高速保護(hù)氣流向?qū)饫w激光深熔焊接羽輝的影響

孔華，楊武雄，鄒江林，趙振家

(北京工業(yè)大學(xué),高功率及超快激光先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室,北京,100124)

0 序言

高功率光纖激光與CO2激光、Nd:YAG 激光和碟片激光等激光器相比，具有體積小、質(zhì)量輕、加工柔性高、光束質(zhì)量好和運(yùn)行成本低等綜合優(yōu)勢[1-5]，現(xiàn)階段已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、船舶制造等領(lǐng)域[6-8]，然而高功率光纖激光深熔焊接中易于產(chǎn)生諸如熔深波動、飛濺、氣孔、駝峰等焊接缺陷[9-10]，嚴(yán)重制約了光纖激光深熔焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.羽輝是光纖激光深熔焊接過程中固有的物理現(xiàn)象[11-12]，采用超音速橫向氣簾吹除羽輝，發(fā)現(xiàn)焊接穩(wěn)定性明顯變好，焊接熔深明顯提高[13]；但貼近板材表面的橫向氣簾降低了激光焊接的加工柔性，且引入了保護(hù)氣消耗大、噪音大等問題，因此研究更好的羽輝控制方法對推進(jìn)光纖激光深熔焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義.

光纖激光深熔焊接羽輝可分為類似激光束聚焦形態(tài)的狹長形羽輝和底部擺動羽輝.大量的研究表明狹長形羽輝是由金屬蒸氣向外噴發(fā)時(shí)所攜帶的微粒受激光束加熱發(fā)光所致[14-16]，狹長形羽輝中的微粒是羽輝影響激光束的傳輸、并對焊接過程的穩(wěn)定性帶來明顯負(fù)面影響的主要原因[17-18].Li 等人[19]通過多重成像法同步觀察了底部擺動羽輝和小孔前壁表面激光致蒸發(fā)蒸氣，發(fā)現(xiàn)底部擺動羽輝的形成是小孔前壁表面激光致蒸氣的噴出小孔所致，由于小孔形成時(shí)間非常短[20]，小孔形成的同時(shí)羽輝即形成，而小孔前壁表面激光致蒸氣噴發(fā)時(shí)對小孔后壁熔池的沖擊效應(yīng)是形成飛濺[21]、駝峰[22]和焊縫表面成形差[23]等焊接缺陷的主要原因，因此為了提高光纖激光深熔焊接過程穩(wěn)定性和減少焊接缺陷，研究對羽輝的控制方法是光纖激光焊接領(lǐng)域需解決的問題之一.

關(guān)于羽輝負(fù)面影響的控制，除了采用橫向氣簾吹除狹長形羽輝外[24]，還存在真空控制法，真空焊接法基本可抑制狹長形羽輝和底部擺動羽輝的產(chǎn)生[25]，但真空環(huán)境明顯降低了激光焊接的柔性和效率，且提高了加工成本；此外還可采用保護(hù)氣對羽輝進(jìn)行控制.例如，Pellone 等人[26]研究氬氣保護(hù)對AA6061 鋁合金光纖激光焊接質(zhì)量測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用參數(shù)合適時(shí)可得到最大熔深和最佳焊縫形貌;Konuk 等人[27]研究了保護(hù)氣不同角度、保護(hù)氣體類型和流速等可控變量對焊接過程的影響，并通過流體模擬的方法對保護(hù)氣的保護(hù)效果進(jìn)行了預(yù)測;Wu 等人[28]指出保護(hù)氣種類及流量大小對焊接質(zhì)量的控制具有重要影響.

