大功率光纤激光焊接过程中工艺参数对熔深和气孔的影响

摘要

采用７ｋＷ光纤激光器，研究了未熔透光纤激光焊接过程中工艺参数对熔深、气孔的影响，讨论了小孔深度与熔深的对应关系，并利用激光功率三角波脉冲的方法研究了功率调制对小孔型气孔的抑制作用。结果表明，激光焊接熔深与小孔深度基本一致。随着焊接速度的增大，焊缝熔深减小，气孔倾向降低。当离焦量为０时，焊缝熔深和气孔倾向最大；当焦点位置偏离工件表面时熔深和气孔倾向减小。在较宽的频率范围内（２０～１２５Ｈｚ），三角波调制激光功率有效地减少了光纤激光焊接小孔型气孔的产生，最佳频率为６０Ｈｚ。利用Ｘ射线透射成像系统分析了小孔行为，发现激光功率脉冲调制提高了小孔的稳定性，从而减小了气孔倾向。

１引言

由于具有光电转换效率高、光束质量好、生产效率高等特点，光纤激光焊接得到了越来越广泛的关注，尤其是大功率光纤激光焊接成为了研究热点之一。关于光纤激光焊接工艺参数和熔深的对应关系，各国学者纷纷发表了相关的研究数据。利用８ｋＷ光纤激光研究了激光功率、焊接速度对Ｘ１００高强钢焊缝熔深的影响，在激光功率８ｋＷ、焊接速度０．５ｍ／ｍｉｎ的条件下焊缝熔深约为１１.５ｍｍ。

分析了光纤激光过程中激光能量密度、焊接速度对不锈钢焊缝熔深的影响规律，他们发现采用激光功率６ｋＷ，在焦点位置激光光斑直径０．１３ｍｍ、焊接速度０．６ｍ／ｍｉｎ的条件下，焊缝熔深达到了１１ｍｍ。在光纤激光焊接实验中通过改变气体类型、流量、混合比例、吹气角度、落点位置等，获得保护气参数对熔深的影响规律。但是，小孔作为激光深熔焊的重要特征，工艺参数对小孔深度的影响以及小孔深度与熔深对应关系的研究相对较少。另一方面，小孔型气孔是激光深熔焊尤其是未熔透激光焊接的主要问题之一ＣＯ２激光和Ｎｄ：ＹＡＧ激光焊接过程中气孔形成机理及抑制方法已得到深入的研究但在光纤激光焊接中仍缺乏相关问题的研究。本文研究了未熔透光纤激光焊接过程中工艺参数对熔深、气孔的影响，并利用Ｘ射线透射成像系统分析了小孔行为，讨论了小孔深度与熔深的对应关系，最后采用激光功率三角波脉冲的方法研究了功率调制对小孔型气孔的抑制作用。

２试验方法

焊接试件尺寸为２５０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍ，材料为低碳钢板，其化学成分（质量分数，％）为：Ｃ０．１６，Ｓｉ０．３５，Ｍｎ　１．４６，Ｐ　０．０１６，Ｓ　０．００６。激光焊接试验采用平板堆焊方式，使用７ｋＷ光纤激光器，传输光纤芯径２００ μ ｍ，聚焦透镜焦距２５０ｍｍ，焦点位置光斑直径０．３ｍｍ。焊接过程中，采用侧吹保护气体，喷嘴与激光束呈４５°夹，保护气体为Ａｒ，流量１０Ｌ／ｍｉｎ，试验装置如图１所示。

图1：光纤激光焊接试验装置

焊接试验中，调节离焦量和焊接速度两个工艺参数：１）焊接速度１．０ｍ／ｍｉｎ条件下，离焦量分别为－１０、－５、０、５、１０ｍｍ；２）离焦量０条件下，焊接速度分别为０．５、１．０、３．０、５．０、１０ｍ／ｍｉｎ。为了分析小孔深度与熔深的对应关系，利用Ｘ射线透射成像系统观测了上述焊接工艺参数下的小孔行为，Ｘ射线透射成像系统和试样尺寸如图２所示。焊接试验后，首先用Ｘ射线对焊缝进行无损探伤，观察气孔情况，然后制作金相试样，经过饱和苦味酸腐蚀后，对焊缝熔深进行测量。

图2：X射线透射成像系统及试样尺寸

小孔型气孔是激光深熔焊尤其是未熔透激光焊接的主要问题之一，已有的研究结果表明三角波激光功率脉冲调制比矩形波调制更能有效地抑制气孔产生，因此本文采用激光功率三角波脉冲的方法研究功率调制对小孔型气孔的影响。图３所示是三角波激光功率脉冲调制波形，峰值功率为７ｋＷ，基值功率为３ｋＷ，三角波上升段时间为５ｍｓ，频率范围为１０～１２５Ｈｚ。

