光纖激光焊接工藝參量對底部駝峰的影響

周 聰，夏海龍，陳根余，李時春，黎長鄒

(1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點試驗室，長沙410082;2.湖南大學 激光研究所，長沙410082)

引 言

近年來高功率光纖激光器的出現和發展，使高功率光纖激光焊接技術在制造業中得到越來越廣泛的研究與應用［1-2］。對于高功率密度和高能量輸入的光纖激光焊接中厚板，其焊接過程中細長小孔和熔池的形成比薄板焊接更加復雜多變，且更加難以穩定維持力的平衡，以致焊縫難以成型容易產生表面塌陷和底部駝峰焊接缺陷，導致后續加工量加大，影響焊縫的外觀形貌，并且在很大方面影響焊縫的性能［3-4］。

近年來，國內學者PEI［5-6］等人研究了光纖激光薄板上表面駝峰焊道及其影響因素，但此類研究僅僅集中在薄板上表面駝峰，而薄板激光焊接過程中并不會出現底部駝峰焊道現象;國外學者NORMAN，ILAR和HAUG等人［7-9］對光纖激光焊接過程中底部駝峰的試驗現象采用高速攝像技術進行了初步的試驗觀測，分析指出焊縫底部駝峰和上表面高速駝峰焊道的形成有著本質的區別。截止到目前，國內還沒有見到激光焊接底部駝峰形成的試驗研究，國外研究正處于進一步研究狀態。為了能夠實現高質高效的光纖激光焊接中厚板，深入了解分析其工藝參量對底部駝峰形成傾向的影響非常有必要。

作者采用光纖激光焊接厚度為5mm的SUS 304不銹鋼鋼板，實驗過程中，維持上表面保護氣體流量及其吹氣角度不變，采用改變單一變量的方法，研究了激光功率、焊接速率、離焦量、下表面保護氣體流量和焊接方位的變化對底部駝峰傾向的影響。試驗研究表明，合理的工藝措施可有效抑制底部駝峰的產生，改善焊縫質量。對光纖激光焊接底部駝峰的產生具有參考價值。

1 實驗材料、設備和方法

實驗中采用的是厚度為5mm的SUS 304不銹鋼板，它是一種常見的不銹鋼，其GB牌號為0Cr18Ni9。其中試驗材料尺寸為100mm×60mm×5mm，化學成分如表1所示。焊接過程中上、下表面均采用Ar保護，上表面保護氣流量固定為20L/min，側吹角度30°不變。實驗參量變化如表2所示。

Table 1 Chemical composition and mass fraction of 304 stainless steel

Table 2 Parameters of experiments

實驗設備采用IPG公司生產的YLR-4000-C-WA光纖激光器、IRB2400六軸機器人及YW50焊接頭。光纖激光器最大輸出功率為4.0kW，連續輸出，輸出模式為TEM00，激光發射波長為1.07μm。操作光纖的芯徑為 400μm，激光通過光纖傳遞，經過焦距為150mm透鏡后準直為平行光，再通過焦距為200mm的聚焦鏡最后得到聚焦光斑直徑為0.533mm。焊接試驗前使用丙酮嚴格清洗去除試件表面油污。實驗裝置示意圖如圖1所示。

Fig.1 Schematics of the experimental set-up

實驗方法如下:取焊縫中部4cm長的部分作為測量區域，采用百分表測量其中每個駝峰的高度最大值，每個駝峰測量3組數據，取平均值作為這組參量下底部駝峰的高度。統計測量區域底部駝峰的數量n，并量出測量區域內第1個和最后一個底部駝峰的距離d，計算出駝峰間距d/(n－1)，測量3組數據，然后取均值作為這組參量下底部駝峰的間距。

