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 供稿：通快（中國）有限公司 

波長在 1 µm 左右的碟片激光器和光纖激光器，正日益應(yīng)用于 各種不同的焊接任務(wù)中，并且正在從 CO₂ 激光器手中搶占到越來越多的市場份額。尤其是在薄板焊接、三維部 件焊接以及大型部件焊接等應(yīng)用中，1 µm 波長通過柔性光纖導(dǎo)光的優(yōu)勢是非常有用的。但是如果關(guān)注的焦點(diǎn) 是焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，比如焊縫表面和焊 縫底部的焊接質(zhì)量以及焊接飛濺物，那么CO₂激光器則是最常用的光源選擇。

本文將著重探索深熔焊引發(fā)加工過程不穩(wěn)定的機(jī)理，并通過高速成像 設(shè)備記錄畫面，以便探討提高固體激光器焊接質(zhì)量的解決方案。首先要解決的問題是如何在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中優(yōu) 化加工工藝，從而優(yōu)化加工的可靠性。第二，如何抑制金屬羽輝，從而優(yōu)化應(yīng)用結(jié)果和增加熔深。第三，如何使用遠(yuǎn)程掃描頭焊接和擺動(dòng)技術(shù)來優(yōu)化應(yīng)用結(jié)果。

優(yōu)化應(yīng)用結(jié)果的方法

（1）試驗(yàn)裝置

采用通快的 Yb:YAG 固體碟片激光器（TruDisk 16002）對低碳鋼 S235 進(jìn)行局部穿透和全部穿透的深熔焊，光束質(zhì)量為 8mm*mrad，波長λ= 1.03 µm。為了實(shí)現(xiàn)更大的穿透深度和更高的焊縫質(zhì)量，焦點(diǎn)位置設(shè) 定在工件表面以下 2 mm 處。在焊接材料底部安裝有一臺(tái)高速相機(jī)，其與一臺(tái) EOS 7D 相機(jī)和安裝在焊接材料 頂部的其他高速攝像機(jī)結(jié)合使用，可 以非常詳細(xì)地以可視化的方式記錄整個(gè)焊接過程。下面我們將主要研究三個(gè)主要現(xiàn)象：熔滴、飛濺物和金屬羽輝。 

圖1：試驗(yàn)裝置                                   

（2）使用 1 µm 碟片激光器或光纖激光器實(shí)現(xiàn)全熔透焊接

對于全熔透焊接，焊接參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響非常大。圖 2 中顯示了激光功率參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響。從圖中可以看到，當(dāng)激光功率從 7.75 kW 增加到 13 kW 時(shí)對焊縫質(zhì)量的影響。該試驗(yàn)是在厚度為 12 mm 的低碳鋼 S235 上進(jìn)行的，焊接速 度恒定為 1 m/min。當(dāng)激光功率為 7.75 kW 時(shí)，我們可以看到熔池的影響。在進(jìn)料的反方向上，處于熔化節(jié)點(diǎn)和激光束出現(xiàn)點(diǎn)之間存在一個(gè)幾毫米的缺口。當(dāng)激光功率 為 8 kW 時(shí)，熔池移動(dòng)到了激光束出現(xiàn)之前，從而出現(xiàn) 微小熔化增多，避免了熔滴。進(jìn)一步增加激光功率，會(huì)導(dǎo)致熔化節(jié)點(diǎn)和激光束出現(xiàn)點(diǎn)之間更大的差 距。當(dāng)功率為 10 kW 時(shí)， 能獲得1.1 mm 的最大熔深。熔池動(dòng)態(tài)受到了影響，并且 在底部可以檢測到一 個(gè)旋轉(zhuǎn)的熔體流動(dòng)。

（3）飛濺物和金屬羽輝

圖2：以1 m/min的速度對厚度為12 mm的薄板進(jìn)行全熔透焊接時(shí)，激光功率對焊接質(zhì)量的影響。a）在左 邊可以看到焊接材料的底部，包括出射激光束的位置。b）材料上表面的焊接質(zhì)量、截面和下表面的焊縫 質(zhì)量。c) 焊接質(zhì)量處于實(shí)驗(yàn)級別，這里1表示質(zhì)量非常好。

