30 kW光纖激光焊接鋁合金離焦量對(duì)匙孔行為的影響

聶鑫，楊義成，黃瑞生，周軍，蔣寶

(哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

同千瓦級(jí)激光焊接相比，萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接由于功率密度的顯著提高，在液態(tài)熔池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生了一個(gè)更加細(xì)長(zhǎng)的匙孔，增加了焊接過(guò)程的復(fù)雜性和匙孔的不穩(wěn)定性，使焊縫產(chǎn)生多種缺陷[1-3]。焊接過(guò)程中熔池的穩(wěn)定流動(dòng)直接影響到焊縫的成形質(zhì)量，而匙孔的穩(wěn)定程度又是決定深熔激光焊接熔池穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[4-5]。為研究工藝參數(shù)對(duì)匙孔行為的影響，黃瑞生等人[6-8]利用高速攝像觀察了激光-電弧復(fù)合焊接、激光-電弧復(fù)合填絲焊接對(duì)匙孔開口面積的影響，分析了焊接工藝參數(shù)對(duì)匙孔開口面積的影響。研究結(jié)果表明，千瓦級(jí)激光功率下，正離焦時(shí)可獲得開口面積較大的匙孔，此時(shí)對(duì)應(yīng)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性也得到了明顯改善，焊縫內(nèi)部氣孔率顯著降低。激光功率提高時(shí)，Jiang等人[9]用10 kW光纖激光進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接鋁合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，零離焦量下可獲得較好的焊縫熔深以及焊接成形。這說(shuō)明萬(wàn)瓦級(jí)大功率激光焊接的成形過(guò)程同千瓦級(jí)激光焊接相比存在較大差異。近年來(lái)，隨著高功率激光器制造技術(shù)的不斷提升，高功率激光焊接技術(shù)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。Zhang等人[10]采用萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接技術(shù)對(duì)厚板不銹鋼進(jìn)行了焊接，結(jié)果表明在厚板的高功率光纖激光焊接中，焦點(diǎn)位置對(duì)焊縫成形有很大影響。Li等人[11]利用“三明治”方法研究了萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接不銹鋼時(shí)的匙孔行為，其認(rèn)為金屬蒸氣對(duì)匙孔壁壓力的波動(dòng)是導(dǎo)致匙孔壁波動(dòng)變化的重要原因。目前關(guān)于萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接的研究主要圍繞高強(qiáng)鋼、不銹鋼、低合金船用鋼等材料進(jìn)行開展[12-15]，而針對(duì)鋁合金萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接的相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道，而認(rèn)識(shí)萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接鋁合金缺陷的形成原因，并找到抑制措施是厚壁構(gòu)件鋁合金超高功率焊接走向工程化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

為探究萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接鋁合金時(shí)焊縫表面成形差的原因，使用高速攝像對(duì)30 kW級(jí)鋁合金激光焊接熔池進(jìn)行拍攝，分析離焦量對(duì)匙孔穩(wěn)定性和熔池流動(dòng)特性的影響，建立焊接工藝參數(shù)與焊縫成形的關(guān)系，加深對(duì)超高功率激光焊接過(guò)程行為的認(rèn)識(shí)，為萬(wàn)瓦級(jí)高功率激光焊接技術(shù)在厚壁鋁合金焊接領(lǐng)域的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為Al-Mg系的5A06鋁合金，其化學(xué)成分見表1。試板尺寸為300 mm×130 mm×40 mm，采用平板堆焊方法。在焊接之前對(duì)試板進(jìn)行去氧化膜處理，并用酒精清洗表面去除油污。

表1 5A06鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),﹪)

焊接試驗(yàn)使用的激光器為YLS-30000激光器，最大輸出功率為30 kW，為連續(xù)輸出光纖激光器。采用iSpeed高速攝像機(jī)對(duì)焊接過(guò)程中的匙孔特征進(jìn)行拍攝，采集頻率為4 000 frames/s。使用波長(zhǎng)為808 nm的半導(dǎo)體激光器照亮焊接區(qū)域，焊接過(guò)程如圖1所示。焊接工藝參數(shù)見表2。