文中在高功率光纖激光掃描焊接低碳鋼中，為了控制羽輝、保護(hù)熔池和減少保護(hù)氣的消耗，設(shè)計(jì)了內(nèi)管產(chǎn)生高速保護(hù)氣流調(diào)控羽輝、外管通常規(guī)保護(hù)氣保護(hù)熔池的一種雙層保護(hù)噴嘴，采用高速攝像儀搭配照明激光觀察焊接過程中不同保護(hù)氣流向時(shí)羽輝的特征、飛濺的行為和熔池的形貌特征，焊后觀測焊縫表面以及測量表面粗糙度，切割后觀察焊縫橫截面，同時(shí)測量焊縫熔深和熔寬，通過改變保護(hù)氣流流向，研究焊接過程中羽輝、飛濺、熔池和焊縫形貌之間的關(guān)系，最后綜合試驗(yàn)結(jié)果，分析不同保護(hù)氣流向?qū)τ疠x的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程使用的激光器為IPG YLS-6000 光纖激光器，其特征參數(shù)如下：波長為1.07 μm，最大輸出功率為6 kW，傳輸光纖芯徑200 μm，輸出耦合準(zhǔn)直鏡的焦距為200 mm，聚焦鏡的焦長300 mm，聚焦焦點(diǎn)直徑0.31 mm，瑞利長度3.07 mm.試驗(yàn)中激光輸出功率固定為6 kW，焊接速度為2 m/min.為了產(chǎn)生高速保護(hù)氣流，同軸雙層噴嘴外管為圓形，其直徑為8 mm，氬氣流量設(shè)置為15 L/min；內(nèi)管狹縫的寬度為0.22 mm，長度為6.6 mm；其氬氣流量為5 L/min，根據(jù)管道流動知識，單位時(shí)間內(nèi)流量相同，可根據(jù)輸入流速和出口面積計(jì)算出內(nèi)層氣流輸出時(shí)的流速，輸出流速可達(dá)57 m/s，形狀呈“片狀”的高速氣流.雙層噴嘴的軸線與激光束之間的夾角設(shè)為45°，噴嘴示意圖如圖1 所示，試驗(yàn)布置示意圖及保護(hù)氣方向如圖2 所示.

圖1 雙層噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the doublelayer nozzle

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖及保護(hù)氣體方向Fig.2 Experimental device diagram and blowing direction.(a) experimental device diagram; (b)blowing direction along the welding direction;(c)blowing direction opposite the welding direction

使用PHOTRON Fastcam Mini UX100 彩色高速攝像儀實(shí)時(shí)觀測羽輝、飛濺和熔池表面形態(tài)，高速攝像的采集幀數(shù)設(shè)置為5 000 f/s.在觀測熔池時(shí)，高速攝像與焊接板面間呈45°，此時(shí)使用波長為808 nm、功率為50 W 的半導(dǎo)體激光作為照明光源輻照焊接熔池；高速攝像機(jī)鏡頭前搭配中心波段為808 nm 的窄帶濾波片觀測焊接熔池，如圖2a 所示，在觀測飛濺和羽輝時(shí)，高速攝像的觀察方向垂直于焊接方向，且與板材表面平行.

焊接材料選用低碳鋼，尺寸為100 mm × 50 mm ×10 mm，不同成分的占比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.5% Fe，0.3% C，其它物質(zhì)占0.2%；材料表面經(jīng)磨削處理，焊前采用丙酮清洗油漬；焊接過程中設(shè)定上述焊接參數(shù)，改變吹氣方向且同時(shí)保證噴嘴內(nèi)管的噴嘴中心位置與激光材料作用區(qū)重合，焊后沿焊縫中心進(jìn)行橫向切割，以觀測熔深、熔寬，對焊縫橫截面經(jīng)過研磨、拋光、化學(xué)腐蝕等操作后，采用Keyence VHX950 光學(xué)顯微鏡測量焊縫截面的熔深和熔寬.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 保護(hù)氣流向?qū)τ疠x形貌的影響

基于高速攝像水平觀測可得到典型的光纖激光深熔焊接羽輝與飛濺的特性行為.同軸雙層噴嘴內(nèi)管未通保護(hù)氣狀態(tài)下的羽輝形貌如圖3 所示，可見羽輝可分為類似激光束聚焦形態(tài)的狹長形羽輝和小孔口擺動羽輝.在狹長形羽輝外面的焊接空間中存在大量的飛濺顆粒，通過對連續(xù)10 幀相片中飛濺顆粒的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，得出每張照片的飛濺數(shù)量大約為20～ 50 個(gè)；還進(jìn)行了只有內(nèi)層氣流保護(hù)和只有外層氣流保護(hù)兩組對比試驗(yàn)，只有內(nèi)層高速氣流通氣保護(hù)或只有外層保護(hù)氣作用時(shí)，雖然對羽輝形成有所遏制，但是狹長形羽輝和底部擺動羽輝部分均可觀察到，不能徹底去除羽輝，難以徹底避免羽輝對焊接過程的影響，而當(dāng)雙層噴嘴同時(shí)通氣保護(hù)時(shí)，效果更佳，如圖4 所示.

