空間發(fā)動(dòng)機(jī)激光焊功率閾值研究

宋 凡, 張祎玲, 林嘉偉, 周宇浩

(上?？臻g推進(jìn)研究所, 上海 201112)

0 引言

激光焊接技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于空間發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門和推力室等組件的生產(chǎn)過程，而根據(jù)熔池中是否出現(xiàn)匙孔可將激光焊分為熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種模式，這兩種模式發(fā)生轉(zhuǎn)變的特定功率范圍稱為激光焊功率閾值區(qū)間，該閾值區(qū)間與焊接速度、離焦量、光束質(zhì)量、保護(hù)氣參數(shù)等多種因素有關(guān)。采用理論分析與工藝試驗(yàn)的方法研究了各類工藝參數(shù)對功率閾值區(qū)間的定量化影響規(guī)律，以求得到應(yīng)用于空間發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)激光焊工藝規(guī)范。

1 空間發(fā)動(dòng)機(jī)激光焊接要求

空間發(fā)動(dòng)機(jī)常用材料之一為GH3128高溫合金，其主體推力室的激光焊簡化結(jié)構(gòu)見圖1。焊后需對焊縫進(jìn)行氣孔缺陷、抗拉強(qiáng)度、爆破性能、耐壓性能和氦氣漏率等多項(xiàng)檢查，具體技術(shù)要求見表1。

圖1 推力室結(jié)構(gòu)示意圖

表1 推力室激光焊接技術(shù)要求

2 激光焊接原理與工藝試驗(yàn)

激光加熱材料的效率通常使用激光功率密度Ek的概念來描述，其定義為：

(1)

式中：P為激光功率，W；v為焊接速度，mm/s；S為光斑面積，mm2。

焊接速度v和光斑面積S為設(shè)定值時(shí)，激光功率P即為決定Ek的唯一因素。研究結(jié)果表明：當(dāng)Ek在102～104W/mm2范圍內(nèi)時(shí)，金屬材料表層發(fā)生少許熔化形成穩(wěn)定熱導(dǎo)焊；當(dāng)Ek達(dá)到104～105W/mm2范圍內(nèi)時(shí)，金屬材料表層偶爾會直接發(fā)生氣化，蒸氣的反沖力使液態(tài)熔池凹陷成孔，即形成時(shí)深時(shí)淺的不穩(wěn)定過渡焊；當(dāng)Ek大于105W/mm2時(shí)，汽化的金屬量和蒸氣的反沖力都大幅增加，匙孔穩(wěn)定形成且深度不斷增加，此時(shí)光束在匙孔內(nèi)壁多次向縱深反射，工件對光能的吸收比例大幅提高，從而形成穩(wěn)定的深熔焊接過程[1]；過渡焊接段的功率范圍即為激光焊的“閾值區(qū)間”。

為了探究焊接速度v對閾值區(qū)間的影響程度，我們在20～60 mm/s范圍內(nèi)選取五個(gè)典型的速度值，即v=20，30，40，50和60 mm/s，在Φ40×4 mm 的GH3128空心圓筒上進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。測量并記錄各條焊縫橫截面的深寬尺寸，所得焊接速度與閾值區(qū)間的關(guān)系曲線見圖2。

分析認(rèn)為當(dāng)焊接速度逐步加快時(shí)，激光對單位面積工件表面的輻照時(shí)間減短，即單位時(shí)間內(nèi)輸入某點(diǎn)熔池的激光能量減少，因此從熱導(dǎo)焊向深熔焊轉(zhuǎn)變所需的激光功率增大，表現(xiàn)為圖中的區(qū)間中值和跨度都有一定程度地上升。此外從曲線的傾斜度可以看出，閾值區(qū)間的升高幅度遠(yuǎn)弱于焊接速度增長的幅度，即當(dāng)焊接速度增大到3倍時(shí)，閾值區(qū)間中值僅增大到1.3倍。這需要從激光焊特有的匙孔效應(yīng)來開展分析，計(jì)算機(jī)仿真模擬研究[2-3]表明，小孔僅用1 ms左右就極速增長至穩(wěn)定深度的50%，再經(jīng)過5～10 ms已快速增長至穩(wěn)定深度的90%以上，對于常用的焊接速度區(qū)間20～60 mm/s(即0.02～0.06 mm/ms)來說，光束移動(dòng)的速度與小孔成型的速度有較大的差距，即雖然提高了焊接速度，但小孔仍有充裕的時(shí)間完成生長，外在表現(xiàn)為焊接速度對閾值區(qū)間的影響較小。