圖1 焊接系統(tǒng)示意圖

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 30 kW激光焊接鋁合金存在的問題

零離焦、激光輸出功率30 kW時(shí)，鋁合金激光焊接匙孔不同時(shí)刻的圖像如圖2所示。t0時(shí)刻匙孔后側(cè)的液態(tài)金屬出現(xiàn)上涌現(xiàn)象；隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，在t0+ 75 ms匙孔后側(cè)的液態(tài)金屬形成液柱，并伴隨飛濺的產(chǎn)生；由于強(qiáng)烈的金屬蒸氣對(duì)匙孔內(nèi)壁切應(yīng)力的作用，在t0+ 157 ms時(shí)匙孔后壁再次形成較大的液柱；當(dāng)液柱在重力和表面張力的作用下回落到液態(tài)熔池中后，匙孔會(huì)在一個(gè)較短的時(shí)間段內(nèi)維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖2d和圖2e所示；但是，這種穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間較短，在某一個(gè)瞬間匙孔開口面積會(huì)出現(xiàn)瞬間擴(kuò)大現(xiàn)象，如圖2f所示。從以上過(guò)程可以推斷，30 kW激光焊接鋁合金匙孔的穩(wěn)定性較差。

為了定量表征30 kW激光焊接過(guò)程中匙孔的穩(wěn)定性，間隔選取共0.6 s時(shí)間內(nèi)的匙孔開口面積大小進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如圖3所示。匙孔開口面積大部分時(shí)間都在小范圍內(nèi)波動(dòng)，而標(biāo)記b處的面積明顯大于其它時(shí)刻匙孔的開口面積，其匙孔特征如圖2b所示，此時(shí)匙孔后端液體熔池穩(wěn)定流動(dòng)的特點(diǎn)受到了干擾。

圖2 30 kW激光焊接鋁合金不同時(shí)刻的熔池特征

圖3標(biāo)記的b時(shí)間段內(nèi)匙孔開口面積擴(kuò)大的具體變化過(guò)程，如圖4所示。在t1到t1+ 12.5 ms的時(shí)間段內(nèi)，匙孔附近液態(tài)金屬在金屬蒸氣高速噴出的過(guò)程中向上流動(dòng)，伴隨著匙孔開口面積不斷增大；在t1+16.25ms時(shí)，匙孔開口面積增加到最大值；隨后在較短的時(shí)間里液態(tài)熔池上涌匯聚形成的液柱回落到熔池中，在t1+ 18.75 ms時(shí)段，這會(huì)對(duì)液態(tài)金屬的流動(dòng)產(chǎn)生較大干擾，同時(shí)增加了匙孔的不穩(wěn)定性。這種失穩(wěn)現(xiàn)象會(huì)直接影響到熔池尾部金屬的流動(dòng)和凝固行為，對(duì)焊縫成形過(guò)程的均勻性和一致性產(chǎn)生不利影響。

圖3 匙孔開口面積隨時(shí)間的變化

圖4 匙孔突變時(shí)連續(xù)時(shí)段熔池高速攝像

匙孔是深熔激光焊接的典型特征，其穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量之間存在緊密聯(lián)系。對(duì)零離焦，30 kW激光焊接匙孔行為的分析可以看出，超高功率激光焊接時(shí)匙孔的穩(wěn)定性相對(duì)較差，如何優(yōu)化焊接工藝，提高匙孔穩(wěn)定性，是改善超高功率激光焊接鋁合金焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.2 離焦量對(duì)匙孔行為的影響

為了探明離焦量對(duì)30 kW激光焊接鋁合金時(shí)匙孔特性的影響，找到焊接工藝的優(yōu)化方向，分別研究了正離焦量和負(fù)離焦量時(shí)的匙孔行為。

2.2.1正離焦時(shí)的匙孔行為

圖5為+20 mm離焦量下熔池高速攝像，在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)拍攝記錄下的匙孔演化過(guò)程。可以看出，t2時(shí)刻入射激光在液態(tài)金屬中的輻照區(qū)域大小和匙孔面積相差不大；在金屬蒸氣反沖作用力下，匙孔后壁上方的液態(tài)金屬向后流動(dòng)，匙孔尺寸逐漸擴(kuò)大，在t2+ 6.5 ms時(shí)，匙孔開口面積顯著增加，甚至可以看到一定深度范圍內(nèi)的匙孔后壁。匙孔顯著擴(kuò)張伴隨著大量液態(tài)金屬向熔池后方流動(dòng)，隨后在金屬蒸氣流減弱和重力的作用下，匙孔在t2+ 14 ms以后逐漸變小，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約30 ms。

