萬瓦級激光深熔焊蒸氣羽煙抑制及應(yīng)用

近年來，隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，越來越多的大功率激光器面世，萬瓦級（功率≥10kW）以上激光器在厚板焊接領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。與千瓦級激光焊接相比，在萬瓦級激光深熔焊過程中激光功率密度更高，深熔焊小孔內(nèi)部的材料蒸發(fā)行為更加劇烈，熔池物理現(xiàn)象更加復(fù)雜。熔池上方產(chǎn)生的大量蒸氣羽煙是制約焊縫成形的關(guān)鍵問題之一，蒸氣羽煙對入射激光束的劇烈干擾使得厚板焊縫成形差，極易產(chǎn)生大的飛濺、表面駝峰等缺陷。為獲得良好的焊縫成形，必須對蒸氣羽煙進(jìn)行有效控制。

常規(guī)激光焊主要采用側(cè)吹法進(jìn)行蒸氣羽煙抑制，側(cè)吹一方面可以吹散部分蒸氣羽煙，另一方面可以將惰性保護(hù)氣體覆蓋在熔池上方，減少焊縫的氧化提高焊接質(zhì)量，但隨著激光功率的增加，蒸氣羽煙明顯增強(qiáng)，為了更好的抑制蒸氣羽煙，則需增加側(cè)吹氣的流量，但側(cè)吹氣體的流量不能增加到太高，否則易引起焊縫飛濺及凹陷，所以，在萬瓦級激光功率焊接情況下，單管側(cè)吹已無法滿足要求，本文研究采用多路吹氣的方式對蒸氣羽煙進(jìn)行抑制。

01萬瓦級激光焊·蒸氣羽煙的影響及抑制原理

金屬材料在極高功率密度激光束照射下，激光能量作用速率遠(yuǎn)大于材料熱傳導(dǎo)、對流及熱輻射的速率，使得材料表面局部劇烈蒸發(fā)汽化，蒸發(fā)汽化壓力將熔融金屬排開形成小孔；金屬蒸氣進(jìn)一步在高能密度激光作用下發(fā)生電離形成光致等離子體，分布于小孔內(nèi)部和外部，孔外等離子體及金屬蒸氣形成孔外蒸氣羽煙，采用高速攝影的方法對15kW光纖激光焊接孔外蒸氣羽煙進(jìn)行觀察，如圖1所示，蒸氣羽煙高度可達(dá)70mm，并伴隨飛濺產(chǎn)生，可對入射激光造成嚴(yán)重干擾。

在萬瓦級激光深熔焊過程中，超強(qiáng)的孔外蒸氣羽煙對入射激光產(chǎn)生明顯的“屏蔽”效應(yīng)，焊接深度一開始隨著激光功率的增加而增大,但當(dāng)激光功率超過某一值時，焊接深度明顯減小，并產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷。有研究表明，蒸氣羽煙對激光束的折射行為是引起 “屏蔽”效應(yīng)的根源所在，通過對入射激光束的折射，使激光束產(chǎn)生散焦，明顯減弱激光的穿透深度。除對激光束產(chǎn)生折射外，在萬瓦級激光深熔焊過程中，孔外蒸氣羽煙穩(wěn)定性極差，蒸氣羽煙的擾動對激光束的影響也導(dǎo)致熔池小孔穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生嚴(yán)重的焊接飛濺，且在整個焊接過程中，蒸氣羽煙呈現(xiàn)增強(qiáng)—減弱—增強(qiáng)的周期性特點(diǎn)并伴隨產(chǎn)生周期性的駝峰成形現(xiàn)象。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，真空條件下可對高功率激光焊產(chǎn)生的蒸氣羽煙進(jìn)行有效控制，即真空激光焊，但真空室造價高，使用不便，極少用于實(shí)際應(yīng)用，本文重點(diǎn)研究基于常壓下的多路氣體共同作用對蒸氣羽煙進(jìn)行抑制,采用包含側(cè)吹、橫吹、拖罩三路氣體的側(cè)吹保護(hù)裝置進(jìn)行蒸氣羽煙控制，其中，側(cè)吹對準(zhǔn)熔池，用于熔池位置保護(hù)和部分蒸氣羽煙吹散，且側(cè)吹氣流集中，有益于提高焊縫成形的均勻性；橫吹設(shè)置于熔池上方較近處，通過橫吹高速氣流抑制蒸氣羽煙的高度，在高度上盡可能的減少其對入射激光的干擾；拖罩置于熔池后側(cè)與側(cè)吹結(jié)合進(jìn)行空氣隔離，避免空氣卷入熔池產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)加強(qiáng)蒸氣羽煙的不穩(wěn)定性，同時，拖罩可對凝固的高溫焊縫進(jìn)行延時保護(hù)，減少焊縫氧化，提高焊接質(zhì)量。

02試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試驗(yàn)裝置

為有效抑制蒸氣羽煙，設(shè)計了具有三路氣流的側(cè)吹保護(hù)裝置，裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，具有側(cè)吹、橫吹、拖罩三路吹氣功能。

圖2 側(cè)吹保護(hù)裝置

側(cè)吹保護(hù)裝置通過連接桿和連接板安裝于焊接頭上，焊接時拖罩表面與工件表面平行，在焊縫上方左右對稱，且位于熔池后側(cè)，如圖3所示。

圖3 側(cè)吹保護(hù)裝置安裝

為了達(dá)到更優(yōu)化設(shè)計，采用ansys軟件對氣流進(jìn)行分析，計算模型及計算結(jié)果如圖4和圖5所示，各路氣流流動穩(wěn)定，焊接保護(hù)氣體覆蓋效果良好。

