引 言

随着激光焊接技术的不断发展,大功率激光焊接(激光功率5 kW以上)逐渐进入了工业领域。目前世界上用于工业焊接的激光器主要有CO₂激光和光纤激光两类。CO₂激光以CO₂气体作为工作介质,其激光波长为10.6 μm,而光纤激光则以光纤作为工作介质,其激光波长为1.07 μm。目前世界上两种激光都研发出了15 kW以上的激光器,且都拥有较好的光束质量。但由于工业中常用的铁基母材对光纤激光的吸收率要大于CO₂激光(见图 1),且光纤激光具有光电转化率高、柔性、维护成本低等特点,故光纤激光在工业领域具有一定的优势。本文所采用的即是最大功率为15 kW的多模光纤激光器。

图 1

Fig. 1

图 1 不同材料对不同波长激光的吸收率 Fig. 1 Absorption ratio of different materials with different laser wavelength

本试验所使用的母材为304奥氏体不锈钢,与其他类型的钢相比,奥氏体不锈钢是较易焊接的,在任何温度下都不发生相变,对氢不敏感,焊接接头在焊态下具有较好的塑韧性^{[ 1 ]}。304不锈钢在工业中的应用十分广泛,研究它的激光焊接性能是十分有必要的。

以激光焊为代表的高能束焊,最重要的特征是小孔效应，即在能量密度大于10⁶ W/cm²的激光光束作用下,金属发生熔化的同时发生气化,气化所产生的反冲压力将四周的熔化金属排开从而形成小孔。小孔效应是研究焊缝成形的基础。除此之外,熔池流动也是焊缝成形的重要影响因素,而激光焊的熔池流动与蒸汽压、表面张力等多种内部驱动力有非常复杂的联系^{[ 2 ]}。

一般而言,对于特定型号(光源、光纤尺寸、焦距、光斑直径等均相同)的激光焊接系统,影响焊缝成形的主要参数为:激光功率、焊接速度和离焦量。激光功率与熔深成正比;焊接速度与熔深以及熔宽均成正比^{[ 3 ]};离焦量对焊缝的影响较为复杂,不同焊接设备、焊接参数下会产生不同的结果^{[ 3,4,5,6 ]}。对于本文的光纤激光焊机而言,经过多次试验得知,离焦量在0附近时熔深最大,增大或减小离焦量均会使熔深减小。

本试验的目的是通过获得不同激光焊接参数下的焊缝成形特征(熔深、熔宽等),总结出小孔效应在激光焊中对焊缝成形的影响。

1 试验方法

本试验所用的304不锈钢板厚度为16 mm。为了简化试验步骤,激光束直接作用于一块钢板的表面,等效于间隙为0的不锈钢钢板对接接头,试件形式如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 试件形式 Fig. 2 Form of test sample

由于本次试验的目的是给焊接6.35 mm试板对接接头提供参考,因此,采用了全覆盖试验,选择的激光功率范围为5～7 kW(每1 kW递进),焊接速度为10～100 mm/s(每10 mm/s递进);为了减少试验数量,仅选用无离焦量一种。

焊接完成后将三块试板沿中心割开,抛光并腐蚀剖面后,使用游标卡尺分别测量每条焊缝熔深和熔宽。

2 试验结果 2.1 焊缝熔深

图 3给出了所有试验焊接参数下焊缝熔深的变化曲线。由图可知,在焊接速度相同的条件下,激光功率越大,熔深也越大。但在激光功率相同的情况下,熔深随焊接速度变化的情况则较为复杂:在50 mm/s以下时,熔深随焊接速度增加而减小的趋势较为明显;在50～90 mm/s的速度区间内熔深几乎没有变化,而当焊接速度达到100 mm/s时,熔深又急剧减小。

图 3

Fig. 3

图 3 不同焊接参数下的焊缝熔深 Fig. 3 Penetration depth of different laser parameters

2.2 焊缝熔宽

图 4给出了所有试验焊接参数下焊缝熔宽的变化曲线。由图可见,对于相同的激光功率,熔宽变化曲线具有与熔深相同的特征,即50 mm/s以下时,熔宽随焊接速度增加而减小的趋势较为明显;在50～90 mm/s的速度区间内熔宽几乎没有变化,而当焊接速度达到100 mm/s时,熔宽突然减小。但当焊接速度相同时,激光功率对熔宽的影响不大。

