激光焊接體能量及其對焊縫熔深的影響

秦國梁 林尚揚(yáng)  來源：《焊接學(xué)報》

0 前言

    激光焊接，特別是激光深熔焊接是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及到激光—材料—等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過程中影響并決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率、焊接速度、離焦量及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)，其中離焦量（在激光焊接中，一般用離焦量來表征激光光斑及焦點(diǎn)尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一。

    在電弧焊中，人們常采用焊接線能量或熱輸入(二者的單位均為J·m^-1)來描述和評價焊接過程中電弧電壓、焊接電流和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，但是這兩個參數(shù)都沒有考慮電弧作用面積對焊縫熔深的影響。

    如果用電弧焊中的焊接線能量或熱輸入來綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，則不能反映離焦量及焦點(diǎn)尺寸對焊縫熔深的影響。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆。

    目前，在激光焊接的研究中，還沒有一個參數(shù)能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對焊接過程的影響。為了綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響以及區(qū)別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接過程中焊接體能量對焊縫熔深的影響。

1 焊接體能量的定義 

    為了能夠綜合評價激光功率、焊接速度、激光輻照面積（離焦量）以及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，引入焊接體能量的概念，并將焊接體能量qV的定義為：

     （1）

    式中：Q——激光功率；

    V——焊接速度。

    S——為輻照在小孔內(nèi)的激光束光斑面積，實驗用的Nd:YAG激光器經(jīng)焦距為200 mm的透鏡輸出的激光光斑面積與離焦量關(guān)系的擬合關(guān)系式為：

     （2）

    式中：∆z——離焦量；

    R0——激光束焦點(diǎn)半徑。

    因此，焊接體能量又可以表示為：

     （3）

    從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時間內(nèi)的激光功率密度或單位面積內(nèi)的焊接線能量，其單位為J·m-3，不同于電弧焊中焊接線能量和熱輸入的物理意義和單位J·m-1。

    從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量可由激光功率、焊接速度、及離焦量及激光束焦點(diǎn)半徑計算得出。圖1為焊接體能量隨激光功率、焊接速度和離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。從焊接體能量的定義及圖1中可以看出，焊接體能量與激光功率成正比關(guān)系，與焊接速度成反比關(guān)系，與焦點(diǎn)尺寸成平方關(guān)系，而與離焦量成指數(shù)關(guān)系。焊接體能量的變化能夠體現(xiàn)激光功率、焊接速度、離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。

2 焊接體能量對焊縫熔深的影響

2.1 試驗條件

    實驗用的激光器為額定功率為2 kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長為1.06 μm的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為0.6 mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200 mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點(diǎn)半徑為0.3 mm，工件為250×100×1.8 mm 的Q235鋼板，同軸保護(hù)氣為Ar氣。

(a) 激光功率

(b) 焊接速度

(c) 離焦量

圖1 焊接體能量隨焊接規(guī)范參數(shù)的變化

    本文的主要目的在于研究焊接體能量對焊縫熔深的影響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，實驗采用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，并且只測量工件未焊透時的焊縫熔深。

    通過激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實現(xiàn)了焊接體能量的變化。實驗過程中的焊接規(guī)范參數(shù)變化如表1所示。

表1 焊接規(guī)范參數(shù)的變化

變化焊接規(guī)范參數(shù)的變化范圍		其他焊接規(guī)范參數(shù)
激光功率 Q /W	900～1200	V＝30 mm·s-1, ∆z＝0 mm,  Uf=20 l·min-1
焊接速度V/(mm∙s-1)	30～60	Q＝1250 W, ∆z＝0 mm,  Uf=20 l·min-1
離焦量 ∆z /mm	∆z: －4.5～－2.0 ∆z: 3.0～5.0	Q＝1500 W, V＝30 mm·s-1, Uf=25 l·min-1

