激光焊接體能量及其對(duì)焊縫熔深的影響

秦國(guó)梁 林尚揚(yáng)  來(lái)源：《焊接學(xué)報(bào)》

0 前言

    激光焊接，特別是激光深熔焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，涉及到激光—材料—等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過(guò)程中影響并決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率、焊接速度、離焦量及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)，其中離焦量（在激光焊接中，一般用離焦量來(lái)表征激光光斑及焦點(diǎn)尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一。

    在電弧焊中，人們常采用焊接線能量或熱輸入(二者的單位均為J·m^-1)來(lái)描述和評(píng)價(jià)焊接過(guò)程中電弧電壓、焊接電流和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，但是這兩個(gè)參數(shù)都沒(méi)有考慮電弧作用面積對(duì)焊縫熔深的影響。

    如果用電弧焊中的焊接線能量或熱輸入來(lái)綜合評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，則不能反映離焦量及焦點(diǎn)尺寸對(duì)焊縫熔深的影響。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來(lái)評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆。

    目前，在激光焊接的研究中，還沒(méi)有一個(gè)參數(shù)能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程的影響。為了綜合評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響以及區(qū)別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接過(guò)程中焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響。

1 焊接體能量的定義 

    為了能夠綜合評(píng)價(jià)激光功率、焊接速度、激光輻照面積（離焦量）以及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，引入焊接體能量的概念，并將焊接體能量qV的定義為：

     （1）

    式中：Q——激光功率；

    V——焊接速度。

    S——為輻照在小孔內(nèi)的激光束光斑面積，實(shí)驗(yàn)用的Nd:YAG激光器經(jīng)焦距為200 mm的透鏡輸出的激光光斑面積與離焦量關(guān)系的擬合關(guān)系式為：

     （2）

    式中：∆z——離焦量；

    R0——激光束焦點(diǎn)半徑。

    因此，焊接體能量又可以表示為：

     （3）

    從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時(shí)間內(nèi)的激光功率密度或單位面積內(nèi)的焊接線能量，其單位為J·m-3，不同于電弧焊中焊接線能量和熱輸入的物理意義和單位J·m-1。

    從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量可由激光功率、焊接速度、及離焦量及激光束焦點(diǎn)半徑計(jì)算得出。圖1為焊接體能量隨激光功率、焊接速度和離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。從焊接體能量的定義及圖1中可以看出，焊接體能量與激光功率成正比關(guān)系，與焊接速度成反比關(guān)系，與焦點(diǎn)尺寸成平方關(guān)系，而與離焦量成指數(shù)關(guān)系。焊接體能量的變化能夠體現(xiàn)激光功率、焊接速度、離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。

2 焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響

2.1 試驗(yàn)條件

    實(shí)驗(yàn)用的激光器為額定功率為2 kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長(zhǎng)為1.06 μm的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為0.6 mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200 mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點(diǎn)半徑為0.3 mm，工件為250×100×1.8 mm 的Q235鋼板，同軸保護(hù)氣為Ar氣。

(a) 激光功率

(b) 焊接速度

(c) 離焦量

圖1 焊接體能量隨焊接規(guī)范參數(shù)的變化

    本文的主要目的在于研究焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，實(shí)驗(yàn)采用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，并且只測(cè)量工件未焊透時(shí)的焊縫熔深。

    通過(guò)激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實(shí)現(xiàn)了焊接體能量的變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的焊接規(guī)范參數(shù)變化如表1所示。

表1 焊接規(guī)范參數(shù)的變化

變化焊接規(guī)范參數(shù)的變化范圍		其他焊接規(guī)范參數(shù)
激光功率 Q /W	900～1200	V＝30 mm·s-1, ∆z＝0 mm,  Uf=20 l·min-1
焊接速度V/(mm∙s-1)	30～60	Q＝1250 W, ∆z＝0 mm,  Uf=20 l·min-1
離焦量 ∆z /mm	∆z: －4.5～－2.0 ∆z: 3.0～5.0	Q＝1500 W, V＝30 mm·s-1, Uf=25 l·min-1

