光纖型激光器在不銹鋼焊接中應(yīng)用研究

姜吉臣，張占軍，李 張，孫 許，趙成亮，張洪濤

（中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 102600）

0 引言

激光焊接在本質(zhì)上是通過(guò)激光束來(lái)對(duì)物品進(jìn)行焊接的方法，在激光生產(chǎn)加工過(guò)程中是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在金屬加工領(lǐng)域中，尤其重點(diǎn)應(yīng)用于不銹鋼、碳鋼等的生產(chǎn)中[1]。在金屬產(chǎn)品的密封焊接中，激光焊接工藝相對(duì)穩(wěn)定，利用此焊接在生產(chǎn)過(guò)程中效率高且密封作用良好。

由于具有光電轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、光束發(fā)射后穩(wěn)定等特點(diǎn)，光纖激光焊接被廣泛的關(guān)注。在歷史發(fā)展的長(zhǎng)河中，焊接自始至終都被認(rèn)為是制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝。從19 世紀(jì)后期，焊接工藝技術(shù)都經(jīng)歷了電弧焊、摩擦焊、電子束焊、離子束焊、激光焊等發(fā)展過(guò)程[2]。

在各個(gè)方面與其它類(lèi)的焊接工藝技術(shù)相比，激光焊接具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，比如焊接速度快、自動(dòng)化程度高、焊縫深、無(wú)需真空環(huán)境、熱輸入量少、柔性好等。因此，在核能、造船業(yè)、航空航天、國(guó)防武器、汽車(chē)制造和鐵路車(chē)輛制造等行業(yè)，激光焊接已被廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在激光焊接技術(shù)已被認(rèn)為是21 世紀(jì)的最具發(fā)展前景的先進(jìn)連接技術(shù)之一[3,4]。

在現(xiàn)在的加工制造工藝中，激光焊接完成的組件連接，在焊縫工藝評(píng)定金相檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)焊縫的表面熔透但深部出現(xiàn)未熔透等質(zhì)量缺陷。根據(jù)設(shè)備說(shuō)明的焦距進(jìn)行焊接，調(diào)整好相應(yīng)的焊接參數(shù)，理論值應(yīng)達(dá)到焊接要求，但在實(shí)際操作中和檢驗(yàn)中未達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的未熔透的質(zhì)量缺陷問(wèn)題，經(jīng)過(guò)探索研究，現(xiàn)把焊接焦距作為研究點(diǎn)，展開(kāi)激光焊接焦點(diǎn)的確定方式及與熔深的關(guān)系的探究。

1 激光焊接的原理

激光焊接是通過(guò)硬件和軟件裝置的共同配合來(lái)完成的。硬件裝置是實(shí)現(xiàn)激光焊接的物質(zhì)基礎(chǔ)，硬件質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響光束質(zhì)量和焊接過(guò)程的完成質(zhì)量。激光焊接設(shè)備由多部分組成，其中激光器、光束傳輸和聚焦系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)、控制和檢測(cè)系統(tǒng)最為重要[5]。

1.1 激光焊接原理的分類(lèi)和特點(diǎn)

激光焊接的原理可以分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接，通過(guò)連續(xù)或脈沖的激光束實(shí)現(xiàn)。

1.1.1 熱傳導(dǎo)型焊接

熱傳導(dǎo)焊接為功率密度小于104～105W／cm2時(shí)，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢，其中熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、功率和頻率等參數(shù)，使工件熔化形成特定的熔池。

1.1.2 激光深熔焊接

激光深熔焊接為功率密度大于105～107W/cm2時(shí)，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，其具有焊接速度快、深寬比大的特點(diǎn)[6]。激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過(guò)程與電子束焊接極為相似，能量轉(zhuǎn)換機(jī)制通過(guò)小孔完成。在高功率密度激光的照射下，材料蒸發(fā)形成小孔，這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光能量，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來(lái)，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。在光束照射下的壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生高溫蒸汽，孔壁外液體流動(dòng)形成的壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持動(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)，圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)而向前移動(dòng)，熔融金屬填充小孔移開(kāi)后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。

2 激光束聚焦的焦點(diǎn)確定

在激光焊接設(shè)備中，設(shè)置焊接功率且持續(xù)發(fā)射激光，當(dāng)操作焊頭均勻從下向上移動(dòng)時(shí)，在焊件表面會(huì)出現(xiàn)一道焊縫，表面焊縫會(huì)表現(xiàn)出寬窄不一且凹陷程度不一。由上述確定焊接時(shí)熔深不一，焊縫最窄處為焦點(diǎn)的位置。

