TC4鈦合金光纖激光焊接熔池尺寸與近紅外光信號(hào)之間的關(guān)系

武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 劉 飛 汪選國(guó)

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 段愛琴

鈦合金由于比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、無磁，被廣泛應(yīng)用于航空航天等軍用領(lǐng)域[1]。同時(shí)結(jié)合焊接技術(shù)，以焊代鉚，對(duì)于減輕結(jié)構(gòu)重量和提高飛行速度具有重要作用。與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，激光焊接具有能量集中、焊縫成形好、焊件變形小、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，因而成為鈦合金焊接的主導(dǎo)方向。目前，關(guān)于鈦合金激光焊接的大量研究主要集中于CO2和YAG激光焊，但近年來隨著光纖激光器的高速發(fā)展，光纖激光器以其高效率、大功率、高光束質(zhì)量以及散熱性能好、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為是高速、大深熔焊接最適當(dāng)?shù)臒嵩粗籟2]，得到廣泛關(guān)注和推廣。目前軍用領(lǐng)域?qū)附淤|(zhì)量要求越來越高，鈦合金光纖激光焊接的研究具有重要的研究背景。

在所有熔化焊工藝中，熔池特征決定焊縫成形，熔池形狀尺寸、溫度場(chǎng)和動(dòng)態(tài)變化是影響焊縫內(nèi)在質(zhì)量和外表成形好壞的主要因素[3]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池形貌和穩(wěn)定性對(duì)于指導(dǎo)焊接工藝和保證焊接質(zhì)量具有重要作用。高向東等[4]利用高速紅外攝像儀研究發(fā)現(xiàn)光纖激光焊接中，熔池溫度梯度參數(shù)與激光束和焊縫的偏離程度成線性關(guān)系；P·G·Sanders等[5]利用紅外傳感器發(fā)現(xiàn)熔池紅外光信號(hào)強(qiáng)度與焊接熔深之間具有線性關(guān)系；Yousuke Kawahito等[6]在光纖激光焊接中利用高速攝像研究熔池特征，并利用熔池輻射光和反射光信號(hào)對(duì)焊接過程進(jìn)行反饋控制。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)材料為2.5mm和6.0mm厚TC4。試驗(yàn)設(shè)備有：德國(guó)IPG公司YLS-5000型光纖激光器，最大輸出功率5kW，光斑直徑0.3mm；加拿大Mega Speed Corp.公司Mega MS55K型高速攝像機(jī)，最大像素1280×1024，最高拍攝速度50000f/s；自主研發(fā)的激光焊接光信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文在TC4鈦合金光纖激光焊接過程中，利用光信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集熔池正面近紅外光輻射信號(hào)，以高速攝像機(jī)配合適當(dāng)濾光片為輔助來獲取正面熔池視覺圖像，以此來分析熔池尺寸與光信號(hào)之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 TC4鈦合金光纖激光焊接熔池近紅外光信號(hào)典型特征

圖1（a）為典型的TC4鈦合金光纖激光焊接熔池近紅外光原始信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)原始信號(hào)由直流和波動(dòng)2部分組成。根據(jù)普朗克輻射曲線可知，高溫金屬蒸氣/等離子體在近紅外段同樣具有很高的輻射度，所采集的近紅外光原始信號(hào)不僅來自于熔池，還有一部分來自于金屬蒸氣/等離子體，所以原始信號(hào)直流部分表征熔池的紅外輻射，波動(dòng)部分表征高頻振蕩的金屬蒸氣/等離子體的紅外輻射。