2.2 焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響

    在焊接體能量的定義（1）式和（3）式中，焊接速度表征了激光束對(duì)小孔輻照時(shí)間的長(zhǎng)短，而Q/S或  則表明了輻照在孔內(nèi)的激光功率密度的大小。因此，輻照在小孔孔內(nèi)的焊接體能量從激光輻照時(shí)間和功率密度兩方面影響、決定著小孔深度和焊縫熔深。由于孔底液態(tài)金屬層的厚度很小，其對(duì)焊縫熔深的影響很小，因而在激光深熔焊接研究中，人們通常將焊縫熔深視作小孔深度來(lái)處理。

    圖2為在激光功率、焊接速度及離焦量變化時(shí)焊縫熔深隨焊接體能量的變化。

(a) 激光功率

(b) 焊接速度

(c) 離焦量

圖2 焊接規(guī)范參數(shù)變化時(shí)焊接體能量對(duì)焊縫熔深的影響

    焊接體能量與激光功率呈正比，激光功率密度隨著激光功率增大而增大，焊接體能量也隨之增大。因而在單位時(shí)間內(nèi)將有更多的激光束能量輻照到小孔底部，激光束對(duì)孔底的輻照加熱作用增強(qiáng)，孔底蒸發(fā)的材料越多，焊縫熔深也就越深。如圖2a所示。

    焊接體能量與焊接速度呈反比關(guān)系，隨著焊接速度的加快，激光束對(duì)小孔的輻照時(shí)間越短，輻照在小孔內(nèi)的焊接體能量就越小，則孔底蒸發(fā)的材料就越少，焊縫熔深就越淺。如圖2b所示。

    焊接體能量與離焦量呈指數(shù)關(guān)系，且在理論上關(guān)于∆z＝0 mm對(duì)稱（在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于激光束焦點(diǎn)位置的漂移，使焊接體能量并不關(guān)于∆z＝0 mm對(duì)稱，而是向入焦方向偏移了一定距離，本文中試驗(yàn)中激光束焦點(diǎn)位置的偏移為入焦1mm）。在離焦量變化過(guò)程中，隨著激光束焦點(diǎn)到工件上表面距離的減小，輻照在小孔內(nèi)的激光光斑就越小，激光功率密度就越大，焊接體能量也就越大，

    對(duì)孔底材料的轟擊也就越強(qiáng)，孔底蒸發(fā)的材料也就越多，焊縫熔深也就越深。如圖2c所示。

    從上面的分析及圖2中可知，焊縫熔深隨焊接體能量的變化而近似呈線性變化。焊接體能量越大，則單位時(shí)間、單位面積內(nèi)工件材料接受的激光束輻照的能量越多，蒸發(fā)的材料也就越多，從而小孔深度和焊縫熔深也就越深。

    從焊接體能量的定義及圖1、圖2中可以看出，焊接體能量綜合了激光功率、焊接速度及離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響。

    此外，從焊接體能量的定義（3）式中還可以看出，焊接體能量與激光束焦點(diǎn)半徑成平方關(guān)系，能夠體現(xiàn)激光束焦點(diǎn)大小對(duì)焊縫熔深的影響。激光束焦點(diǎn)尺寸越小，焊接體能量就越大，也就可以獲得更深的焊縫熔深。或者說(shuō)，在一定的焊接體能量下，獲得一定深度的焊縫熔深，如果所用激光束焦點(diǎn)越小，則所需要的激光功率也就越小。因此，可采用強(qiáng)聚焦的方法減小激光束焦點(diǎn)尺寸，從而達(dá)到增加熔深或減小激光器輸出功率的目的，這一點(diǎn)已被國(guó)外有關(guān)研究成果所證明。

3 結(jié) 論

    （1）定義激光焊接體能量，其由激光功率、焊接速度及離焦量計(jì)算得到。

    （2）焊接體能量與激光功率呈正比、焊接速度呈反比、離焦量呈指數(shù)關(guān)系，激光束焦點(diǎn)尺寸越小，焊接體能量越大。

    （3）焊縫熔深隨著焊接體能量的增大而近似呈線性增大。焊接體能量能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響。