圖3 典型的羽輝及飛濺圖像Fig.3 Typical image of spatter and plume.(a) plume image of no protective gas;(b) plume image of inner high-speed airflow

圖4 不同保護(hù)氣流向時(shí)的羽輝及飛濺圖像Fig.4 Spatter and plume image after blowing of blade airflow.(a) blowing direction along the welding direction; (b) blowing direction opposite the welding direction

雙層噴嘴同時(shí)通保護(hù)氣作用于激光焊接熔池時(shí)，氣流流向有兩種方式：保護(hù)氣流沿焊接方向和逆焊接方向.對兩種方式分別進(jìn)行焊接試驗(yàn)，得到的羽輝典型形貌如圖4 所示，圖4a 為保護(hù)氣流沿焊接方向，圖4b 為保護(hù)氣流逆焊接方向；可見兩種保護(hù)情況下，羽輝的狹長形部分均基本消失，即采用可產(chǎn)生高速氣流的旁軸雙層噴嘴保護(hù)時(shí)，均可減少狹長形羽輝對光束傳輸?shù)挠绊?，底部波動部分依然存在，但其體積較未采用高速氣流時(shí)明顯減少、變暗.根據(jù)圖4 可發(fā)現(xiàn)不同保護(hù)氣流向時(shí)焊接空間中的飛濺數(shù)量也存在巨大差異：保護(hù)氣逆焊接方向時(shí)，焊接過程出現(xiàn)大量飛濺顆粒，而保護(hù)氣沿焊接方向時(shí)飛濺數(shù)量明顯變少.通過對連續(xù)10 幀相片中的飛濺數(shù)量分析，保護(hù)氣流沿焊接方向時(shí)產(chǎn)生的飛濺顆粒數(shù)量相較于保護(hù)氣逆焊接方向時(shí)產(chǎn)生的飛濺數(shù)量要少的多，即保護(hù)氣流向沿焊接方向時(shí)的焊接過程更為穩(wěn)定.

2.2 保護(hù)氣流向?qū)缚p表面和熔深熔寬的影響

焊縫表面形貌可直觀反映焊接過程穩(wěn)定性或焊縫的成形質(zhì)量[28].圖5 為沿不同方向吹保護(hù)氣流得到的焊縫表面形貌對比，可發(fā)現(xiàn)保護(hù)氣流沿焊接方向時(shí)，焊縫表面相對光滑、平整、均勻，整體較美觀，呈現(xiàn)出較為規(guī)則的魚鱗紋狀；保護(hù)氣流逆焊接方向時(shí)，焊縫表面凹凸不平，且焊縫熔寬不均勻、存在大量飛濺顆粒等焊接缺陷，該現(xiàn)象不僅影響焊縫的美觀程度，更會影響焊縫質(zhì)量[29].

圖5 不同方向吹保護(hù)氣所得焊縫表面形貌Fig.5 Weld morphology obtained by blowing protective gas in different directions.(a) blowing direction along the welding direction;(b) blowing direction opposite the welding direction

焊縫表面粗糙度是衡量焊縫成形的一個(gè)重要指標(biāo)，除反映焊縫表面的平整、均勻之外，還可以衡量焊縫的飽和度[30].采用超景深顯微鏡測量不同保護(hù)氣流向下焊縫表面的粗糙度，發(fā)現(xiàn)保護(hù)氣流沿焊接方向時(shí)，焊縫表面粗糙度的平均值為0.08 mm；而保護(hù)氣流逆焊接方向時(shí)，焊縫表面粗糙度的平均值達(dá)0.18 mm 左右，因此保護(hù)氣流沿焊接方向相比保護(hù)氣流逆焊接方向，焊縫表面的粗糙度更低，即焊縫表面更為平整、光滑.