圖2 焊接速度與閾值區(qū)間的關(guān)系曲線

激光束傳輸時(shí)的狀態(tài)并不是理想平直的圓柱形，而是先收細(xì)再張開的類沙漏狀(細(xì)腰處為激光焦點(diǎn))，因此當(dāng)工件在激光焦點(diǎn)附近上下移動(dòng)時(shí)，工件表面的光斑半徑R與離焦量Z成雙曲線規(guī)律變化[4]。由于光斑面積S=πR2，帶入式(1)可知，激光功率密度Ek與離焦量Z成二次方反比關(guān)系，由此表明離焦量是影響激光閾值區(qū)間的因素之一。

為了探究離焦量Z對閾值區(qū)間的影響程度，在-2～+2 mm范圍內(nèi)選取五個(gè)典型的離焦量值，即Z=-2、-1、0、+1和+2 mm，在Φ40×4 mm 的GH3128空心圓筒上進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。測量并記錄各條焊縫橫截面的深寬尺寸，所得離焦量與閾值區(qū)間的關(guān)系曲線見圖3。

由圖可知離焦量為零時(shí)功率閾值區(qū)間最低，因?yàn)榇藭r(shí)工件表面的光斑面積最小，激光功率密度Ek可達(dá)最大值，熔池金屬可更快地被加熱汽化，從而最早產(chǎn)生了深熔焊所必需的匙孔。當(dāng)離焦量向正或負(fù)方向逐漸增長時(shí)，閾值區(qū)間都會相應(yīng)發(fā)生上移，因?yàn)榇藭r(shí)光斑面積均較零離焦時(shí)更大，從而導(dǎo)致激光功率密度同步下降。然而在離焦量的絕對值相等時(shí)，正離焦的閾值區(qū)間要比負(fù)離焦的更高，且當(dāng)Z=+2 mm時(shí)，已經(jīng)很難觀察到明顯的熔深躍遷區(qū)間。對于這種正離焦時(shí)閾值更高的現(xiàn)象，研究分析認(rèn)為激光深熔焊時(shí)光束與材料的能量耦合主要是通過“匙孔”來實(shí)現(xiàn)的，“匙孔”內(nèi)存在著多種能量耦合機(jī)制，其中菲涅爾吸收占主要作用(即光束入射后在孔壁上發(fā)生多次反射，每次反射都有部分能量被熔池吸收)。由錐形小孔菲涅爾反射原理可知，負(fù)離焦時(shí)焦點(diǎn)位置處于工件表面以下，光束以匯聚狀態(tài)與匙孔進(jìn)行耦合，正離焦時(shí)焦點(diǎn)位置處于工件表面以上，光束以發(fā)散狀態(tài)與匙孔進(jìn)行耦合，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5-7]幾何光學(xué)原理計(jì)算結(jié)果可知，匯聚狀態(tài)的激光束更容易向小孔深處傳播，從而使得更多光能可用以熔化更深處的金屬，更容易帶來深熔焊行為，即負(fù)離焦比正離焦的閾值區(qū)間更低。

圖3 離焦量與閾值區(qū)間的關(guān)系曲線

用來表征激光光束質(zhì)量的參數(shù)是光束聚焦特征參數(shù)值Kf，亦稱為光束參數(shù)積(BPP，Beam Parameters Product)，其定義為[1]。

Kf=ω0·θ0

(2)

