光束摆动法减小激光焊接气孔倾向

摘要：针对激光深熔焊过程中易出现的气孔问题，作者提出光束摆动激光焊接减小气孔倾向的工艺。利用3kW快轴流CO_{2激光器分别对激光焊接过程中可能出现的氮气孔和氩气孔进行了试验研究。结果表明，光束摆动激光焊接对氮气孔有显著的消除效果，随着摆动频率的增加，气孔急剧减少，并且在摆动幅度仅为0.5mm的情况下，就可以起到消除气孔的效果;光束摆动激光焊接对于抑制氩气孔也有一定作用，摆动频率越大，摆动幅度越大，对熔池的搅拌越大，越有利于气泡的逸出，焊缝中氩气孔越少。
关键词：激光焊接；光束摆动；气孔}

序言

随着大功率激光器的发展，激光深熔焊技术在工业领域越来越得到广泛的使用，激光焊接的熔深也进一步增加，但激光深熔焊尤其是激光焊接厚板易出现气孔问题。激光焊接气孔问题愈来愈被人们所重视。焊接气孔是典型的焊接冶金缺陷，而激光焊接气孔主要有两类，氮气孔和氩气孔。

激光焊接氮气孔的产生主要是由于保护不良而引起的。在焊接过程中，氮从外部侵入熔池，氮在液态铁中的溶解度与氮在固态铁的溶解度有很大的差异，因而在金属的冷却凝固过程中，由于氮的溶解度随温度的下降而降低，当熔池金属冷却到开始结晶时，溶解度将发生大幅度的突然下降，此时气体大量析出形成气泡，如果气泡的上浮速度小于金属结晶速度，则生成气孔[1]。激光焊接氩气孔与氮气孔的产生机理不同。日本Matsunawa[2～4]等学者的研究表明，激光焊接的小孔内部处于一种不稳定振动状态，小孔和熔池的流动非常剧烈，小孔内部的金属蒸汽向外喷发引起小孔开口处的蒸汽涡流，将保护气体(Ar)卷入小孔底部，随着小孔向前移动，这些保护气体将以气泡形式进入熔池。因Ar溶解度极低，再加上激光焊接的冷却速度很快，气泡来不及逸出而被残留在焊缝，形成气孔。

目前，解决激光焊接气孔问题主要有两种方法。一是利用冶金原理，采用活性气体，使得气体能够溶解于焊缝或与熔池金属发生反应生成化合物。例如，在低碳钢激光焊接中采用CO_{2作保护气体，减小气孔倾向[5]。但采用CO2作保护气体可能会出现焊缝含氧量增加从而导致焊缝韧性下降。二是采用脉冲激光焊接，改变了小孔的行为，减少保护气体被卷入小孔[6～8]。这种方法目前还不能完全消除气孔。}

作者提出了利用光束摆动的方法来减小或消除激光深熔焊中的气孔倾向。目前，摆动激光焊接主要应用于有降低焊件装配间隙要求构件上，而光束摆动激光焊接抑制气孔的研究仍未见有报道。由于在激光焊接中加入摆动，束流对焊缝的往复摆动一方面使部分焊缝发生反复重熔，延长了焊接熔池液态金属停留的时间，同时，束流的偏转也增加了单位面积输入热，减小了焊缝的深宽比，有利于气泡的浮出，从而起到消除气孔的作用。另一方面束流的摆动导致小孔随之摆动，又可以起到对焊接熔池提供一个搅拌力的作用，加大了焊接熔池的对流与搅拌，对消除气孔起有利作用[9]。作者在激光焊接过程中加入摆动(光束摆动激光焊)，研究了光束摆动规范(频率、振幅)对激光焊接焊缝气孔(氮气孔、氩气孔)的影响。

1 试验

试验方法如图1所示。试验材料为低碳钢(Q235钢)，板厚为4mm。试验中使用3kW快轴流CO_{2激光器，光束模式为TEM00+01，聚焦元件为焦距190mm的ZnSe透镜。光束摆动方向与焊接方向垂直，摆动幅度在0～2mm之间连续可调，摆动频率在0～50Hz连续可调。工件运动通过一台CNC数控机床实现。}

