一、激光焊側(cè)吹氣介紹

激光深熔焊接過程中,當(dāng)激光功率密度達(dá)到 106Ｗ/㎝ 2 以上時(shí)，工件表面溫度隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速上升，產(chǎn)生熔化、氣化。蒸汽壓力和強(qiáng)烈蒸發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致的反沖壓力能夠克服熔 化金屬表面張力和液體金屬壓力而在工件內(nèi)部形成一個(gè)“匙孔”，“匙孔”形成后發(fā)生壁聚焦 效應(yīng)使得對(duì)激光的吸收率大大增加。“匙孔”內(nèi)金屬蒸汽會(huì)以很高的速度從“匙孔口”噴出。蒸汽中的起始自由電子通過逆韌致輻射吸收激光能量而被加速，直至有足夠的能量碰撞電離材料和周圍氣體，使電子密度雪崩般增長(zhǎng)，在小孔的內(nèi)部和上方形成高溫高密度的等離子體。在高功率密度的激光焊接過程中，等離子體的溫度高度 10000K左右，致密的等離子體會(huì)對(duì)入射激光束產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收、散射和折射作用，使激光能量受到極大的損失。因此在高功率密度激光焊接過程中，對(duì)光致等離子體的控制非常必要。從光束軸向和側(cè)向吹輔助氣體不僅可以抑制周圍環(huán)境氣體對(duì)焊縫附近區(qū)域的污染、改善激光能量的耦合和傳輸過程，而且這種方法較為靈活，比較有效和實(shí)用，所以在實(shí)際應(yīng)用中普遍采用。通過沿激光束軸向或側(cè)向吹輔助氣體，可以削弱等離子體，使焊縫熔深增大、焊接過程穩(wěn)定。側(cè)吹工藝效果的影響因素較多，本文結(jié)合激光焊接等離子體高速 CCD攝影的方法研究了側(cè)吹噴咀高度、側(cè)吹角度、側(cè)吹氣體流速對(duì)激光焊接過程的影響。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中使用的焊接設(shè)備是方圓FWK50 型YAG 激光器，最大功率 500Ｗ。試驗(yàn)中同時(shí)采用頂吹和側(cè)吹兩種保護(hù)氣流，保護(hù)氣為氬氣。頂吹噴咀內(nèi)半徑為 4 ㎜，側(cè)吹噴咀內(nèi)半 徑 2.5 mm。試驗(yàn)材料是厚度為 2mm的 SUS304 不銹鋼平板，焊前用丙酮對(duì)試板進(jìn)行清洗。試驗(yàn)為激光束平板掃描。

實(shí)驗(yàn)過程中側(cè)吹氣體采用前保護(hù)方式， “a”表示送氣距離，是光軸和側(cè)吹噴咀下端的距離；“h”表示側(cè)吹噴咀高度，是側(cè)吹噴咀下端和工件上表面之間的距離； “α”表示側(cè)吹角，是側(cè)吹噴咀軸線和水平方向之間的夾角；“H”表示頂吹噴咀高度，是頂吹噴咀下沿和工件上表面之間的距離。

在焊接過程中使用 Phantom590 高速攝影機(jī)沿垂直焊縫對(duì)稱面的方向?qū)Φ入x子體的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行拍攝。拍攝頻率為 1000 幅/秒。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

側(cè)吹噴咀高度的影響

1、在其它試驗(yàn)條件分別保持不變，側(cè)吹噴咀高度為 1 ㎜、3 ㎜、4.3 ㎜、5.5 ㎜、7 ㎜時(shí)焊縫的熔透情況、表面熔寬和等離子體的形態(tài)。焊縫熔透率表示焊縫中熔透部分的累計(jì)長(zhǎng)度和焊縫總長(zhǎng)度的比值。

2 側(cè)吹保護(hù)氣流速的影響

比較研究了側(cè)吹保護(hù)氣流速為 0L/min、5L/min、10L/min、15L/min 時(shí)焊縫的熔透情況、 表面熔寬和等離子體的形態(tài)，其它試驗(yàn)條件分別保持不變

3 側(cè)吹角度的影響

當(dāng)側(cè)吹角度為 0°、20°、45°時(shí)焊縫的熔透情況、表面熔寬和等離子體的形態(tài)，此時(shí)其它試驗(yàn)條件分別保持不變。

四、試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)噴咀高度取不同值進(jìn)行比較研究的結(jié)果，可以看出側(cè)吹噴咀高度 對(duì)焊接結(jié)果的影響十分顯著。隨著側(cè)吹噴咀高度值由小到大的變化，熔透率由幾乎為 0 迅速上升，試驗(yàn)中當(dāng)噴咀高度為 5.5 ㎜時(shí)熔透率達(dá)到 100﹪，繼續(xù)增大噴咀高度到 7 ㎜，熔透 率仍為 100﹪，同時(shí)焊縫背面熔寬略有增大，說(shuō)明在試驗(yàn)條件下，隨著側(cè)吹噴咀高度值由小到大變化，激光能量和工件的耦合在不斷增強(qiáng)。隨著側(cè)吹噴咀高度值由小到大變化，正面焊縫熔寬逐漸減小、背面熔寬逐漸增大，表明增大側(cè)吹噴咀高度將能夠得到更大的熔深。

