图20-21 304型不锈钢激光焊熔深 随入射光束功率变化的曲线

1.入射光束功率

它主要影响熔深，当束斑直径保持不变时，熔深随入射光束功率的增加而变大，图20-21是304型不锈钢激光焊熔深随入射光束功率变化的曲线，图20-22是根据对不锈钢、钛、铝等金属的实验而给出的激光焊熔深与入射光束功率的关系。由于光束从激光器到工件的传输过程中存在能量损失，作用在工件上的功率总是小于激光器的输出功率，所以入射光束功率应是照射到工件上的实际功率。在焊接速度一定的前提下，焊接不锈钢、钛、铬时，最大熔深h_maｘ与入射光束功率P问存在以下关系：

h_maｘ㏄P^0.7 （20-13）

图20-22 激光焊熔深随入射光束功率变化的曲线

2.光斑直径

在入射功率一定的情况下，光斑尺寸决定了功率密度的大小。对高斯光束的直径定义为光强下降到中心值的1/E或1/E²处所对应的直径，前者包含略多于60％的总功率，后者则包含80％的总功率，建议采用1/E²的定义方法。

实际测量中所采用的最简单的方法是等温轮廓法，通过对炭化纸的烧焦或对聚丙烯板的穿透来进行测量。

聚焦后的光斑直径

式中f——聚焦镜焦距；

λ——激光波长；

D——聚焦前光斑直径；

m——激光横模的阶数。

显然，采用短焦距的聚焦镜可使d变小，在f一定的情况下，横模阶数越低，d越小，当横模为基模（m＝0）时，d最小。

3.吸收率

吸收率决定了工件对激光束能量的利用率。研究表明，金属对红外光的吸收率ρ_A与它的电阻率ρ_r问的关系为

电阻率又与温度有关，所以金属的吸收率又与温度密切相关。理论计算表明，材料Ti-6Al-4V在300℃时的吸收率约为15％，而304型不锈钢、Fe和Zn即使在熔融状态，其吸收率也低于15％，这说明反射所造成的能量损失是很大的。

尽管大多数金属在室温时对10.6μm波长光束的反射率一般都超过90％，然而一旦熔化、汽化、形成小孔以后，对光束的吸收率将急剧增加，图20-23显示了金属材料吸收率随表面温度和功率密度的变化。由图可知，达到沸点时的吸收率已超过90％。不同金属达到其沸点所需的功率密度也不同，钨为10⁸W/cm²，铝为10⁷W/cm²，碳钢和不锈钢则在10⁶W/cm²以上。对材料表面进行涂层或生成氧化膜，可有效地提高对光束的吸收率。图20-24表示在不同的表面处理条件下，熔透功率与焊接速度的关系。可以看出，材料表面经处理后对光束的吸收率有不同程度的提高。

图20-23 金属村料吸收率随表面温度和功率密度的变化

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图20-24 不同表面处理条件下熔透功率与焊接速度的关系

另外，使用活性气体也能增加材料对激光的吸收率。实验表明，在保护气体氩中添加10％的氧，可使熔深增加一倍。

4.焊接速度

焊接速度影响焊缝熔深和熔宽。深熔焊接时，熔深几乎与焊接速度成反比，图20-25为采用10kW功率时，304型不锈钢熔深随速度的变化曲线。在给定材料、给定功率条件下对一定厚度范围的工件进行焊接时，有一合适的焊接速度范围与之对应。如速度过高，会导致焊不透；如速度过低，又会使材料过量熔化，焊缝宽度急剧增加，甚至导致烧损和焊穿。

5.保护气体成分及流速

深熔焊时，保护气体的作用有两个，一是保护被焊部位免受氧化，二是为了抑制等离子云的负面效应。

图20-25 304型不锈钢在10kW功率下熔深随焊接速度的变化曲线

图20-26显示了不同的保护气体对熔深的影响。由图可知，He可显著改善激光的穿透力，这是由于He的电离势高，不易产生等离子体，而Ar的电离势低，易产生等离子体。若在He中添加1％的有更高电离势的H₂，则又会进一步改善光束的穿透力，使熔深进一步增加。空气和CO₂对光束穿透力的影响介于Ar和He之问。

图20-26 不同保护气体对熔深的影响

气体流量对熔深的影响如图20-27所示。在一定的流量范围内，熔深随流量的增加而增加，超过一定值以后，熔深则基本维持不变。这是因为流量从小变大时，保护气体去除熔池上方等离子体的作用加强，减小了等离子体对光束的吸收和散射作用，因而熔深增加，一旦流量达到一定值以后，仅靠吹气进一步抑制等离子体负面效应的作用已不明显，因而即使流量再加大，对熔深也就影响不大了。另外，过大的流量不仅会造成浪费，同时，还会使焊缝表面凹陷。

图20-27 保护气体流量对熔深的影响

高速焊接时，选择保护气体不能仅仅考虑气体的电离势，还应考虑气体的密度。因为电离势较高的气体往往原子序数较低，相对原子质量也较小，高速焊接时，这些较轻的气体不能在短时问内把焊接区域的空气排走，而较重的气体则可实现这一点，因而把较重的气体和较轻的而电离势又高的气体混合在一起，将会产生最佳的熔透效果。图20-28表明，尽管提高了焊接速度，当在He中添加10％的Ar时，仍可显著增加熔深。

图20-28 Ar（10％）与HC（90％）混合气对熔深的影响

6.离焦量

离焦量不仅影响工件表面光斑直径的大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊缝形状、熔深和横截面积有较大影响。图20-29是采用功率为5kW、焊接速度为16mm/s、对板厚为6mm的310型不锈钢进行实验所得到的结果。当焦点位于工件较深部位时形成V形焊缝；当焦点在工件以上较高距离（正离焦量大）时形成“钉头”状焊缝，且熔深减小；而当焦点位于工件表面下1mm左右时，焊缝截面两侧接近平行。实际应用时，焦点位于工件表面下1～2mm的范围较为适宜。

图20-29 离焦量对焊缝形态的影响

图20-30为采用1000W激光、焊接速度为50cm/min、焦距为50～100mm、对304型不锈钢进行实验所得出的离焦量对熔深、熔宽和焊缝横断面面积影响的关系曲线。图中，F为焦距，ΔF为离焦量。由图可知，熔深随离焦量有一跳跃性变化，在ΔF很大的地方，熔深很小，这时属热传导焊接，当ΔF减小到某一值后，熔深发生跳跃性增加，这标志着小孔效应开始产生。

图20-30 离焦量对熔深、熔宽 和横断面积的影响