隨著大功率激光器的發(fā)展，激光深熔焊技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域越來越得到廣泛的使用，激光焊接的熔深也進(jìn)一步增加，但激光深熔焊尤其是激光焊接厚板易出現(xiàn)氣孔問題。激光焊接氣孔問題愈來愈被人們所重視。焊接氣孔是典型的焊接冶金缺陷，而激光焊接氣孔主要有兩類，氮?dú)饪缀蜌鍤饪住?
激光焊接氮?dú)饪椎漠a(chǎn)生主要是由于保護(hù)不良而引起的。在焊接過程中，氮從外部侵入熔池，氮在液態(tài)鐵中的溶解度與氮在固態(tài)鐵的溶解度有很大的差異，因 而在金屬的冷卻凝固過程中，由于氮的溶解度隨溫度的下降而降低，當(dāng)熔池金屬冷卻到開始結(jié)晶時(shí)，溶解度將發(fā)生大幅度的突然下降，此時(shí)氣體大量析出形成氣泡， 如果氣泡的上浮速度小于金屬結(jié)晶速度，則生成氣孔[1 ] 。激光焊接氬氣孔與氮?dú)饪椎漠a(chǎn)生機(jī)理不同。日本Matsunawa[2～4 ]等學(xué)者的研究表明，激光焊接的小孔內(nèi)部處于一種不穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)，小孔和熔池的流動(dòng)非常劇烈，小孔內(nèi)部的金屬蒸汽向外噴發(fā)引起小孔開口處的蒸汽渦流，將保 護(hù)氣體(Ar) 卷入小孔底部，隨著小孔向前移動(dòng)，這些保護(hù)氣體將以氣泡形式進(jìn)入熔池。因Ar 溶解度極低，再加上激光焊接的冷卻速度很快，氣泡來不及逸出而被殘留在焊縫，形成氣孔。
目前，解決激光焊接氣孔問題主要有兩種方法。一是利用冶金原理，采用活性氣體，使得氣體能夠溶解于焊縫或與熔池金屬發(fā)生反應(yīng)生成化合物。例如，在 低碳鋼激光焊接中采用CO2 作保護(hù)氣體，減小氣孔傾向[5 ] 。但采用CO2 作保護(hù)氣體可能會(huì)出現(xiàn)焊縫含氧量增加從而導(dǎo)致焊縫韌性下降。二是采用脈沖激光焊接，改變了小孔的行為，減少保護(hù)氣體被卷入小孔[6～8 ] 。這種方法目前還不能完全消除氣孔。
作者提出了利用光束擺動(dòng)的方法來減小或消除激光深熔焊中的氣孔傾向。目前，擺動(dòng)激光焊接主要應(yīng)用于有降低焊件裝配間隙要求構(gòu)件上，而光束擺動(dòng)激光 焊接抑制氣孔的研究仍未見有報(bào)道。由于在激光焊接中加入擺動(dòng)，束流對(duì)焊縫的往復(fù)擺動(dòng)一方面使部分焊縫發(fā)生反復(fù)重熔，延長(zhǎng)了焊接熔池液態(tài)金屬停留的時(shí)間，同 時(shí)，束流的偏轉(zhuǎn)也增加了單位面積輸入熱，減小了焊縫的深寬比，有利于氣泡的浮出，從而起到消除氣孔的作用。另一方面束流的擺動(dòng)導(dǎo)致小孔隨之?dāng)[動(dòng)，又可以起 到對(duì)焊接熔池提供一個(gè)攪拌力的作用，加大了焊接熔池的對(duì)流與攪拌，對(duì)消除氣孔起有利作用[9 ] 。作者在激光焊接過程中加入擺動(dòng)(光束擺動(dòng)激光焊)，研究了光束擺動(dòng)規(guī)范(頻率、振幅) 對(duì)激光焊接焊縫氣孔(氮?dú)饪住鍤饪? 的影響。
1 試驗(yàn)
試驗(yàn)方法如圖1 所示。試驗(yàn)材料為低碳鋼(Q235 鋼)，板厚為4mm。試驗(yàn)中使用3kW 快軸流CO2激光器，光束模式為TEM00+01，聚焦元件為焦距190 mm 的ZnSe 透鏡。光束擺動(dòng)方向與焊接方向垂直，擺動(dòng)幅度在0～2 mm 之間連續(xù)可調(diào)，擺動(dòng)頻率在0～50 Hz 連續(xù)可調(diào)。工件運(yùn)動(dòng)通過一臺(tái)CNC 數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)。