2 焊接參量對底部駝峰形成的影響

底部駝峰是焊接過程中熔池出現下掉現象，在試件底部堆積形成。其中，底部駝峰高度越高，間距越小，駝峰傾向越大。

2.1 激光功率

圖2所示是焊接工藝參量:離焦量為0mm，焊接速率為1.5m/min，上表面采用Ar氣側吹保護，流量為20L/min都保持不變，激光功率從3.4kW～4.0kW變化時焊縫上下表面的形貌。從圖中可以看出，試件在激光功率為3.5kW時，焊縫開始出現底部駝峰，且此時上表面呈現不均勻的塌陷現象，這是由于在焊接過程中，當熔池處于適度熔透時，熔池在自身重力作用下導致上表面塌陷較為嚴重，當熔池處于未熔透時，塌陷不明顯;隨著激光功率的繼續增大，熔池適度熔透，焊縫上表面出現均勻塌陷。

Fig.2 Surface appearance of welding under different laser power

Fig.3 Curves of root hump tendency under different laser power

圖3是不同激光功率下的底部駝峰傾向變化曲線，由圖可知，隨著激光功率的增加，底部駝峰高度呈現出先增大后減小的趨勢，即駝峰傾向先增大后減小。當激光功率從3.5kW增大到3.7kW時，駝峰高度變大，在功率為3.7kW時駝峰達到最大高度2.21mm;由于隨著激光功率的增大熱輸入量增加，熔池體積增加，在自身重力作用下，熔融金屬向下流動并在底部積聚導致底部駝峰高度增加。當激光功率進一步加大時，駝峰高度減小，由于熱輸入量增加，焊道變寬，駝峰形成后不能迅速凝固，液態金屬回流導致底部駝峰高度變小，液態金屬回流使得駝峰長度增加，從圖2可以看出駝峰長度(圖中標出)沿著焊接速率方向變長。另外，隨著激光功率的增加，底部駝峰間距呈現先減小后增大最后基本不變的趨勢，即駝峰傾向先增大后減小。激光功率為3.6kW時，駝峰間距最小為7.6mm;當功率是3.8kW時，駝峰間距達到最大值12.8mm。激光功率為3.5kW時駝峰間距明顯大于功率為3.6kW時，這是由于功率為3.5kW時，熔池處于適度熔透和未熔透之間，在其未熔透部分不能形成駝峰，從而間距明顯大于3.6kW時;當激光功率增大到3.8kW時，駝峰間距明顯變大;繼續增大激光功率時，間距變化不大。因此，底部駝峰傾向隨著激光功率的加大呈現先增大后減少的趨勢。

2.2 焊接速率

圖4所示是焊接工藝參量:激光功率為4kW，離焦量為0mm，上表面采用Ar氣側吹保護，流量為20L/min都保持不變，焊接速率從 1.2m/min～2.4m/min變化時焊縫上下表面的形貌及底部駝峰傾向。焊接速率為1.2m/min時，下表面焊縫均勻凸起高度達到0.63mm;當焊接速率從 1.5m/min 變化到 2.1m/min時，出現底部駝峰;在焊接速率為2.4m/min時，試件未熔透。

焊接速率從1.5m/min增大到1.8m/min時，底部駝峰高度增加。焊接速率為1.8m/min時，駝峰高度為2.15mm，甚至超過板厚的2/5，嚴重影響焊縫成型質量。激光深熔焊接過程中，小孔前沿孔壁向焊接速率反方向傾斜［10-11］，且隨著焊接速率加大，傾斜角度加大［12］。當焊接速率從 1.5m/min增加到 1.8m/min時，由于小孔前沿孔壁傾斜角度加大，導致前沿熔融金屬流速向焊接速度反方向分量增加，向后流動的金屬在重力和表面張力的作用下匯聚形成底部駝峰，因此駝峰高度增加。小孔前沿孔壁上存在向下移動液體臺階［13-14］，液體臺階隨速度的增大而變小，當焊接速率繼續增大到2.1m/min時，激光輻照到液體臺階的面積減小，熔融金屬蒸發反沖壓力減小，進而小孔前壁液態金屬流動速度減小，減緩液態金屬向后流動匯聚成

Fig.4 Surface appearance and root hump tendency of welding under different welding speeds