2.1 選定焊接樣件并預(yù)處理

φ24mm 壁厚2.5mm，長(zhǎng)300mm 的不銹鋼管作為此次的試驗(yàn)樣件，先用去污劑在超聲波清洗機(jī)中整體清洗樣件的表面，包括浸泡一定的時(shí)長(zhǎng)，用清洗刷刷凈表面的油污等，后用清水沖洗樣件的內(nèi)外表面，達(dá)到表面不掛水珠的要求；用去離子水繼續(xù)清洗該樣件；然后，用無(wú)水乙醇浸泡樣件脫水，最后放到烘烤箱中將表面烘干備用。作為焊接樣件的不銹鋼管，在經(jīng)過(guò)上述處理后，開(kāi)展后續(xù)的操作時(shí)，一定要保持表面的整潔，尤其是要焊接的位置，不可用手直接觸摸。

2.2 焊接工藝參數(shù)設(shè)置

利用光纖型激光，經(jīng)透鏡系統(tǒng)聚焦，獲得功率密度很高的光束進(jìn)行焊接。其聚焦系統(tǒng)有如下關(guān)系：

式中：d——激光的光斑直徑；α——光束發(fā)散角；f——透鏡的焦距（mm）；D——透鏡的聚焦尺寸；b——焦深。

由上述公式可知，光斑直徑與激光焦距成正比。另外，當(dāng)在透鏡焦距的基礎(chǔ)上偏離距離太大時(shí)，光斑直徑很大，影響聚焦效果，產(chǎn)生的能量密度下降。所以在使用透射聚焦鏡時(shí)，要綜合考慮各焊接因素。

根據(jù)上述內(nèi)容綜合考慮，在使用2kW 的光纖型激光器時(shí)，用軟件裝置設(shè)置激光的輸出功率為1.5kW，保護(hù)氣的氣流量為18L/min，焊接時(shí)管道的轉(zhuǎn)速為80°/s，激光束水平發(fā)射至不銹鋼管表面。關(guān)于焊接時(shí)的調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)暫設(shè)置如上，具體的操作過(guò)程如下：

2.2.1 焊接具體操作流程

開(kāi)啟激光焊接設(shè)備（激光器主設(shè)備、顯示焊接情況的電腦1、控制激光發(fā)射器的電腦2、水冷機(jī)）。

將不銹鋼管豎直裝配在卡槽中。

在電腦2 中控制激光發(fā)射為點(diǎn)焊模式，進(jìn)行點(diǎn)焊，調(diào)節(jié)電腦1 顯示屏中“十字絲”的中心與該焊點(diǎn)對(duì)中。

調(diào)節(jié)電腦2 中的焊接程序和參數(shù)，開(kāi)啟保護(hù)氣。

點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，控制激光發(fā)射器槍頭處由低到高移動(dòng)。

完成焊接。

2.2.2 焊前焦點(diǎn)校準(zhǔn)

選用斜面掃描焊的方法，控制激光一直出光，使其對(duì)樣件從一端至另一端持續(xù)激光焊接，由此對(duì)激光焊接設(shè)備的焦點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

對(duì)焊接后的樣件進(jìn)行觀察，焊接的焊縫呈現(xiàn)逐漸減小又逐漸增大的形態(tài)，焊接過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一個(gè)小于焦距至焦距處至大于焦距的過(guò)程，激光束在聚焦點(diǎn)處聚焦使焊縫達(dá)到最窄，此時(shí)為焦點(diǎn)的位置。量取從激光器根部至樣件中焊縫最窄處的水平距離，此距離為該激光焊接設(shè)備的焦距L，具體為154 mm。

2.2.3 理論值焦距與實(shí)際值對(duì)比

根據(jù)廠家提供的激光焊接設(shè)備焦距為157mm，激光焊接時(shí)根據(jù)說(shuō)明采用的距離為159mm，離焦量正離焦2mm，但此種情況下焊接的樣件在工藝評(píng)定中未能滿足熔深要求。通過(guò)所確定焦距來(lái)看，上述理論焦距與實(shí)際的焦距比較，已經(jīng)為正離焦量3mm，再加上說(shuō)明要求的正離焦2mm 焊接，即在實(shí)際焦距正離焦5mm 的條件下進(jìn)行焊接，焦點(diǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)離焊接樣件，遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的位置處。根據(jù)所設(shè)定的焊接功率，激光所產(chǎn)生的能量達(dá)不到要求，焊接過(guò)程中導(dǎo)致焊接熔深未達(dá)標(biāo)。