2.2 焊接體能量對焊縫熔深的影響

    在焊接體能量的定義（1）式和（3）式中，焊接速度表征了激光束對小孔輻照時間的長短，而Q/S或  則表明了輻照在孔內(nèi)的激光功率密度的大小。因此，輻照在小孔孔內(nèi)的焊接體能量從激光輻照時間和功率密度兩方面影響、決定著小孔深度和焊縫熔深。由于孔底液態(tài)金屬層的厚度很小，其對焊縫熔深的影響很小，因而在激光深熔焊接研究中，人們通常將焊縫熔深視作小孔深度來處理。

    圖2為在激光功率、焊接速度及離焦量變化時焊縫熔深隨焊接體能量的變化。

(a) 激光功率

(b) 焊接速度

(c) 離焦量

圖2 焊接規(guī)范參數(shù)變化時焊接體能量對焊縫熔深的影響

    焊接體能量與激光功率呈正比，激光功率密度隨著激光功率增大而增大，焊接體能量也隨之增大。因而在單位時間內(nèi)將有更多的激光束能量輻照到小孔底部，激光束對孔底的輻照加熱作用增強(qiáng)，孔底蒸發(fā)的材料越多，焊縫熔深也就越深。如圖2a所示。

    焊接體能量與焊接速度呈反比關(guān)系，隨著焊接速度的加快，激光束對小孔的輻照時間越短，輻照在小孔內(nèi)的焊接體能量就越小，則孔底蒸發(fā)的材料就越少，焊縫熔深就越淺。如圖2b所示。

    焊接體能量與離焦量呈指數(shù)關(guān)系，且在理論上關(guān)于∆z＝0 mm對稱（在實際焊接過程中，由于激光束焦點(diǎn)位置的漂移，使焊接體能量并不關(guān)于∆z＝0 mm對稱，而是向入焦方向偏移了一定距離，本文中試驗中激光束焦點(diǎn)位置的偏移為入焦1mm）。在離焦量變化過程中，隨著激光束焦點(diǎn)到工件上表面距離的減小，輻照在小孔內(nèi)的激光光斑就越小，激光功率密度就越大，焊接體能量也就越大，

    對孔底材料的轟擊也就越強(qiáng)，孔底蒸發(fā)的材料也就越多，焊縫熔深也就越深。如圖2c所示。

    從上面的分析及圖2中可知，焊縫熔深隨焊接體能量的變化而近似呈線性變化。焊接體能量越大，則單位時間、單位面積內(nèi)工件材料接受的激光束輻照的能量越多，蒸發(fā)的材料也就越多，從而小孔深度和焊縫熔深也就越深。

    從焊接體能量的定義及圖1、圖2中可以看出，焊接體能量綜合了激光功率、焊接速度及離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響。

    此外，從焊接體能量的定義（3）式中還可以看出，焊接體能量與激光束焦點(diǎn)半徑成平方關(guān)系，能夠體現(xiàn)激光束焦點(diǎn)大小對焊縫熔深的影響。激光束焦點(diǎn)尺寸越小，焊接體能量就越大，也就可以獲得更深的焊縫熔深�；蛘哒f，在一定的焊接體能量下，獲得一定深度的焊縫熔深，如果所用激光束焦點(diǎn)越小，則所需要的激光功率也就越小。因此，可采用強(qiáng)聚焦的方法減小激光束焦點(diǎn)尺寸，從而達(dá)到增加熔深或減小激光器輸出功率的目的，這一點(diǎn)已被國外有關(guān)研究成果所證明。

3 結(jié) 論

    （1）定義激光焊接體能量，其由激光功率、焊接速度及離焦量計算得到。

    （2）焊接體能量與激光功率呈正比、焊接速度呈反比、離焦量呈指數(shù)關(guān)系，激光束焦點(diǎn)尺寸越小，焊接體能量越大。

    （3）焊縫熔深隨著焊接體能量的增大而近似呈線性增大。焊接體能量能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響。