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 到對焊接熔池提供一個(gè)攪拌力的作用，加大了焊接熔池的對流與攪拌，對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) 對激光焊接焊縫氣孔(氮?dú)饪?、氬氣? 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?，在其它條件不變的情況下，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)對激光焊接氮?dú)饪椎挠绊?/font>