圖1 光束擺動(dòng)激光焊接試驗(yàn)示意圖
光束擺動(dòng)對(duì)激光焊接氮?dú)饪子绊懙脑囼?yàn)中，采用的 激光功率為2 400 W，焊接速度為1. 0 m/ min，保護(hù)氣體為N2，軸向氣體流量400 L/ h，環(huán)向氣體流量1 000 L/ h 。光束擺動(dòng)對(duì)激光焊接氬氣孔影響的試驗(yàn)中，采用的激光功率為2 400 W，焊接速度為0. 5 m/ minm和1. 0 m/ min，保護(hù)氣體為Ar，軸向氣體流量400 L/ h，環(huán)向氣體流量1 000 L/ h 。
焊后分析方法主要為用X 射線對(duì)焊縫進(jìn)行無損探傷，觀察焊縫中的氣孔及其分布情況。同時(shí)利用image - pro plus 軟件對(duì)激光焊接焊縫氮?dú)饪茁蔬M(jìn)行了分析。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2. 1 光束擺動(dòng)對(duì)激光焊接氮?dú)饪椎挠绊憟D2 所示的是不同擺動(dòng)規(guī)范下激光焊接焊縫氮?dú)饪浊闆r(X 射線透視圖) 。由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，光束擺動(dòng)可以起到消除氮?dú)饪椎淖饔茫谄渌鼦l件不變的情況下，隨著擺動(dòng)頻率的增加，焊縫中的氣孔減少。
圖2 光束擺動(dòng)對(duì)激光焊接氮?dú)饪椎挠绊?/font>
定義氣孔率Pr 為氣孔面積Ap 所占焊縫上表面面積A w 的比例，即
圖3 所示的是激光擺動(dòng)焊接擺動(dòng)頻率對(duì)氮?dú)饪茁实挠绊懬€。由圖3 可以看出，激光擺動(dòng)焊接擺動(dòng)頻率對(duì)氣孔率的影響與X 射線透視圖的結(jié)果一致，即在擺動(dòng)幅度一定的情況下，隨著擺動(dòng)頻率的增大，激光擺動(dòng)焊接焊縫氣孔率明顯下降，氣孔數(shù)量顯著減少。
圖3 光束擺動(dòng)激光焊接擺動(dòng)頻率對(duì)氮?dú)饪茁实挠绊?/font>
2. 2 光束擺動(dòng)對(duì)激光焊接氬氣孔的影響
在首先進(jìn)行的單面焊和雙面焊的對(duì)比試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)焊縫雙面焊部分氣孔比單面焊部分要多(如圖4 所示)，這是因?yàn)?，雙面焊接時(shí)，第二道焊對(duì)第一道焊縫進(jìn)行了部分重熔，使第一道焊縫中的氣孔中的氣體進(jìn)入第二道焊縫，所以雙面焊部分氣孔增多。因此在光束 擺動(dòng)激光焊接對(duì)焊縫氣孔影響的研究中，均采用雙面焊。
圖4 焊縫單、雙面焊氣孔對(duì)比
2. 2. 1 擺動(dòng)頻率對(duì)激光焊接焊縫氬氣孔的影響
圖5 、6 所示的是光束擺動(dòng)頻率對(duì)激光焊接焊縫氬氣孔的影響(X 射線透視圖)，即在固定其它參數(shù)(激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、擺動(dòng)幅度)，僅改變擺動(dòng)頻率。由圖5 可以看出，在擺動(dòng)幅度為1.0/mm、焊接速度為1. 5 m/ min 的情況下，隨著擺動(dòng)頻率的增大，氣孔減少，其中擺動(dòng)頻率為22 Hz時(shí)，氣孔最少，擺動(dòng)頻率為5 Hz，13 Hz 時(shí)，氣孔也有所減少，但是擺動(dòng)頻率為5 Hz 的焊縫成形不符合要求，不適合實(shí)際應(yīng)用。而由圖6 可知，在擺動(dòng)幅度為1. 0 mm、焊接速度為0. 5 m/ min 時(shí)，隨著擺動(dòng)頻率的增加，氣孔逐漸減少，頻率較高(22 Hz) 時(shí)，焊縫氣孔最少。