駝峰，因此駝峰高度降低，另外焊接速率的加大使得熔融金屬體積減少，熔池自身重力減小，這也導致了駝峰高度的降低。駝峰間距隨著焊接速度的增加而減小。當焊接速率增大時，整個熔池體積變小，焊縫變窄，熔池焊道迅速凝固，把熔池分為兩部分，從而駝峰形成時間間隔變短導致駝峰間距變小。

2.3 離焦量

圖5所示是焊接工藝參量:激光功率為4kW，焊接速率為1.8m/min，上表面采用Ar氣側吹保護，流量為20L/min都保持不變，離焦量從－4mm到+4mm時焊縫形貌變化時焊縫上下表面的形貌及底部駝峰傾向。從圖5可以看出，在離焦量是+4mm時，試件未熔透，并且離焦量為+4mm和－4mm時，試件的焊縫形貌差別很明顯，雖然激光照射到試件表面光斑面積大小相等，即功率密度相等，但離焦量為負時，激光作用于試件表面和小孔內部的能量密度更高，輸入到小孔內部的激光能量也越高。由此可知離焦量是影響焊縫熔深的一個重要因素。圖5中隨著離焦量從+2mm變為－2mm時，駝峰高度基本上不變，駝峰間距稍有減小，離焦量在0mm附近時底部駝峰高度較大，間距較小，即駝峰傾向較大。當離焦量為－4mm時，可以看出上下表面成型比較良好，可見焦平面靠近工件下表面時容易獲得成型良好的焊縫形貌。

Fig.5 Surface appearance and root hump tendency of welding under di-fferent defocuses

2.4 下表面保護氣體流量

圖6所示是焊接工藝參量:激光功率為4kW，離焦量為0mm，焊接速率為1.5m/min，上表面采用Ar氣側吹保護，流量為20L/min都保持不變，下表面保護氣體流量從5L/min變化到25L/min過程中焊縫上下表面的形貌。圖7是不同下表面保護氣體流量下的底部駝峰傾向變化曲線。

Fig.6 Surface appearance of welding under different flow rates of bottom shielding gas

Fig.7 Curves of root hump tendency under different flow rates of bottom shielding gas

結合圖6和圖7可以看出，隨著下表面保護氣體流量的加大，底部駝峰高度先減小后加大，駝峰間距先加大后減小，即駝峰傾向先減少后增大;且圖6中下表面保護氣體流量為5L/min時比圖4中v=1.8m/min時底部駝峰傾向減小;在下表面保護氣體流量沒有超過15L/min時，保護氣體使得焊縫底部熔池的表面張力增加，克服自身重力從而將金屬液體拉回熔池內部。當下表面保護氣體流量過大時，駝峰傾向顯著增加，在保護氣流量為25L/min時，駝峰高度甚至達到了2.32mm，駝峰傾向比沒有下表面保護氣體時更加明顯。這主要是由于過大的底部氣體流量影響底部熔池的溫度場，引起熔池表面張力梯度變化導致液態金屬向熔池尾部流動匯集，并且過大的底部氣體流量加速了底部駝峰冷卻凝固過程，導致在表面張力作用下無法及時將駝峰內金屬液體拉回內部熔池。

2.5 焊接方位

圖8所示是焊接工藝參量:激光功率為4kW，焊接速率為1.8m/min，離焦量為0mm，上表面采用Ar氣側吹保護，流量為20L/min都保持不變，采用下坡焊，焊接方位從平焊(試件水平夾緊放置)到立焊(試件豎直夾緊放置)變化時焊縫上下表面的形貌。試件與水平面所夾的銳角為下坡焊的角度，其焊接過程中始終保持激光束與試件表面垂直。從圖4中v=1.8m/min時底部駝峰外觀可以看出駝峰最高位置處在整個駝峰中間位置，然而采用下坡焊和立焊時，駝峰的最高位置(如圖8中A所示)沿著焊接方向發生偏移，如圖8中間白色線所示在焊縫長度方向偏移。