式中：ω0為焦點(diǎn)光斑半徑，mm；θ0為遠(yuǎn)場發(fā)散半角，mrad。

激光光束質(zhì)量越好代表激光傳播時(shí)的匯聚性越好，即焦點(diǎn)處激光光斑半徑和遠(yuǎn)場發(fā)散半角的乘積越小(Kf值越小)?，F(xiàn)有兩臺激光焊機(jī)，型號分別為HL2006D和TLC3002。HL2006D焊機(jī)的焦點(diǎn)光斑半徑ω01=0.45 mm，遠(yuǎn)場發(fā)散半角θ01=267 mrad，該焊機(jī)激光束較為發(fā)散但焦斑面積略??；TLC3002焊機(jī)的焦點(diǎn)光斑半徑ω02=0.54 mm，遠(yuǎn)場發(fā)散半角θ02=60 mrad；該焊機(jī)激光束較為平直但焦斑面積略大。設(shè)置離焦量Z=0 mm，焊接速度v=40 mm/s，激光功率P=600～1 100 W，焊接試樣為：Φ40×4 mm GH3128空心圓筒，使用兩臺激光焊機(jī)進(jìn)行激光焊接工藝試驗(yàn)，可得到圖4所示光束質(zhì)量與閾值區(qū)間之間的關(guān)系曲線。

由圖可見在激光焊接工藝參數(shù)相同的條件下，兩臺激光焊機(jī)不同光束的閾值區(qū)間基本相同。根據(jù)能量密度Ek的定義，式(1)，因?yàn)閮煞N激光束的焦斑尺寸略有差異，故當(dāng)兩臺激光焊機(jī)的激光功率相同時(shí)，各自焦斑位置的平均能量密度并不相同。然而考慮到不同光束內(nèi)部存在著不同的能量分布機(jī)制，且激光器輸出光束的功率存在±1%的正常波動(dòng)范圍，因而可認(rèn)為工件表面在兩種情況下接收到了等效能量密度的熱輸入[8]，從而在相同的功率區(qū)間內(nèi)發(fā)生了從熱導(dǎo)焊向深熔焊的轉(zhuǎn)變。由此可見，不同Nd:YAG激光焊機(jī)的閾值區(qū)間應(yīng)用各自工藝試驗(yàn)的實(shí)測值來確定。

圖4 光束質(zhì)量與閾值區(qū)間的關(guān)系曲線

激光在焊接過程中會持續(xù)電離光束傳播路徑內(nèi)的氣態(tài)物質(zhì)，包括熔池噴涌出的金屬蒸氣和外部送入的保護(hù)氣體。電離的過程會損耗掉一部分激光能量，且產(chǎn)生的等離子體會和金屬蒸氣一起使光束產(chǎn)生散射現(xiàn)象，即光束在向匙孔深處傳播的過程中，有效焊接能力會發(fā)生一定程度的降低[1]。本文從氣體成份、氣體吹送方式和氣體流量三個(gè)方面進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，以研究保護(hù)氣參數(shù)對閾值區(qū)間的影響規(guī)律。

激光焊常用的保護(hù)氣有純氬(Ar)和純氦(He)兩種，激光焊保護(hù)氣一般以旁軸方式送入，根據(jù)噴嘴擺放位置的不同，可分為前吹、后吹和側(cè)吹三種模式。設(shè)置離焦量Z=0 mm，焊接速度v=30 mm/s，焊接試樣為：Φ40×4 mm GH3128空心圓筒，改變?nèi)惐Ｗo(hù)氣參數(shù)進(jìn)行激光焊接工藝試驗(yàn)，所得保護(hù)氣參數(shù)與閾值區(qū)間的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 保護(hù)氣參數(shù)與閾值區(qū)間的關(guān)系曲線

首先由圖可知，無論保護(hù)氣成分是Ar氣還是He氣，其對閾值區(qū)間的影響均微乎其微。一般來說，Ar氣的電離能為1 523 kJ/mol，其強(qiáng)特征光譜主要處于大于450 nm的可見光及近紅外段；He氣的電離能為2 372 kJ/mol，其強(qiáng)特征光譜主要處于小于400 nm的紫外段；即對于YAG激光器產(chǎn)生的1 030 nm波長的光束而言，在給定的激光功率下應(yīng)該是Ar氣更容易被電離，更有可能產(chǎn)生不利于深熔焊的等離子體。然而有研究[9-10]發(fā)現(xiàn)YAG激光焊接時(shí)熔池區(qū)的光譜分布呈連續(xù)態(tài)，說明此時(shí)電離耗能和等離子散射的不利影響基本不存在，這是因?yàn)閅AG激光形成等離子體的臨界功率密度比CO2激光要高兩個(gè)數(shù)量級，這一點(diǎn)和我們觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。