3 不同離焦量對(duì)熔深的影響

在焦點(diǎn)或其附近處，激光發(fā)射在樣件所產(chǎn)生的能量最高。當(dāng)超出能量所能熔透焊接樣件的范圍時(shí)，激光焊接所能達(dá)到的效果就會(huì)大大降低。在焦距的偏差中，正負(fù)偏差過(guò)大都不利于焊接達(dá)到最優(yōu)效果。通過(guò)下文研究不同的離焦量對(duì)熔深的影響，得出最優(yōu)的焊接焦距偏差量，同時(shí)得出同功率下的最大熔深值。

3.1 離焦量定義

離焦量m 是焦距L 為154mm 的基礎(chǔ)上正負(fù)離焦量，即在焦距L 為154mm 的基礎(chǔ)±m(xù)。

3.2 試驗(yàn)方法

將被試焊樣件裝配在小轉(zhuǎn)盤(pán)卡槽中，在固定功率的情況下，調(diào)整激光焦點(diǎn)與待焊位置的距離，采用掃描焊，從樣件的端部開(kāi)始，每間隔10mm 的距離焊接一道焊縫。對(duì)不同焦距的焊縫通過(guò)金相檢驗(yàn)，觀察熔深。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

在試驗(yàn)中按照調(diào)節(jié)離焦量——激光焊接樣件——已焊接樣件加工處理——金相檢測(cè)焊縫的過(guò)程進(jìn)行，具體操作如下：

利用上述已找到的激光焦距L，調(diào)節(jié)焦點(diǎn)與待焊位置的偏離距離分別為-6mm、-4mm、-2mm、0mm、2mm、4mm，對(duì)待焊位置進(jìn)行焊接，焊接功率為1.5kW。

對(duì)不同焦距偏離情況下的焊縫進(jìn)行標(biāo)記。

對(duì)不同焦距偏離情況下的焊縫，采用線切割方式切割取樣。

對(duì)所取樣用240 目、400 目、600 目、1000 目、1500 目進(jìn)行打磨。

對(duì)精打磨后的樣件，采用“王水”進(jìn)行腐蝕。

對(duì)處理后的樣件在手動(dòng)影像測(cè)量?jī)x1.0 倍下，進(jìn)行觀察和測(cè)量。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.4.1 熔融深度

通過(guò)金相觀察，焊縫的熔深測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 激光焊接偏焦距-熔深對(duì)應(yīng)關(guān)系表Table1 Laser welding offset focal distance -fusion depth corresponding relational table

通過(guò)表1 和圖1 得出，焦點(diǎn)在偏離-4mm～-2mm 的情況下，熔深超過(guò)2mm；焦點(diǎn)在偏離-2mm～2mm 的情況下，熔深1.5mm～1.8mm。

圖1 偏焦距-熔深對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 Offset focal distance

3.4.2 金相圖

在鏡下觀察經(jīng)過(guò)處理的樣件，通過(guò)鏡像看到焊縫的形態(tài)如圖2 所示。

4 結(jié)術(shù)語(yǔ)

光纖型激光焊接設(shè)備可采用斜面掃描焊確定激光束焦點(diǎn)，在開(kāi)始生產(chǎn)前應(yīng)首先對(duì)焦點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，確認(rèn)焦點(diǎn)位置后方可進(jìn)行產(chǎn)品的焊接。

激光焊接偏焦距在-6mm～0mm 的范圍內(nèi)可使焊接熔深大于1.5mm，滿足產(chǎn)品焊接要求；-4mm～-2mm 的偏焦距范圍內(nèi)，可得到最大熔深。采用負(fù)離焦的方式更容易得到較大的熔深；正離焦距離越大得到的焊縫熔深越淺。

圖2 離焦量為-6mm/-4mm/-2mm/0mm/+2mm/+4mm的金相圖Fig.2 The phase diagram of the -6mm/-4mm/-2mm/0mm/+2mm/+4mm phase