這里對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行低通濾波，去除金屬蒸氣/等離子體的高頻干擾信號(hào)，所得到的濾波信號(hào)與焊縫對(duì)照?qǐng)D如圖1（b）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，熔池的紅外熱輻射明顯具有3個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)焊接過程中的起焊階段、穩(wěn)定焊接階段和收焊階段。起焊階段由于熔池溫度及尺寸逐漸增長(zhǎng)，近紅外光信號(hào)相應(yīng)的逐漸升高；穩(wěn)定焊接階段熔池溫度及尺寸趨于穩(wěn)定，近紅外光信號(hào)平緩增長(zhǎng)，這是處于冷卻過程中的前段焊縫所產(chǎn)生的紅外輻射引起的；收焊階段由于熔池溫度緩慢降低，使近紅外信號(hào)具有同樣變化趨勢(shì)。

圖1 熔池近紅外光原始信號(hào)（P=2500w,v=1m/min）Fig.1 Molten pool near-infrared light original signal（P=2500w,v=1m/min）

2.2 熔池近紅外光信號(hào)與熔池表面尺寸的關(guān)系

保持其他參數(shù)不變（焊接速度為2m/min，離焦量為10mm，保護(hù)氣為Ar），采用不同的激光功率在2.5mm厚TC4平板上進(jìn)行全熔透堆焊試驗(yàn)。圖2所示為整段焊縫經(jīng)低通濾波處理后的熔池近紅外光信號(hào)，圖3為所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定焊接階段熔池圖片。

圖2 整段焊縫熔池近紅外光信號(hào)Fig.2 Molten pool near-infrared light signal of the whole welding seam

圖3 穩(wěn)定焊接段熔池Fig.3 Molten pool image of stable welding segment

截取圖2各光信號(hào)曲線中的穩(wěn)定焊接段，計(jì)算該段信號(hào)均方根值(RMS)以表征熔池近紅外光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度。根據(jù)圖3中的熔池圖片計(jì)算所對(duì)應(yīng)過程的熔池表面尺寸，包括熔池長(zhǎng)度、寬度和熔池面積。兩者與激光功率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同功率下熔池近紅外光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與熔池表面尺寸Fig.4 Near-infrared light signal relative intensities and surface size of molten pool under different power

由圖4可見，在本試驗(yàn)1800～4000w的激光功率范圍內(nèi)，近紅外光信號(hào)強(qiáng)度和熔池長(zhǎng)度、寬度和面積都隨著激光功率的增加先增大后減小，激光功率為3000w時(shí)各參量達(dá)到峰值。因?yàn)樵?800～3000w功率段，焊接熱輸入隨激光功率的提升而增加，熔池面積隨之增大，使熔池近紅外光輻射強(qiáng)度也相應(yīng)增強(qiáng)。當(dāng)激光功率增加到4000w時(shí)，熔池近紅外光信號(hào)和熔池面積不增反降。利用高速攝像拍攝焊縫正背面金屬蒸氣/等離子體，拍攝結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，功率低于3000w時(shí)熔池背面小孔未透，而功率達(dá)到4000w時(shí)焊縫背面存在強(qiáng)烈地飛濺及金屬蒸氣/等離子體噴射，說明小孔穿透熔池。當(dāng)熔池中小孔從非穿透型轉(zhuǎn)變?yōu)榇┩感?，焊接熱傳輸模式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，穿透型小孔使一部分激光能量直接通過小孔從焊縫背面射出而損失掉，導(dǎo)致實(shí)際焊接熱輸入降低。而且，在背面金屬蒸氣/等離子體的噴射力及熔池金屬重力作用下，熔池背面產(chǎn)生大量飛濺，熔池中液態(tài)金屬含量減少，從而導(dǎo)致功率為4000w時(shí)正面熔池尺寸減小。

根據(jù)圖4數(shù)據(jù)，得到圖6所示近紅外光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與熔池表面尺寸的關(guān)系，圖中方框所標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)為功率等于4000w的試驗(yàn)結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)，在小孔未穿透情況下，即本試驗(yàn)中功率小于3000w時(shí)，熔池面積、長(zhǎng)度和寬度與近紅外光信號(hào)具有明顯的線性關(guān)系，擬合所得公式見圖6，基于以上公式可以對(duì)小孔未穿透條件下的焊接熔池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。而在小孔穿透條件下，即本試驗(yàn)中功率為4000w時(shí)，由圖6可知上述公式不再適用。這說明在穿透型小孔與非穿透型小孔條件下，近紅外光信號(hào)強(qiáng)度與熔池表面尺寸之間的關(guān)系式不同。