其次保護(hù)氣體吹送方式和吹送流量均會顯著影響閾值區(qū)間，側(cè)吹和大流量都有利于閾值區(qū)間的降低。分析認(rèn)為匙孔產(chǎn)生和存在的主要?jiǎng)恿κ墙饘僬魵庖莩鰰r(shí)造成的反沖力，而保護(hù)氣體的存在不僅可以隔絕空氣，還有將金屬蒸氣吹離匙孔上部的作用，因此當(dāng)氣體流量增大或側(cè)面吹送時(shí)，金屬蒸氣能被更快、更徹底地被吹走，其反沖作用效果不斷增強(qiáng)，因此深熔現(xiàn)象更早地出現(xiàn)，表現(xiàn)為閾值區(qū)間隨氣流增大而降低。實(shí)際焊接生產(chǎn)時(shí)，需綜合考慮保護(hù)氣體效果和熔深需求以確定保護(hù)氣參數(shù)。

3 激光焊接工藝與結(jié)果

焊接設(shè)備采用德國通快公司生產(chǎn)的Nd:YAG固體激光器，具體型號為TLC3002，最大功率為3 kW，光束質(zhì)量為8 mm·mrad，焦點(diǎn)光斑半徑為0.54 mm，激光波長為1.03 μm，能量模式為準(zhǔn)TEM00單模，焊接時(shí)使用純度不小于99.99%的Ar氣保護(hù)，并與光束軸線成45°旁軸方式進(jìn)行吹送。

零件在焊前要先進(jìn)行嚴(yán)格的清理，避免油污、水漬等雜質(zhì)對光能耦合效果的干擾。具體清理流程為：先用有機(jī)高分子洗液除去機(jī)加油污，后用HF/HNO3/H2SO4混合劑除去本體金屬氧化膜，再用清洗液為無水乙醇的超聲波洗掉除油劑和酸洗劑，最后經(jīng)過80～100 ℃/1～2 h的隨爐熱烘除去殘余乙醇。

清理好的零件按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行焊接裝配，裝配完成后檢測待焊焊縫的錯(cuò)邊量和間隙量，確保兩者均不超過0.05 mm，否則重新進(jìn)行校正配合。裝配合格的試件用手工焊進(jìn)行待焊縫固定，一般形成對稱分布的4～8個(gè)焊點(diǎn)。

焊接開始時(shí)先將試件裝夾到卡盤上，隨后運(yùn)行專用程序測試光束焦點(diǎn)的實(shí)際位置，測試完成后再進(jìn)行表面定焦和對縫，最后將預(yù)定的速度、功率、離焦量、吹氣方式和氣流量等參數(shù)輸入程序進(jìn)行焊接[11]。推力室的標(biāo)準(zhǔn)激光焊工藝流程如圖6所示。

圖6 推力室激光焊工藝流程框圖

焊接參數(shù)設(shè)計(jì)的思路為：對于熔深極淺的熱導(dǎo)焊區(qū)間，使用普通速度、中等虛焦、低功率的搭配模式(第1組)；對于熔深稍低的深熔焊區(qū)間，使用普通速度、實(shí)焦、較低功率的搭配模式(第3組)，對于熔深介于兩者之間、較易出現(xiàn)過渡焊的區(qū)間，使用快速、少許虛焦、較低功率的搭配模式(第2組)；對于熔深很大的深熔焊區(qū)間，使用快速、大量虛焦、較大功率的搭配模式(第4組)。表2為產(chǎn)品模擬件工藝試驗(yàn)的實(shí)錄參數(shù)。

表2 產(chǎn)品模擬件激光焊接工藝參數(shù)