圖5 +20 mm離焦量下熔池高速攝像

圖6為離焦量+10 mm時(shí)，匙孔動(dòng)態(tài)行為的演化過(guò)程，可以看出在這一時(shí)間段內(nèi)，匙孔行為和離焦量為+20 mm時(shí)基本一致，匙孔附近的液態(tài)金屬在金屬蒸氣的反沖作用力下形成液柱和飛濺，匙孔一直處于收縮-擴(kuò)張的動(dòng)態(tài)變中。

同樣，對(duì)正離焦量下0.6 s時(shí)間段內(nèi)匙孔開口面積進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖7所示。其中，圖7中的時(shí)間段1表示的是圖6的匙孔擴(kuò)張過(guò)程中匙孔開口面積的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程；而圖7中的時(shí)間段2則表示的是離焦量為+20 mm時(shí)，圖5的匙孔變大過(guò)程中開口面積的變化過(guò)程。可以看出，離焦量+10 mm和+20 mm時(shí)，激光焊接鋁合金匙孔的開口面積一直處于頻繁波動(dòng)狀態(tài)。

圖6 +10 mm離焦量下熔池高速攝像

圖7 正離焦量匙孔面積隨時(shí)間的變化

2.2.2負(fù)離焦時(shí)的匙孔行為

圖8為-10 mm離焦量下熔池高速攝像，在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)拍攝記錄下的匙孔演化過(guò)程。在時(shí)刻t4+5 ms時(shí)，匙孔后方液態(tài)金屬出現(xiàn)明顯的上涌現(xiàn)象，隨后t4+ 6.25 ms由于金屬蒸氣的作用下液態(tài)金屬向四周散開，在t4+ 13.75 ms產(chǎn)生大量飛濺，此時(shí)匙孔開口面積達(dá)到最大值；t4+ 21.25 ms液態(tài)金屬散開后由于重力的作用開始回落，匙孔面積也隨之變小。

圖8 -10 mm離焦量下熔池高速攝像

圖9為-20 mm離焦量下熔池高速攝像，整個(gè)焊接過(guò)程匙孔開口面積也會(huì)不斷的出現(xiàn)擴(kuò)大-收縮現(xiàn)象，但是匙孔周圍未發(fā)現(xiàn)較大液柱的形成，且整個(gè)焊接過(guò)程中飛濺的程度較小，整個(gè)擴(kuò)大和縮小的過(guò)程僅持續(xù)10 ms左右。

同樣，選取0.6 s時(shí)間對(duì)匙孔的開口面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)量，結(jié)果如圖10所示。其中，圖10標(biāo)記的時(shí)間段3代表圖8中匙孔擴(kuò)張過(guò)程中開口面積的變化過(guò)程；時(shí)間段4代表的是圖9的匙孔擴(kuò)張過(guò)程開口面積的變化過(guò)程。結(jié)合圖7和圖10可以看出，同離焦量+20 mm和+10 mm相比，離焦量-10 mm和-20 mm時(shí)匙孔擴(kuò)張-收縮過(guò)程中面積的整體波動(dòng)較小，出現(xiàn)匙孔開口面積突然擴(kuò)大的幾率也顯著降低，且匙孔擴(kuò)大后會(huì)以很快的速度迅速恢復(fù)到相對(duì)穩(wěn)定的形狀。

圖9 -20 mm離焦量下熔池高速攝像

圖10 負(fù)離焦量匙孔開口面積隨時(shí)間的變化

為了定量分析離焦量對(duì)30 kW激光焊接鋁合金過(guò)程中匙孔開口面積波動(dòng)程度的影響規(guī)律，分別計(jì)算了離焦量為+20 mm，+10 mm，0 mm，-10 mm和-20 mm時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)方差，其計(jì)算結(jié)果如圖11所示。從整體上分析，正離焦焊接時(shí)匙孔開口面積的標(biāo)準(zhǔn)方差均要大于負(fù)離焦的，這意味著隨著離焦量的逐漸增加，匙孔的波動(dòng)程度整體上呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，這與離焦量變化時(shí)焊縫成形質(zhì)量的變化趨勢(shì)一致。由此也可以推斷30 kW激光焊接鋁合金時(shí)，匙孔穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量之間存在密切聯(lián)系。