图 4

Fig. 4

图 4 不同焊接参数下的焊缝熔宽 Fig. 4 Bead width of different laser parameters

2.3 焊缝成形

图 5所示为6 kW激光功率下不同焊接速度时典型的焊缝表面和剖面照片。

图 5

Fig. 5

图 5 不同焊接速度下的焊缝表面及剖面 Fig. 5 Weld bead surface and cross section of different travel speeds

由图可知,焊接速度在50 mm/s以上时,焊缝表面均有均匀的凸起,飞溅也较少,但当速度达到100 mm/s时,焊缝形状突然发生了改变,熔深和熔宽均大幅减小;当焊接速度在50 mm/s以下时,随着焊接速度的减小,焊缝熔深开始增加,飞溅也开始变多,焊缝先是出现咬边,随后又出现了周期性的隆起。

3 讨 论

以下结合小孔效应和熔池的流动对上述现象进行分析:

Fabbro^{[ 2 ]}采用高速摄像头观察了80～330 mm/s焊接速度时的焊缝成形过程,其中80 mm/s和100 mm/s的焊缝成形与本文吻合(如图 6所示)。80 mm/s时高速摄像机观察到的熔池在小孔周围形成 较为均匀的凸起,形成稳定的焊缝,仅有一些小飞溅主要从小孔前端飞出;100 mm/s时高速摄像头观察到小孔较深部位有熔池金属液体周期性地从小孔后部溢出,使熔池产生前后摆动,干扰了小孔的形成^{[ 7 ]},这很好地解释了焊缝熔深突然变小的现象。50～90 mm/s焊接速度下,焊缝形状和熔深几乎没有变化,这说明在此速度区间内,小孔能够保持稳定,熔池流动也比较平稳。当焊接速度低于50 mm/s时,焊缝熔深迅速增加,同时熔宽也大幅增大,“钉头”部分变大。30 mm/s和40 mm/s时,焊缝表面变得凹凸不平,同时两边形成咬边;20 mm/s和10 mm/s时焊缝表面形成比较大的隆起,但咬边消失。由于缺少高速摄像头的图像,我们推测产生以上现象的原因为:随着焊接速度的减小,热输入增加,焊缝表面所熔化的金属增多(此时“钉头”部分变大),小孔附近的蒸汽压使钉头部分的熔化金属溢出,速度较快时,从小孔前端溢出的金属流向小孔的两侧,将从小孔后部溢出的金属向中间推动,因此形成了咬边;速度较慢时,大量熔化金属周期性地从小孔后部“涌”出,两侧溢出的金属不足以推动这些熔化金属,因此形成了周期性的隆起。而熔深增大的原因可能有两种:其一,小孔底部的蒸汽压力变大,打破了与底部熔化金属表面张力的平衡,造成小孔向母材内部“钻孔”;其二,由于越来越多表面母材的熔化和溢出造成实际的母材厚度变小。

图 6

Fig. 6

图 6 参考文献[ 2 ]中的焊缝成形与本文焊缝比较 Fig. 6 Compare weld formation in reference [ 2 ] with this paper′s

4 结 论

综上所述,通过以上激光焊接试验、数据采集、结果观察以及分析,激光焊缝的成形与小孔效应以及熔池特征有着极为密切的关系,通过以上分析可以得到以下结论:

(1)在合理的焊接参数范围内,没有熔池金属溢出,小孔和熔池均处于稳定状态,此时同一功率下的焊缝熔深基本相同。对于本试验而言,5～7 kW激光功率下,50～90 mm/s的焊接速度为此合理焊接参数范围;

(2)超出结论1所述的焊接参数范围,小孔或熔池将变得不稳定,从而造成熔深的减小或增加,同时伴有咬边、焊缝隆起等外观缺陷。