先對焊縫表面進(jìn)行質(zhì)量評級，再對焊縫內(nèi)部進(jìn)行無損檢測，同時(shí)記錄焊縫內(nèi)部氣孔和裂紋的實(shí)測數(shù)據(jù)，各項(xiàng)指標(biāo)均需滿足Q/RJ71標(biāo)準(zhǔn)的II級焊縫質(zhì)量要求(表面非黑，無裂紋，無焊瘤，咬邊/未焊滿≤10%壁厚，單氣孔直徑≤50%壁厚，總氣孔數(shù)量≤5個(gè)/100 mm)。在焊縫內(nèi)外質(zhì)量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，對所有試件進(jìn)行橫截面金相制樣切割，通過粗磨、精磨、拋光和電化學(xué)腐蝕，測量記錄每條焊縫的有效熔深數(shù)據(jù)。此外針對第3、4組試件還要制作力學(xué)性能測試試樣，測量記錄其抗拉強(qiáng)度、爆破強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度和氦氣漏率數(shù)據(jù)。產(chǎn)品模擬試件焊后性能測試結(jié)果見表3，與表1對比可知均符合技術(shù)條件要求。

表3 產(chǎn)品模擬件焊縫性能測試結(jié)果

由上述工藝試驗(yàn)結(jié)果可得到推力室的最優(yōu)激光焊接工藝規(guī)范(表4)，采用該規(guī)范焊接的產(chǎn)品已通過了飛行試驗(yàn)考核。由此表明：激光焊閾值特性的研究結(jié)果是正確、合理和有效的。

表4 推力室激光焊接的最優(yōu)工藝參數(shù)

在探明激光焊接閾值區(qū)間表現(xiàn)規(guī)律的前提下，可以針對不同產(chǎn)品需求設(shè)計(jì)完美適配的激光焊接工藝參數(shù)窗口，以消除過渡焊造成的焊縫熔深一致性不穩(wěn)定的問題，由此可大大提升激光焊接工藝參數(shù)批次復(fù)用性。該項(xiàng)技術(shù)研究成果已廣泛應(yīng)用于各類發(fā)動(dòng)機(jī)的激光焊接生產(chǎn)之中，并正逐步向壓力容器和通配件等其他各類組件焊接領(lǐng)域進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

4 結(jié)論

激光焊閾值區(qū)間與焊接速度呈正向關(guān)系，但閾值升高的幅度遠(yuǎn)弱于焊接速度加快的幅度，當(dāng)焊接速度由20 mm/s增至60 mm/s時(shí)，功率閾值中值從580 W左右增至780 W左右。

由于表面功率密度和匯聚形態(tài)的原因，實(shí)焦焊時(shí)功率閾值區(qū)間最低，入焦、離焦時(shí)的閾值區(qū)間都會發(fā)生上移，且在離焦程度相同時(shí)正離焦的閾值區(qū)間相對負(fù)離焦的更高，其中在離焦量Z=+2 mm時(shí)已經(jīng)很難觀察到明顯的熔深躍遷區(qū)間。

光束質(zhì)量對閾值區(qū)間影響輕微且機(jī)制較為復(fù)雜，每臺焊機(jī)需要用焊接試驗(yàn)的實(shí)測值來單獨(dú)確定。

YAG激光焊機(jī)激光焊接時(shí)幾乎不產(chǎn)生等離子體，即電離耗能和等離子散射對激光焊接的不利影響基本不存在，因此焊接生產(chǎn)時(shí)無論采用哪種成分的保護(hù)氣體，對YAG激光焊的閾值區(qū)間基本沒有影響；保護(hù)氣前吹和后吹對閾值的影響作用相同，閾值區(qū)間保持不變，但側(cè)吹有利于匙孔形成，其閾值區(qū)間更低；隨著保護(hù)氣體流量的增大，金屬蒸氣將會更快速地被吹走，匙孔能更好地暴露于激光束輻照之下，同樣有利于深熔焊的成型，因此閾值區(qū)間也將會更低。

在空間發(fā)動(dòng)機(jī)模擬件工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上得到了激光焊接工藝規(guī)范，采用該規(guī)范焊接的空間發(fā)動(dòng)機(jī)已通過了飛行試驗(yàn)考核。由此表明：空間發(fā)動(dòng)機(jī)激光焊閾值特性研究與工藝試驗(yàn)是正確、合理和有效的。該項(xiàng)技術(shù)和研究成果已廣泛應(yīng)用于各類發(fā)動(dòng)機(jī)的激光焊接生產(chǎn)之中，并正逐步向閥門、壓力容器和通配件等其他各類組件焊接領(lǐng)域進(jìn)行推廣和應(yīng)用。