圖11 不同離焦量下匙孔開口面積標(biāo)準(zhǔn)方差

2.3 離焦量對(duì)焊縫成形的影響

不同正、負(fù)離焦量下鋁合金焊縫表面成形的影響如圖12所示。可以看出，正離焦時(shí)，試板表面產(chǎn)生大量飛濺，咬邊現(xiàn)象嚴(yán)重，一致性較差。負(fù)離焦時(shí)，焊縫表面的飛濺和咬邊現(xiàn)象得到一定程度的改善，其中，離焦量-20 mm時(shí)，咬邊和焊縫中心區(qū)域存在凹陷的情況得到很好的抑制。

圖12 30 kW光纖激光焊接鋁合金焊縫表面成形

結(jié)合2.2.1中對(duì)匙孔動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的分析可以看出，30 kW高功率激光焊接鋁合金，當(dāng)激光束的焦點(diǎn)位置位于試板表面以上時(shí)，匙孔后壁的液態(tài)金屬極易形成液柱。這是由于相對(duì)于常規(guī)千瓦級(jí)激光焊接而言，30 kW激光焊接的功率密度幾乎提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，致使瞬態(tài)下激光輻照區(qū)域發(fā)生汽化現(xiàn)象的程度更加劇烈，由此產(chǎn)生的金屬蒸氣會(huì)劇烈沖擊匙孔后壁，在切向反沖作用力的作用下，匙孔附近的液態(tài)金屬會(huì)向上涌起、匯聚，進(jìn)而形成液柱，如圖13所示。液柱回落過(guò)程中會(huì)對(duì)液態(tài)熔池產(chǎn)生沖擊作用，對(duì)匙孔穩(wěn)定維持和液態(tài)熔池的穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生干擾，使焊接過(guò)程極易形成飛濺，焊縫成形質(zhì)量也較差。

圖13 正離焦量下匙孔及熔池特征

離焦量對(duì)焊縫熔深熔寬的影響，如圖14所示。當(dāng)離焦量由+20 mm變?yōu)? mm時(shí)，熔寬變窄的同時(shí)熔深變深；當(dāng)離焦量變由0 mm變?yōu)?20 mm時(shí)熔深、熔寬變化不明顯。當(dāng)離焦量為-20 mm時(shí)，焊縫熔深可達(dá)29 mm，如圖15所示。

圖14 離焦量對(duì)焊縫熔深和熔寬的影響

圖15 -20 mm離焦量時(shí)焊縫橫截面形貌

3 結(jié)論

(1)30 kW光纖激光焊接鋁合金時(shí)，離焦量對(duì)匙孔行為影響較大，當(dāng)離焦量由正變負(fù)時(shí)，焊縫表面金屬填充不足和咬邊等缺陷得到明顯改善。離焦量為-20 mm時(shí)，焊縫熔深可以達(dá)到29 mm。

(2)30 kW鋁合金深熔激光焊接匙孔的擴(kuò)張過(guò)程伴隨著液態(tài)金屬后流及液柱的長(zhǎng)大和飛濺的形成。正離焦同負(fù)離焦相比，負(fù)離焦焊接匙孔開口面積的波動(dòng)程度較低，液態(tài)金屬匯聚形成液柱的趨勢(shì)和飛濺數(shù)量也相對(duì)較小。

(3)液柱的形成和回落過(guò)程會(huì)對(duì)液態(tài)熔池的穩(wěn)定流動(dòng)造成不利影響。正離焦和負(fù)離焦相比，液態(tài)金屬匯聚形成液柱的體積較大，匙孔擴(kuò)張-收縮過(guò)程維持時(shí)間也較長(zhǎng)，+20 mm離焦量時(shí)約為30 ms，回落過(guò)程對(duì)熔池流動(dòng)的干擾也隨之增大，焊縫成形質(zhì)量較差；而負(fù)離焦時(shí)液柱維持時(shí)間較短，-20 mm離焦量時(shí)約為 10 ms，液柱體積也相對(duì)較小，對(duì)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性影響較小。