圖4 側(cè)吹保護(hù)裝置計算模型

圖5 計算結(jié)果

為檢測側(cè)吹保護(hù)裝置在萬瓦級激光深熔焊過程中對蒸氣羽煙的抑制效果，激光器采用本公司大族光子20kW光纖激光器，如圖6所示。

圖6 大族光子20kW光纖激光器

2.2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選擇常用的15mm厚304不銹鋼，采用拼接接頭進(jìn)行常規(guī)單路側(cè)吹和三路吹氣兩種焊接方式對比，以考察側(cè)吹保護(hù)裝置對蒸氣羽煙的抑制效果。為了使15mm不銹鋼試板單道焊透，需進(jìn)行大功率慢速焊接，采用較優(yōu)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行焊接，激光功率設(shè)置為20kW，焊接速度設(shè)置為0.8m/min，側(cè)吹保護(hù)裝置側(cè)吹進(jìn)氣口和拖罩進(jìn)氣口接入焊接保護(hù)氣，橫吹進(jìn)氣口接入壓縮空氣，側(cè)吹裝置與試板的垂直距離為8mm，與激光照射點(diǎn)的橫向距離為8mm。為了對比兩種焊接方式的差異，除了吹氣方式不同外，其余焊接參數(shù)均保持相同。

03試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單側(cè)吹蒸氣羽煙抑制效果及焊縫成形

單獨(dú)開啟側(cè)吹氣進(jìn)行焊接時，焊接過程中的蒸氣羽煙如圖7所示，蒸氣羽煙高度達(dá)100mm，且擾動明顯，羽煙邊緣呈不規(guī)則形狀，并在周圍環(huán)境產(chǎn)生大量的煙塵。焊縫正反面成形如圖8所示，其中正面焊縫成形均勻性差，駝峰明顯，且產(chǎn)生較大顆粒飛濺，整個焊縫表面氧化燒損明顯，焊縫背面呈現(xiàn)不連續(xù)熔透。由此可見，蒸氣羽煙的不穩(wěn)定性對焊縫成形造成嚴(yán)重影響。

圖7 20KW激光焊單側(cè)吹蒸氣羽煙

圖8 15mm厚304不銹鋼焊縫成形

a)正面；（b）背面

3.2 三路吹氣蒸氣羽煙抑制效果及焊縫成形

將側(cè)吹保護(hù)裝置的三路氣體全部開啟，焊接過程中的蒸氣羽煙如圖9所示，蒸氣羽煙高度降至29mm，呈圓球狀，形狀穩(wěn)定，擾動極小，周圍環(huán)境也無明顯煙塵產(chǎn)生。焊縫正反面及截面成形如圖10所示，焊縫正面駝峰消失，未見明顯飛濺和氧化燒損，焊縫背面均勻熔透。

圖9 20kW激光焊三路吹氣蒸氣羽煙

圖10 15mm厚304不銹鋼焊縫成形

(a)正面；（b）背面；（c）截面

3.3 結(jié)果分析

通過對比單側(cè)吹與三路吹氣在20kW激光焊過程中對蒸氣羽煙的抑制效果及焊縫成形，可發(fā)現(xiàn)側(cè)吹保護(hù)裝置的三路吹氣方式可實(shí)現(xiàn)對蒸氣羽煙的有效抑制進(jìn)而獲得良好的焊縫成形。對比單側(cè)吹方式，增加橫吹高速氣流有效壓制了蒸氣羽煙的高度，極大地減少了蒸氣羽煙對入射激光的“屏蔽”及干擾作用；增加拖罩并與側(cè)吹配合在熔池位置有效隔離了外界空氣，避免了熔池因產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)對蒸氣羽煙的增強(qiáng)，同時，拖罩對高溫焊縫的延時保護(hù)也是有效的，減少了焊縫氧化，提高了焊接質(zhì)量。

采用高速相機(jī)對熔池一段時間內(nèi)的波動情況進(jìn)行拍攝，兩種吹氣方式下，熔池波動狀態(tài)對比如圖11和圖12所示，通過對比可以看到，采用三路吹氣保護(hù)裝置焊接時熔池波動變化更小，未見大顆粒飛濺拋出，優(yōu)化的三路吹氣保護(hù)方式可明顯提高焊接熔池的穩(wěn)定性，從而提高萬瓦激光厚板焊接質(zhì)量。

圖11 單側(cè)吹熔池波動

圖12 三路吹氣熔池波動

圖13 20mm厚316LN不銹鋼

焊縫成形

04結(jié)論

（1）在萬瓦級激光深熔焊過程中，熔池上方的蒸氣羽煙噴射高度大且呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，對入射激光具有明顯的干擾作用，是影響焊縫成形的關(guān)鍵因素之一；

（2）在萬瓦級激光深熔焊過程中，單側(cè)吹無法有效抑制熔池上方的蒸氣羽煙，極易造成大的飛濺及表面駝峰等焊縫缺陷，焊縫成形差；

（3）通過側(cè)吹、橫吹和拖罩三路氣體優(yōu)化集成設(shè)計的保護(hù)裝置，對焊接蒸氣羽煙可達(dá)到有效抑制，焊接過程穩(wěn)定，可有效提高萬瓦級激光厚板深熔焊焊縫成形質(zhì)量。

轉(zhuǎn)自：大族光子