图3：激光功率脉冲调制波形

３试验结果与分析

３．１焊缝熔深

图４所示是焊接速度１．０ｍ／ｍｉｎ、离焦量０条件下Ｘ射线透射成像系统实时采集的小孔形状与实际焊缝的对应关系，小孔深度与熔深相当。图５所示是焊接速度、离焦量对熔深和小孔深度的影响规律。随着焊接速度的减小，熔深和小孔深度均呈上升的趋势，如图５（ａ）所示。当焊接速度为０．５ｍ／ｍｉｎ时，熔深和小孔深度均为１０．３ｍｍ；当焊接速度为５．０ｍ／ｍｉｎ时，熔深和小孔深度分别为５．８ｍｍ和５．５ｍｍ。离焦量对熔深、小孔深度也具有较大的影响，呈抛物线变化规律，如图５（ｂ）所示。

当焦点位置在工件表面时，熔深和小孔深度最大，分别为９．７ｍｍ和９．６ｍｍ；焦点位置偏离工件表面时，熔深和小孔深度下降。由图５还可知，各深熔焊接条件下，小孔深度和熔深基本一致。

图4：小孔形状与实际焊缝的对应关系

３．２焊缝气孔倾向

图６不同焊接速度条件下焊缝气孔Ｘ射线图（Ｘ射线从工件侧面照射）Ａｒ速率１０Ｌ／ｍｉｎ，激光功率８ｋＷ，离焦量为０。当焊接速度低于３．０ｍ／ｍｉｎ时，焊缝均有气孔产生，气孔集中分布于焊缝熔深中部的区域；当焊接速度高于５．０ｍ／ｍｉｎ时，焊缝未产生气孔。采用焊缝单位长度上的气孔面积Ｐｓ表征气孔倾向，焊接速度对气孔倾向的影响规律如图７所示。

图6：不同焊接速度条件下焊缝气孔X射线图（X射线从工件侧面照射）

图7：焊接速度对焊缝气孔倾向的影响

当低速焊接时，激光深熔焊小孔型气孔倾向较大；随着焊接速度的增加，焊缝气孔倾向降低，焊接速度增大至５．０ｍ／ｍｉｎ时，焊缝单位长度上的气孔面积下降至０。气孔倾向随焊接速度变化呈这种规律的原因在于：随着焊接速度增大，激光小孔深度迅速降低，致使小孔膨胀、收缩的变化程度减小，小孔稳定性改善，从而抑制了气孔的形成，图８所示的是离焦量对气孔倾向的影响规律。当焦点位置在工件表面时，焊缝单位长度上的气孔面积最大；当焦点位置偏离工件表面时，即离焦量或入焦量增大时，气孔倾向降低。因此，离焦量对光纤激光焊接气孔倾向具有显著的影响。由图５（ｂ）可知，焦点位置偏离工件表面时，小孔深度减小，这有利于小孔稳定性的改善。但是，离焦量和入焦量数值相同时（例如离焦量为＋１０ｍｍ和－１０ｍｍ的情况），气孔倾向存在较大的差异，其原因需要进一步实验研究和理论分析。

图8：离焦量对焊缝气孔倾向的影响

３．３功率调制对气孔的影响

图９所示是三角波激光功率调制条件下焊缝气孔的分布。与连续激光焊接相比，采用功率调制可减小气孔倾向，这证明功率调制抑制气孔产生的方法对于光纤激光焊接同样有效。图１０所示是功率调制对焊缝气孔率的影响。随着脉冲频率的增加，气孔率快速降低；当脉冲频率为６０Ｈｚ时，气孔率降至最低值；在脉冲频率较宽的范围内（２０～１２５Ｈｚ），功率调制可有效地减少气孔形成。利用Ｘ射线透射成像系统对光纤激光焊接中气孔的形成进行观测，小孔行为如图１１所示。连续激光焊接过程中，小孔收缩和膨胀交替剧烈，小孔底部形成大量气泡，气孔倾向大，如图１１（ａ）所示。采用功率调制进行激光焊接时，在合适的脉冲频率范围内，小孔收缩和膨胀程度较小，减少了气泡产生，气孔形成倾向降低，如图１１（ｂ）所示。因此，功率调制提高了激光焊接小孔的稳定性，减少了气孔倾向。