Fig.8 Surface appearance of welding under different angles

圖9是不同焊接方位下的底部駝峰傾向變化曲線。圖10是底部駝峰受力分析示意圖，其中mg為駝峰及熔池重力，F為熔池表面張力，與試件的夾角為γ。隨著角度α變大，底部駝峰高度顯著減小，當采用立焊時駝峰高度為1.29mm，主要是由于焊縫熔池的重力沿激光束的入射方向的分量mgcosα減小，熔池表面張力克服重力的分量將駝峰內部分液態金屬拉回熔池;另一方面，由于重力沿焊接方向的分量mgsinα變大，在一定程度上延緩向尾部流動的熔池，這都導致底部駝峰高度減小。隨著角度的增加，駝峰間距先加大后稍有減小，在角度為45°時，間距達到12.2mm;隨著角度α的加大，重力在F方向上的分量mgsin(α+γ)增加，即F－mgsin(α+γ)減小，使得底部液態金屬向熔池尾部流動速度變慢，減緩了底部駝峰的形成，從而間距加大。但當α+γ＞π/2時，隨著α+γ增大，分量mgsin(α+γ)減小，即F－mgsin(α+γ)變大，減少了對底部熔池流動的抑制，底部液態金屬向熔池尾部流動速度變快，加速駝峰的形成。

Fig.9 Curves of root hump tendency at different angles

Fig.10 Stress diagram of root hump

3 底部駝峰焊縫橫截面形貌及參量優化后焊縫成型

3.1 駝峰焊縫橫截面形貌

Fig.11 Microstructure of root hump of welding seam

圖11底部駝峰焊縫微觀結構，圖中白色箭頭方向表示晶粒生長方向。圖11a是焊縫全貌;圖11b中熔合區兩側對稱分布柱狀晶，中間為等軸晶，這主要是由于焊縫凝固過程中，固液界面不斷向焊縫中心移動導致熔合區兩側溫度梯度變小，熔池減小導致冷卻速度加大，而溫度梯度大冷卻速度小有助柱狀晶形成生長，溫度梯度小冷卻速度大有助等軸晶形成生長;由圖11c可以看出激光焊熱影響區小，柱狀晶接近垂直于母材和熔合區的分界線;底部駝峰區域依附于焊縫柱狀晶，向駝峰內部生長;圖11d中焊縫晶粒向駝峰內生長的方向為r、駝峰中部晶粒生長的方向為s和駝峰內對稱晶粒生長的方向為t。由此可知，駝峰內晶粒依附于焊道內的柱狀晶和等軸晶向駝峰內部生長。

3.2 參量優化后焊縫成型

基于上述研究，優化工藝參量如下:激光功率為4kW，焊接速率為1.8m/min，離焦量為－4mm，保護氣為Ar，上表面流量20L/min，下表面流量15L/min，采用60°下坡焊焊接，焊縫形貌如圖12所示。圖12a、圖12b是焊縫表面形貌，可知焊縫下表面無駝峰形成且焊縫表面成型良好;圖12c是焊縫橫截面，焊縫較窄且基本呈現對稱分布。

Fig.12 Welding appearance

4 結論

(1)隨著激光功率的增加，底部駝峰傾向呈現先增大后減少的趨勢。隨著焊接速率的增加，底部駝峰高度先增加后減小，駝峰間距顯著減小。離焦量在0mm附近時，底部駝峰傾向較大;當焦平面接近試件下表面時，焊縫成型良好。

(2)適當的下表面保護氣體流量可有效減小底部駝峰傾向，最佳流量為15L/min;過大的下表面保護氣體流量增加底部駝峰傾向，在流量為25L/min時，駝峰高度甚至達到了2.32mm。適當地改變焊接方位有助于減小底部駝峰傾向。

(3)優化的工藝參量如下:激光功率為4kW，焊接速率為1.8m/min，離焦量為 －4mm，保護氣為 Ar，上表面流量為20L/min，下表面流量為15L/min，采用60°下坡焊焊接，可有效抑制底部駝峰的產生，改善焊縫質量，減小焊接后續加工量。

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