30 kW光纖激光焊接鋁合金離焦量對匙孔行為的影響

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

同千瓦級激光焊接相比，萬瓦級激光焊接由于功率密度的顯著提高，在液態(tài)熔池內(nèi)部會產(chǎn)生了一個更加細(xì)長的匙孔，增加了焊接過程的復(fù)雜性和匙孔的不穩(wěn)定性，使焊縫產(chǎn)生多種缺陷[1-3]。焊接過程中熔池的穩(wěn)定流動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)合填絲焊接對匙孔開口面積的影響，分析了焊接工藝參數(shù)對匙孔開口面積的影響。研究結(jié)果表明，千瓦級激光功率下，正離焦時可獲得開口面積較大的匙孔，此時對應(yīng)焊接過程的穩(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，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。這說明萬瓦級大功率激光焊接的成形過程同千瓦級激光焊接相比存在較大差異。近年來，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]采用萬瓦級激光焊接技術(shù)對厚板不銹鋼進(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)位置對焊縫成形有很大影響。Li等人[11]利用“三明治”方法研究了萬瓦級激光焊接不銹鋼時的匙孔行為，其認(rèn)為金屬蒸氣對匙孔壁壓力的波動是導(dǎo)致匙孔壁波動變化的重要原因。目前關(guān)于萬瓦級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]，而針對鋁合金萬瓦級激光焊接的相關(guān)研究卻鮮有報道，而認(rèn)識萬瓦級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)。

為探究萬瓦級激光焊接鋁合金時焊縫表面成形差的原因，使用高速攝像對30 kW級鋁合金激光焊接熔池進(jìn)行拍攝，分析離焦量對匙孔穩(wěn)定性和熔池流動特性的影響，建立焊接工藝參數(shù)與焊縫成形的關(guān)系，加深對超高功率激光焊接過程行為的認(rèn)識，為萬瓦級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)對焊接過程中的匙孔特征進(jìn)行拍攝，采集頻率為4 000 frames/s。使用波長為808 nm的半導(dǎo)體激光器照亮焊接區(qū)域，焊接過程如圖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，鋁合金激光焊接匙孔不同時刻的圖像如圖2所示。t0時刻匙孔后側(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)烈的金屬蒸氣對匙孔內(nèi)壁切應(yīng)力的作用，在t0+ 157 ms時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，匙孔會在一個較短的時間段內(nèi)維持相對穩(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)的時間較短，在某一個瞬間匙孔開口面積會出現(xiàn)瞬間擴(kuò)大現(xiàn)象，如圖2f所示。從以上過程可以推斷，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激光焊接過程中匙孔的穩(wěn)定性，間隔選取共0.6 s時間內(nèi)的匙孔開口面積大小進(jìn)行測量，其結(jié)果如圖3所示。匙孔開口面積大部分時間都在小范圍內(nèi)波動，而標(biāo)記b處的面積明顯大于其它時刻匙孔的開口面積，其匙孔特征如圖2b所示，此時匙孔后端液體熔池穩(wěn)定流動的特點(diǎn)受到了干擾。

圖2 30 kW激光焊接鋁合金不同時刻的熔池特征

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

圖3 匙孔開口面積隨時間的變化

圖4 匙孔突變時連續(xù)時段熔池高速攝像

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匙孔的穩(wěn)定性相對較差，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 離焦量對匙孔行為的影響

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

2.2.1正離焦時的匙孔行為

圖5為+20 mm離焦量下熔池高速攝像，在一段時間內(nèi)連續(xù)拍攝記錄下的匙孔演化過程?？梢钥闯觯瑃2時刻入射激光在液態(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，匙孔尺寸逐漸擴(kuò)大，在t2+ 6.5 ms時，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，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，整個過程持續(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，匙孔動態(tài)行為的演化過程，可以看出在這一時間段內(nèi)，匙孔行為和離焦量為+20 mm時基本一致，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)張的動態(tài)變中。

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

2.2.2負(fù)離焦時的匙孔行為

圖8為-10 mm離焦量下熔池高速攝像，在一段時間內(nèi)連續(xù)拍攝記錄下的匙孔演化過程。在時刻t4+5 ms時，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，整個焊接過程匙孔開口面積也會不斷的出現(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，且整個焊接過程中飛濺的程度較小，整個擴(kuò)大和縮小的過程僅持續(xù)10 ms左右。

同樣，選取0.6 s時間對匙孔的開口面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測量，結(jié)果如圖10所示。其中，圖10標(biāo)記的時間段3代表圖8中匙孔擴(kuò)張過程中開口面積的變化過程；時間段4代表的是圖9的匙孔擴(kuò)張過程開口面積的變化過程。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時匙孔擴(kuò)張-收縮過程中面積的整體波動較小，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)大后會以很快的速度迅速恢復(fù)到相對穩(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間的變化

為了定量分析離焦量對30 kW激光焊接鋁合金過程中匙孔開口面積波動程度的影響規(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，匙孔的波動程度整體上呈現(xiàn)出上升趨勢，這與離焦量變化時焊縫成形質(zhì)量的變化趨勢一致。由此也可以推斷30 kW激光焊接鋁合金時，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?？梢钥闯?，正離焦時，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，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，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中對匙孔動態(tài)變化過程的分析可以看出，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，匙孔后壁的液態(tài)金屬極易形成液柱。這是由于相對于常規(guī)千瓦級激光焊接而言，30 kW激光焊接的功率密度幾乎提升了一個數(shù)量級，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)金屬會向上涌起、匯聚，進(jìn)而形成液柱，如圖13所示。液柱回落過程中會對液態(tài)熔池產(chǎn)生沖擊作用，對匙孔穩(wěn)定維持和液態(tài)熔池的穩(wěn)定流動產(chǎn)生干擾，使焊接過程極易形成飛濺，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，熔寬變窄的同時熔深變深；當(dāng)離焦量變由0 mm變?yōu)?20 mm時熔深、熔寬變化不明顯。當(dāng)離焦量為-20 mm時，焊縫熔深可達(dá)29 mm，如圖15所示。

圖14 離焦量對焊縫熔深和熔寬的影響

圖15 -20 mm離焦量時焊縫橫截面形貌

3 結(jié)論

(1)30 kW光纖激光焊接鋁合金時，離焦量對匙孔行為影響較大，當(dāng)離焦量由正變負(fù)時，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，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)張過程伴隨著液態(tài)金屬后流及液柱的長大和飛濺的形成。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程度較低，液態(tài)金屬匯聚形成液柱的趨勢和飛濺數(shù)量也相對較小。

(3)液柱的形成和回落過程會對液態(tài)熔池的穩(wěn)定流動造成不利影響。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-收縮過程維持時間也較長，+20 mm離焦量時約為30 ms，回落過程對熔池流動的干擾也隨之增大，焊縫成形質(zhì)量較差；而負(fù)離焦時液柱維持時間較短，-20 mm離焦量時約為 10 ms，液柱體積也相對較小，對焊接過程的穩(wěn)定性影響較小。