由于毛細(xì)管后方的表面張力，熔體向工件偏轉(zhuǎn)——一 種所謂的“研磨效應(yīng)”由此產(chǎn)生，導(dǎo)致在工件底部的焊縫 強(qiáng)度得到加強(qiáng)。因此，當(dāng)激光功率在 8.5~10.25 kW 之間 時(shí)，可以獲得非常好的焊縫質(zhì)量。在這樣的功率水平下， 熔池底部沒有開口的毛細(xì)管，因此在根部沒有檢測到飛濺 物。當(dāng)激光功率達(dá)到 10.5~13 kW 時(shí)，這種現(xiàn)象會(huì)有所改 變，這時(shí)候熔體會(huì)在底部噴射出來。當(dāng)激光功率達(dá)到 13 kW 時(shí)，熔體噴射非常厲害，導(dǎo)致工件分離，從而形成切割（沒有任何輔助切割氣體）。這種效應(yīng)被稱為蒸汽壓力熔切（VPMC）。圖 2b 中分別顯示了工件頂部、底部以及截面的焊縫質(zhì)量。若將焊縫質(zhì)量的等級以數(shù)字區(qū)分，1 代表 質(zhì)量非常好，而 6 代表質(zhì)量很差。我們可以看到，對于 12mm 厚的低碳鋼來說，在激光功率為 8.7~10 kW 之間時(shí)， 可以實(shí)現(xiàn)深熔焊并獲得良好的焊接效果。在實(shí)際工業(yè)應(yīng) 用中，我們建議的選擇功率為 9.25 kW（即大約處于功率 中點(diǎn)），以便增加激光加工過程的可靠性。正如上文提及， 該試驗(yàn)是在進(jìn)給速度為 1m/min 的情況下進(jìn)行的。

除了測試不同的激光功率對焊接質(zhì)量的影響外，我們 也評估了不同的進(jìn)給速度對焊接質(zhì)量的影響。試驗(yàn)所用板 材的厚度仍然為 12 mm，并且采用相同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果如圖 3 所示。

在所有的激光焊接進(jìn)給速度下，我們可以看到有的區(qū)域全熔透了，但同時(shí)伴有熔滴滴落。激光功率的增加可以 使這個(gè)區(qū)域擴(kuò)大，從而實(shí)現(xiàn)足夠好的焊縫質(zhì)量（見圖 3，B1 和 B2 域）。由于高能量的輸入，B1 區(qū) 0.2~0.7 m/min的低焊接速度，會(huì)導(dǎo)致更寬的焊縫。隨著進(jìn)給速度的增加， 焊縫隨之變小，但是焊縫所處的功率范圍也在縮?。▓D 3，B2 區(qū)域）。當(dāng)焊接速度 v = 1 m/min 時(shí)，功率變化范圍 ΔP 約為 2.5 kW ；當(dāng)焊接速度 v = 1.5 m/min 時(shí)，功率變 化范圍縮小到 ΔP = 0.25 kW。當(dāng)焊接速度超過 1.5 m/min 時(shí)，就很難獲得較好的焊接效果，將會(huì)產(chǎn)生熔滴滴落，或者出現(xiàn)蒸汽壓力熔切。

圖3：在厚度為12 mm的低碳鋼S235材料上的應(yīng)用結(jié)果。                                   圖4：不同進(jìn)給速度下的側(cè)面圖。

當(dāng)焊接速度為 v = 3~4 m/min 的中等速度時(shí)，飛濺物 將從前部、后部以及各個(gè)方向上的毛細(xì)管側(cè)壁噴出，尤其 在焊接方向上會(huì)有增加（見圖 4）?？傊?，這些飛濺物很小，不會(huì)粘到工件表面。但是有一些大的飛濺物會(huì)污染到工件表面。盡管如此，其焊縫質(zhì)量仍然非常好，焊接強(qiáng)度很大。

一方面，這種飛濺源于熔池振蕩：流出的高能量金屬 蒸氣羽輝，沿激光光束向各個(gè)方向傾斜（見圖 5）。另一方面，由于金屬羽輝和入射激光束之間強(qiáng)烈的相互作用，這導(dǎo)致耦合的激光將在不同時(shí)段不同位置射入焊接工件。在光束方向上的發(fā)光效果使這種相互作用變得可見（見圖4）。