圖6 為不同方向吹保護(hù)氣時(shí)焊縫橫截面、熔深和熔寬對比.保護(hù)氣流沿著焊接方向時(shí)，焊縫熔深可達(dá)7.370 mm，而保護(hù)氣流逆焊接方向時(shí)，焊縫熔深僅為6.342 mm，可見在均吹除狹長形羽輝的情況下，保護(hù)氣流沿著焊接方向較逆焊接方向熔深提升約16%；保護(hù)氣流逆焊接方向時(shí)，焊縫寬度可達(dá)3.516 mm，而保護(hù)氣流沿焊接方向時(shí)，焊縫熔寬僅為2.633 mm，即保護(hù)氣流沿著焊接方向較逆焊接方向熔寬縮小約33%；保護(hù)氣流沿著焊接方向時(shí)，焊縫更深、熔寬更窄，這明顯提高了焊縫的深寬比.

圖6 不同吹除方向所得焊縫熔深和熔寬Fig.6 Penetration and width by blowing protective gas in different directions.(a) blowing direction along the welding direction; (b) blowing direction opposite the welding direction

2.3 保護(hù)氣流向?qū)θ鄢氐挠绊?/h3>

使用高速攝像機(jī)搭配波長808 nm 的照明激光器可清晰觀測焊接過程中熔池和小孔口的形態(tài).圖7 為不同保護(hù)氣流向時(shí)獲得的典型熔池圖像，其中圖7a 為保護(hù)氣流沿焊接方向時(shí)熔池和小孔口形貌，圖7b 為保護(hù)氣流逆焊接方向時(shí)熔池和小孔口形貌，圖中可清晰觀測到不同方向通保護(hù)氣時(shí)，焊接過程中的熔池形態(tài)存在很大的差別.當(dāng)保護(hù)氣流向沿焊接方向時(shí)，只在小孔前部發(fā)現(xiàn)少量飛濺顆粒，且附著于板材表面，熔池表面也較為穩(wěn)定；當(dāng)保護(hù)氣逆焊接方向吹除時(shí)，在小孔口位置出現(xiàn)明顯液柱，同時(shí)熔池存在翻滾現(xiàn)象，可見熔池流動不穩(wěn)定.

圖7 熔池的表面特性行為Fig.7 Molten pool surface by blowing protective gas in different directions.(a) blowing direction opposite the welding direction；(b) blowing direction along the welding direction

觀察小孔口的形貌，還可發(fā)現(xiàn)保護(hù)氣流向?qū)π】卓诘拿娣e大小存在明顯影響.沿焊接方向的焊接狀態(tài)中灰白色部分即為小孔口,且使用虛線進(jìn)行標(biāo)識；由于保護(hù)氣流逆焊接方向作用液柱，液柱移動至小孔口處，遮擋了小孔，因此難以捕捉相關(guān)圖像，如圖7b 所示，t0=2.8 ms 時(shí)，液柱上出現(xiàn)亮光，即是新形成的小孔口；保護(hù)氣流沿焊接方向時(shí)，小孔口面積明顯更大，而保護(hù)氣流向逆焊接方向時(shí)，小孔口面積明顯減少，且處在不斷波動中，該現(xiàn)象與小孔口前部的凸起液柱受高速保護(hù)氣流的吹動有關(guān).

