電池殼（0.6mm薄鋁板）與大尺寸散熱片（3mm厚鋁板）焊接時(shí)，薄板冷卻更快、收縮更劇烈，可能導(dǎo)致接口錯(cuò)位或波浪變形。

??優(yōu)化方向??：對于CTE差異大的異種材料，可采用過渡層（如鎳箔）緩解應(yīng)力；或通過脈沖激光控制熱輸入，減少熔池尺寸，降低冷卻速率。對于同材質(zhì)厚薄組合，可通過調(diào)整激光能量分布（如光斑直徑、離焦量），使厚板側(cè)獲得更多熱量，平衡收縮量。焊后緩冷（如隨爐冷卻）也可減少熱應(yīng)力累積。

三、材料表面狀態(tài)

1、表面粗糙度的影響機(jī)制

拋光表面（Ra＜0.8μm）的激光吸收率比機(jī)加工表面（Ra3.2μm）低15-20%。有測試數(shù)據(jù)顯示，對304不銹鋼進(jìn)行噴砂處理（Ra6.3μm）后，在相同功率密度下熔深增加22%，但表面粗糙度超過12.5μm時(shí)，因散射增強(qiáng)導(dǎo)致熔深波動(dòng)率上升至±18%。

2、氧化層的雙重效應(yīng)

鋁合金表面自然氧化膜（厚度2-5nm）可使激光吸收率提升30%，但超過10nm的氧化層會(huì)因反射率增加導(dǎo)致吸收率下降。采用500W連續(xù)激光+0.5m/s焊接速度時(shí)，去除氧化層的6061鋁合金焊縫氣孔率從8.3%降至1.2%，但過度去除會(huì)導(dǎo)致熔池氧化加劇。

四、材料相變特性

1、熔點(diǎn)差異的工藝適配

鈦合金（熔點(diǎn)1668℃）與不銹鋼（熔點(diǎn)1450℃）焊接時(shí)，需采用雙光束激光技術(shù)：前束（1064nm）預(yù)熱至800℃，后束（532nm）實(shí)現(xiàn)精確熔化。實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，該工藝可使接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的92%，而單光束焊接僅能達(dá)到78%。