圖5：在3 m/min的進(jìn)給速度下，不同時(shí)段的側(cè)面圖。

隨著進(jìn)給速度的增加，毛細(xì)管前 部變得越來越平坦。當(dāng)進(jìn)給速度增加 至 6 m/min，焊縫熔池表現(xiàn)出很高的動(dòng)態(tài)性。結(jié)果顯示，在毛細(xì)管孔徑背 后的焊縫熔池開始膨脹，變得更加動(dòng) 蕩不安。一個(gè)有點(diǎn)不均勻的上珠出現(xiàn)。在這個(gè)焊接給進(jìn)速度下，形成了一個(gè) 介于高速和低速焊接的過渡區(qū)。

當(dāng)焊接進(jìn)給速度進(jìn)一步增至 8 m/min時(shí)，位于毛細(xì)管的尾部，在焊接進(jìn)給速度（沒有任何輔助切割氣體）。這種效應(yīng)被稱為蒸汽壓力熔切（VPMC）。圖 2b 中分別顯示了工件頂部、底部以及截面的焊縫質(zhì)量。若將焊縫質(zhì)量的等級以數(shù)字區(qū)分，1代表質(zhì)量非常好，而6代表質(zhì)量很差。我們可以看到，對于 12mm 厚的低碳鋼來說，在激光功率為 8.7~10 kW 之間時(shí)， 可以實(shí)現(xiàn)深熔焊并獲得良好的焊接效果。在實(shí)際工業(yè)應(yīng) 用中，我們建議的選擇功率為 9.25 kW（即大約處于功率 中點(diǎn)），以便增加激光加工過程的可靠性。正如上文提及， 該試驗(yàn)是在進(jìn)給速度為 1m/min 的情況下進(jìn)行的。

當(dāng)焊接進(jìn)給速度進(jìn)一步增至 8 m/min時(shí)，位于毛細(xì)管的尾部，在焊接進(jìn)給速度的反方向，將出現(xiàn)大量由熔化產(chǎn)生的飛濺物（見圖4）。這不僅污染焊縫 表面，還將導(dǎo)致焊縫內(nèi)大量材料損失，因而焊接無法得以強(qiáng)化，焊縫強(qiáng)度降 低，尤其在動(dòng)態(tài)加載時(shí)。這種現(xiàn)象稱 之為匙孔傾斜，在這種情況下激光功 率的吸收，更多發(fā)生在毛細(xì)管前部。隨后熔化會(huì)使得材料吸收更多熱量，并產(chǎn)生更大的蒸發(fā)率，這是激光焊接 中所有動(dòng)態(tài)效應(yīng)的推動(dòng)力量。

如上所述，金屬羽輝對飛濺和焊 縫質(zhì)量也有很大的影響，因此同軸噴 嘴由此設(shè)計(jì)而成（見圖 6）。壓縮空氣 在被吹向工件冷卻熔池的過程中，同 時(shí)將金屬羽輝吹離工作區(qū)域，從而降低激光光束與金屬羽輝之間的相互影響。當(dāng)焊接進(jìn)給速度小于 8 m/min 時(shí)， 效果清晰可見（見圖7）。

圖6：同軸噴嘴與 cross jetz相連。

       圖7：在不同的進(jìn)給速率下，使用和不使用同軸噴嘴情況下的側(cè)面圖。

由于在時(shí)間上和空間上，激光功 率可以被更加均勻地耦合到工件上， 毛細(xì)管內(nèi)的蒸發(fā)也會(huì)更加均勻。從而毛細(xì)管變得更加穩(wěn)定，飛濺帶來的材 料損失減少。當(dāng)焊接給進(jìn)速度為 v < 6 m/min 時(shí)，相較于沒有同軸噴嘴的 焊接，通?？梢垣@得更高質(zhì)量的焊縫 表面（見圖8）。除此之外，使用同軸 噴嘴使得焊縫寬度變窄，并且增加了 穿透深度（見圖 9）和穿透深度的穩(wěn) 定性。

圖8：不使用同軸噴嘴（a）和使用同軸噴嘴（b）時(shí)，頂部的焊縫質(zhì)量。

圖9：使用和不使用同軸噴嘴情況下的穿透深度和焊縫跨度。