3 分析與討論

光纖激光深熔焊接中，小孔前壁表面激光致蒸發(fā)蒸氣從孔口向外噴發(fā)形成了底部擺動羽輝[31].小孔前壁表面激光致蒸發(fā)蒸氣噴發(fā)時(shí)攜帶了大量微粒，狹長形羽輝的形成與底部擺動羽輝沿光束方向噴發(fā)時(shí)攜帶的微粒進(jìn)入光束內(nèi)、逆光束方向運(yùn)動、受激光束加熱發(fā)光有關(guān)[32].狹長形羽輝對焊接過程帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響(羽輝中的微粒影響了激光束的傳輸特性)，采用超音速橫向氣簾吹除狹長形羽輝可提高約20% 的焊接熔深[33].小孔內(nèi)的金屬蒸氣向外的噴發(fā)速度可達(dá)200 m/min[34]，如此高速的金屬蒸氣沿光束方向噴發(fā)時(shí)勢必會影響保護(hù)氣對熔池的保護(hù)效果.采用文中所制內(nèi)管少量保護(hù)氣體產(chǎn)生高速保護(hù)氣流，外管通常規(guī)保護(hù)氣流的雙層噴嘴，可明顯吹除狹長形羽輝(圖3)，故而也可有效避免小孔內(nèi)金屬蒸氣沿光束方向噴發(fā)時(shí)對保護(hù)氣流的擾動.

小孔前壁表面激光致蒸氣噴出小孔口時(shí)勢必沖擊小孔后壁和擠壓小孔前壁，如圖8 所示，該蒸氣對小孔壁的擾動將對焊接過程產(chǎn)生重要影響，導(dǎo)致飛濺、氣孔、駝峰和焊縫表面成形差等焊接缺陷的產(chǎn)生.Kawahito 等人[35]指出飛濺和駝峰的形成與孔內(nèi)羽輝噴發(fā)時(shí)摩擦小孔后壁有關(guān)；Chang 等人[36]認(rèn)為孔內(nèi)羽輝的噴發(fā)是影響飛濺和焊縫表面成形的主要原因;Nakamura 等人[37]指出孔內(nèi)激光致羽輝噴發(fā)時(shí)對小孔后壁的強(qiáng)剪切力是導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生和熔池流動的主要因素,小孔前壁表面激光致蒸氣(羽輝) 噴出小孔口是形成底部擺動羽輝的主要原因.由此可見，激光深熔焊接飛濺、駝峰等焊接缺陷的形成與底部擺動羽輝的噴發(fā)狀態(tài)有關(guān)，但底部擺動羽輝僅沿光纖激光束方向噴發(fā)(該過程形成狹長形羽輝) 時(shí)才對光纖激光的傳輸特性(焊接過程) 產(chǎn)生負(fù)面影響.

圖8 低焊接速度飛濺產(chǎn)生機(jī)理Fig.8 Formation mechanism of spatter at low welding speed

采用橫向氣簾吹除羽輝，主要是消除狹長形羽輝對焊接過程的負(fù)面影響，但超音速橫向氣流并不對底部擺動羽輝的形成產(chǎn)生影響.文中提出采用一種內(nèi)管產(chǎn)生高速保護(hù)氣流，外管通常規(guī)保護(hù)氣流的旁側(cè)雙層噴嘴控制羽輝和保護(hù)熔池.當(dāng)內(nèi)管通高速保護(hù)氣流時(shí)，可明顯抑制狹長形羽輝，此外試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)高速保護(hù)氣的流向不同時(shí)，對焊接過程的影響存在明顯的差異，這是高速保護(hù)氣流作用于深熔小孔口時(shí)，對孔內(nèi)金屬蒸氣的噴發(fā)行為產(chǎn)生調(diào)控所致，即變化高速保護(hù)氣的流向?qū)π】卓诤腿鄢禺a(chǎn)生不同的效果.

雙層噴嘴內(nèi)管未通高速保護(hù)氣流時(shí)，在小孔口前部位置有液柱出現(xiàn)，且伴隨大量飛濺顆粒的產(chǎn)生[38-39].當(dāng)高速保護(hù)氣的流向逆焊接方向時(shí)，可明顯觀測到小孔口前部存在明顯的凸起液柱、以及大量的飛濺顆粒，并且熔池表面狀態(tài)存在明顯的波動，如圖7b 所示，即此時(shí)的保護(hù)氣流布置方式惡化了焊接過程的穩(wěn)定性.由于小孔前側(cè)存在凸起的液柱和飛濺，高速保護(hù)氣流會將液柱和飛濺吹至小孔口位置，如圖9a 所示，此時(shí)小孔口處的液柱和飛濺顆粒對入射激光的阻擋/吸收是使得焊接過程穩(wěn)定性變差的主要原因，同時(shí)該部分液柱或飛濺顆粒相當(dāng)于加厚了焊接板材，故而導(dǎo)致焊縫中的實(shí)際熔深變小.