圖5 擺動(dòng)頻率與氬氣孔之間的關(guān)系I
圖6 擺動(dòng)頻率與氬氣孔之間的關(guān)系II
綜合上述結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在激光功率、焊接規(guī) 范、擺動(dòng)幅度一定的情況下，擺動(dòng)頻率越高，氣孔越少?？紤]到相同激光功率的情況下，加大擺幅或頻率都會(huì)在一定程度上減小熔深，所以頻率也不宜過高，13 Hz 比較合適。對(duì)于焊接速度較低的情況，需加大擺動(dòng)頻率才能獲得比較滿意的抑制氣孔的效果，則應(yīng)考慮在增大擺動(dòng)頻率的同時(shí)，增加激光功率，以保證一定的熔深。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
2. 2. 2 擺動(dòng)幅度對(duì)激光焊接焊縫氬氣孔的影響
圖7 、8 、9 所示的是光束擺動(dòng)幅度對(duì)激光焊接焊縫氬氣孔的影響(X 射線透視圖)，即在固定其它參數(shù)(激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、擺動(dòng)頻率)，僅改變幅度(激光功率均為2 400 W) 。由圖7 可以看出，在焊接速度較高(1. 5 m/ min)，擺動(dòng)頻率較高(22 Hz) 的情況下，隨著擺動(dòng)幅度的增加，氣孔減少。由圖8 、9 可知，在焊接速度較低(0. 5 m/ min)，擺動(dòng)頻率較小(5 Hz) 的情況下，反而增加了氣孔的形成，擺動(dòng)幅度越大，氣孔越多。而在焊接速度較低(0. 5 m/ min)，擺動(dòng)頻率較高(13 Hz) 的情況下，隨著擺動(dòng)幅度增加，氣孔減少。
圖7 擺動(dòng)幅度與氬氣孔之間的關(guān)系I
圖8 擺動(dòng)幅度與氬氣孔之間的關(guān)系II
圖9 擺動(dòng)幅度與氬氣孔之間的關(guān)系III
總結(jié)上述結(jié)果，可得出擺動(dòng)幅度與焊接速 度、擺動(dòng)頻率之間存在的配合關(guān)系，擺動(dòng)幅度對(duì)于焊接速度較高(1. 5 m/ min) 的情況，擺動(dòng)幅度增加有利于減少氣孔;而對(duì)焊接速度較低(0. 5 m/ min) 的情況，在擺動(dòng)頻率較低時(shí)(5 Hz)，擺動(dòng)幅度增大會(huì)增加氣孔，而在擺動(dòng)頻率較高(13 Hz) 時(shí)，擺動(dòng)幅度增加則有利于減少氣孔。
3 結(jié)論
(1) 光束擺動(dòng)激光焊接可以起到減少和消除氣孔的作用。
(2) 光束擺動(dòng)激光焊接對(duì)氮?dú)饪子酗@著的消除效果。隨著擺動(dòng)頻率的增加，氣孔急劇減少。并且在擺動(dòng)幅度僅為0. 5 mm 的情況下，就可以起到消除氣孔的效果。
(3) 光束擺動(dòng)激光焊接對(duì)于抑制氬氣孔也有一定效果。擺動(dòng)頻率越大，擺動(dòng)幅度越大，對(duì)熔池的攪拌越大，越有利于氣泡的逸出，氣孔越少。但是綜合考慮焊縫成形，在頻率和擺動(dòng)幅度較大的時(shí)候，為了保證熔深，需要適當(dāng)增加激光功率。
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