側(cè)吹噴咀高度對(duì)激光焊接過程的顯著影響與其對(duì)激光焊接等離子體的控制作用有關(guān)。通過高速攝影得到的不同側(cè)吹噴咀高度下的等離子體形態(tài)。在薄板激光焊過程中工件表面上方的等離子體云團(tuán)有兩種典型的形態(tài)：焊透時(shí)出現(xiàn)的體積較小的等離子體云團(tuán)；未焊透時(shí)出現(xiàn)的體積較大的等離子體云團(tuán)。熔透率不等于 100%時(shí)，焊接過程中等離子體云團(tuán)在兩種典型形態(tài)之間變換，同時(shí)在每一種典型形態(tài)下等離子體體積又做著幅度 很小的波動(dòng)。熔透率等于 100%時(shí)，焊接過程中等離子體云團(tuán)始終呈現(xiàn)較小的體積，同時(shí)做幅度很小的波動(dòng)。在本試驗(yàn)條件下，隨著側(cè)吹噴咀高度值由小到大變化，等離子體呈現(xiàn)較小體積形態(tài)的幾率在不斷增大，當(dāng)噴咀高度取 5.5 ㎜時(shí)，這一幾率增大到 100%。

對(duì)側(cè)吹保護(hù)氣體流速取不同值進(jìn)行比較研究的結(jié)果。可以看到，當(dāng)側(cè)吹保護(hù)氣體流速為 0 時(shí)，工件上方的等離子體云團(tuán)尺寸十分大，強(qiáng)烈的屏蔽效應(yīng)使得工件上沒有形成明

顯的熔池。當(dāng)側(cè)吹保護(hù)氣體流速增加到 5L/min 時(shí)，等離子體在兩種典型形態(tài)之間變換，但其未焊透時(shí)的體積比側(cè)吹流速為 0 時(shí)小。當(dāng)流速增大到 10L/min 后，等離子體始終呈現(xiàn)體積較小的形態(tài)并且作幅度很小的波動(dòng)，此時(shí)熔透率為 100%，并且焊縫正面熔寬減小，背面熔寬增大。當(dāng)流速增大到 15L/min 時(shí)，等離子體始終呈現(xiàn)體積較小的形態(tài)、作幅度很小的波動(dòng)，并且等離子體平均體積比流速 10L/min 時(shí)小。此時(shí)熔透率仍為 100%，與流速為 10L/min 時(shí)相比較，焊縫正面熔寬變大，背面熔寬基本相同。但是，由于側(cè)吹流速較大，熔池表面的成形變差，焊接過程中飛濺嚴(yán)重。

對(duì)側(cè)吹角度取不同值進(jìn)行比較研究的結(jié)果。試驗(yàn)條件下，側(cè)吹角為 0°、20°時(shí) 等離子體均呈現(xiàn)體積較小的形態(tài)，熔透率均為 100%，但側(cè)吹角為 20°時(shí)焊縫正面熔寬略有 減小、背面熔寬明顯增大。當(dāng)側(cè)吹角為 45°時(shí)，等離子體在兩種典型的形態(tài)之間變換熔透率下降到約 50%，背面熔寬和正面熔寬較側(cè)吹角為 20°時(shí)均有所減小。

流速為 10L/min側(cè)吹角為 20°時(shí)的試驗(yàn)條件下合流角均約為 40°， 這兩種情況下焊縫背面熔寬值都是其同組實(shí)驗(yàn)中的最大值，論證了文獻(xiàn)中合流角 40°時(shí)增大熔深最強(qiáng)”的結(jié)論。試驗(yàn)中的合流角都是 40°，可見在最佳合流角度下側(cè)吹噴咀高度對(duì)焊接過程有著顯著的影響。

五、結(jié)論

利用 CCD 高速攝影試驗(yàn)研究了側(cè)吹保護(hù)氣流在不同側(cè)吹流速、側(cè)吹角度和側(cè)吹噴咀高度對(duì)不銹鋼薄板的 激光焊接過程中等離子體形態(tài)、焊縫熔透率和熔寬的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，側(cè)吹噴嘴高度對(duì)激光焊接過程有顯著的影響；頂吹氣流和側(cè)吹氣流的合流角約為 40°時(shí)焊縫背面熔寬最大；正確的選擇側(cè)吹工藝可以使等離子體云團(tuán)的平均體積、平均高度趨向減小，從而使焊縫的熔透率增大，背面熔寬增大。

（1） 正確的選擇側(cè)吹工藝可以使等離子體云團(tuán)的平均體積、平均高度趨向減小，從而使 焊縫的熔透率增大，背面熔寬增大。

（2） 側(cè)吹噴咀高度對(duì)焊接過程有顯著的影響，本文試驗(yàn)條件下，隨著側(cè)吹噴咀高度增大， 等離子體云團(tuán)的平均體積、高度減小，焊縫熔透率和焊縫背面熔寬增大，正面熔寬減小。

（3） 頂吹氣流和側(cè)吹氣流的合流角約為 40°時(shí)焊縫背面熔寬最大。

（4） 在薄板激光焊過程中工件表面上方的等離子體云團(tuán)有兩種典型的形態(tài)，熔透率不等于 100%時(shí)，等離子體云團(tuán)在兩種典型形態(tài)之間變換，同時(shí)在每一種典型形態(tài)下體積做幅度很小的波動(dòng)。熔透率等于 100%時(shí)，焊接過程中等離子體云團(tuán)始終呈現(xiàn)較小的體積，同時(shí)做幅度很小的波動(dòng)。

方圓激光m.blz520.com

2015-0423