圖9 不同方向吹氣對飛濺的影響Fig.9 Effect of blowing in different directions on splash.(a) blowing direction opposite the welding direction;(b) blowing direction along the welding direction

當(dāng)保護(hù)氣流向沿著焊接方向時(shí)，熔池和小孔口形貌如圖9b 所示，可明顯觀測到小孔口前部無液柱存在，飛濺顆粒受氣流作用被壓制于板材表面，熔池流動也相對更穩(wěn)定，此時(shí)保護(hù)氣流對小孔口前部液體柱的影響示意圖如圖9b 所示.高速保護(hù)氣流除了直接吹除狹長形羽輝外，還將小孔口前部的液體柱(飛濺) 吹出激光作用區(qū)，使其不影響光纖激光束的傳輸，因此保護(hù)氣流有效地控制了狹長形羽輝的負(fù)面效應(yīng)及飛濺對激光光束的影響，使得焊接過程更為穩(wěn)定，熔深變深，熔寬變窄.此外在外層保護(hù)氣的作用下，熔池狀態(tài)也更為穩(wěn)定，焊縫表面成形得到明顯改善，如圖5 所示.

在光纖激光深熔焊接中，底部擺動羽輝并不具備對焊接過程產(chǎn)生直接負(fù)面影響，但形成底部擺動羽輝的小孔前壁激光致蒸發(fā)蒸氣噴發(fā)時(shí)將導(dǎo)致小孔口邊緣形成液柱(飛濺)，采用高速保護(hù)氣流控制羽輝并保護(hù)熔池時(shí)，需要根據(jù)小孔邊緣激光致液柱的產(chǎn)生位置(即底部擺動羽輝的噴發(fā)狀態(tài)) 靈活設(shè)置保護(hù)氣流向，才可以對焊接過程進(jìn)行最好的調(diào)控.總之，在常規(guī)保護(hù)噴嘴的內(nèi)部設(shè)置可產(chǎn)生高速保護(hù)氣流的內(nèi)管，在保持保護(hù)氣流量基本不變的前提下，借助于內(nèi)管產(chǎn)生的高速保護(hù)氣流作用于羽輝和熔池，可實(shí)現(xiàn)狹長形羽輝的有效抑制，避免其對光纖激光束傳輸和保護(hù)氣保護(hù)效果的擾動，同時(shí)噴嘴合理的布置方式可調(diào)控底部擺動羽輝的噴發(fā)狀態(tài)，調(diào)控孔內(nèi)噴發(fā)蒸氣導(dǎo)致的小孔口邊緣液柱或飛濺，使焊接過程更穩(wěn)定，焊縫成形質(zhì)量更好.

4 結(jié)論

(1) 在常規(guī)保護(hù)噴嘴內(nèi)部設(shè)置可產(chǎn)生高速保護(hù)氣流的內(nèi)管，利用旁軸高速氣流可控制底部擺動羽輝沿光纖激光束方向噴發(fā)，消除狹長形羽輝對光束傳輸?shù)呢?fù)面效應(yīng)及其對保護(hù)氣流的擾動.

(2) 高速氣流逆焊接方向時(shí)，小孔口前部凸起液柱現(xiàn)象惡化并發(fā)生偏折、堵塞小孔口，飛濺變多、熔深變淺、熔池表面波動劇烈、焊縫成形變差；反之，小孔口前部凸起液柱消失或被吹出激光作用區(qū)，飛濺減少，熔深加深，熔池表面較為平穩(wěn)，焊縫成形良好.

(3) 底部擺動羽輝噴發(fā)時(shí)在小孔口附近形成液柱，高速氣流作用于液柱使其堵塞小孔口是致使焊接過程穩(wěn)定性惡化的主要原因，在光纖激光深熔焊接中，布置保護(hù)氣時(shí)應(yīng)該考慮其流向?qū)π】卓诟浇蛊鹨褐挠绊?