圖5 不同功率下正背面等離子體Fig.5 Front and back plasma under different power

圖6 近紅外光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與熔池表面尺寸的關(guān)系Fig.6 Relation between near-infrared light signal relative intensities and surface size of molten pool

為獲得穿透型小孔條件下的近紅外光信號(hào)與熔池表面尺寸之間的關(guān)系式，下面在零離焦量參數(shù)下在2.5mm厚TC4平板上進(jìn)行全熔透堆焊試驗(yàn)。不同參數(shù)下正背面等離子體如圖7所示，可知該組試驗(yàn)小孔為穿透型。

圖7 穿孔條件下正背面等離子體Fig.7 Front and back plasma in the condition of perforation

對(duì)于圖7中3組試驗(yàn)，將不同參數(shù)下的近紅外光信號(hào)強(qiáng)度和熔池表面尺寸數(shù)據(jù)列于圖8中?？梢园l(fā)現(xiàn)，近紅外光信號(hào)強(qiáng)度和熔池表面尺寸隨著激光功率的增加而減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于小孔穿透條件下，激光功率密度越大，產(chǎn)生的金屬蒸氣/等離子體越多，噴射力越強(qiáng)，使小孔變大，更多的激光能量經(jīng)小孔從背面射出而損失掉，而且背面飛濺更為激烈，熔池中液態(tài)金屬含量減少。

根據(jù)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得小孔穿透條件下近紅外光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與熔池表面尺寸的關(guān)系式如圖9所示。與小孔未穿透情況下比較發(fā)現(xiàn)，小孔穿透時(shí)近紅外光信號(hào)強(qiáng)度與熔池尺寸的關(guān)系式斜率更大，這種差異很可能是由正面金屬蒸氣/等離子體所輻射的紅外光干擾所致。

圖8 穿孔條件下不同功率熔池近紅外光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與熔池表面尺寸Fig.8 Near-infrared light signal relative intensities and surface size of molten pool under different power in the condition of perforation

圖9 穿孔條件下近紅外光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與熔池表面尺寸的關(guān)系Fig.9 Relation between near-infrared light signal relative intensities and surface size of molten pool in the condition of perforation

2.3 熔池近紅外光信號(hào)與熔深的關(guān)系

保持激光功率4800w不變，采用不同的焊接速度在6.0mmTC4平板上進(jìn)行未熔透堆焊試驗(yàn)，穩(wěn)定焊接階段焊縫橫截面如圖10所示。

測(cè)量圖10中各焊縫熔深，并計(jì)算對(duì)應(yīng)焊接過程穩(wěn)定焊接階段的近紅外光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度，熔深與近紅外光信號(hào)之間的變化規(guī)律如圖11所示。近紅外光信號(hào)強(qiáng)度隨著熔深的增大而增加，二者之間呈現(xiàn)較為明顯的二次曲線關(guān)系。因此，在一定工藝范圍內(nèi)，利用近紅外光信號(hào)對(duì)焊接熔深進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或控制是可行的。

圖10 焊縫橫截面Fig.10 Weld cross section

圖11 近紅外光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與熔深的關(guān)系Fig.11 Relation between near-infrared light signalrelative intensities and penetration

3 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)條件下，近紅外光信號(hào)強(qiáng)度與熔池表面尺寸之間存在線性關(guān)系，在穿透型與非穿透型小孔條件下，二者之間的線性關(guān)系式不同。

（2）本試驗(yàn)條件下，近紅外光信號(hào)強(qiáng)度與熔深之間存在較為明顯的二次曲線關(guān)系。

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