图1 光束摆动激光焊接试验示意图

光束摆动对激光焊接氮气孔影响的试验中，采用的激光功率为2400W，焊接速度为1.0m/min，保护气体为N2，轴向气体流量400L/h，环向气体流量1000L/h。光束摆动对激光焊接氩气孔影响的试验中，采用的激光功率为2400W，焊接速度为0.5m/minm和1.0m/min，保护气体为Ar，轴向气体流量400L/h，环向气体流量1000L/h。

焊后分析方法主要为用X射线对焊缝进行无损探伤，观察焊缝中的气孔及其分布情况。同时利用image-proplus软件对激光焊接焊缝氮气孔率进行了分析。

2 试验结果与分析

2.1 光束摆动对激光焊接氮气孔的影响

图2所示的是不同摆动规范下激光焊接焊缝氮气孔情况(X射线透视图)。由图2可以发现，光束摆动可以起到消除氮气孔的作用，在其它条件不变的情况下，随着摆动频率的增加，焊缝中的气孔减少。

图2 光束摆动对激光焊接氮气孔的影响nextpage

定义气孔率Pr为气孔面积Ap所占焊缝上表面面积Aw的比例，即

图3所示的是激光摆动焊接摆动频率对氮气孔率的影响曲线。由图3可以看出，激光摆动焊接摆动频率对气孔率的影响与X射线透视图的结果一致，即在摆动幅度一定的情况下，随着摆动频率的增大，激光摆动焊接焊缝气孔率明显下降，气孔数量显著减少。

图3 光束摆动激光焊接摆动频率对氮气孔率的影响

2.2 光束摆动对激光焊接氩气孔的影响

在首先进行的单面焊和双面焊的对比试验中，发现焊缝双面焊部分气孔比单面焊部分要多(如图4所示)，这是因为，双面焊接时，第二道焊对第一道焊缝进行了部分重熔，使第一道焊缝中的气孔中的气体进入第二道焊缝，所以双面焊部分气孔增多。因此在光束摆动激光焊接对焊缝气孔影响的研究中，均采用双面焊。

图4 焊缝单、双面焊气孔对比

2.2.1 摆动频率对激光焊接焊缝氩气孔的影响

图5、6所示的是光束摆动频率对激光焊接焊缝氩气孔的影响(X射线透视图)，即在固定其它参数(激光功率、焊接速度、焦点位置、摆动幅度)，仅改变摆动频率。由图5可以看出，在摆动幅度为1.0/mm、焊接速度为1.5m/min的情况下，随着摆动频率的增大，气孔减少，其中摆动频率为22Hz时，气孔最少，摆动频率为5Hz，13Hz时，气孔也有所减少，但是摆动频率为5Hz的焊缝成形不符合要求，不适合实际应用。而由图6可知，在摆动幅度为1.0mm、焊接速度为0.5m/min时，随着摆动频率的增加，气孔逐渐减少，频率较高(22Hz)时，焊缝气孔最少。

图5 摆动频率与氩气孔之间的关系I

图6 摆动频率与氩气孔之间的关系IInextpage

综合上述结果不难发现，在激光功率、焊接规范、摆动幅度一定的情况下，摆动频率越高，气孔越少。考虑到相同激光功率的情况下，加大摆幅或频率都会在一定程度上减小熔深，所以频率也不宜过高，13Hz比较合适。对于焊接速度较低的情况，需加大摆动频率才能获得比较满意的抑制气孔的效果，则应考虑在增大摆动频率的同时，增加激光功率，以保证一定的熔深。

2.2.2 摆动幅度对激光焊接焊缝氩气孔的影响

图7、8、9所示的是光束摆动幅度对激光焊接焊缝氩气孔的影响(X射线透视图)，即在固定其它参数(激光功率、焊接速度、焦点位置、摆动频率)，仅改变幅度(激光功率均为2400W)。由图7可以看出，在焊接速度较高(1.5m/min)，摆动频率较高(22Hz)的情况下，随着摆动幅度的增加，气孔减少。由图8、9可知，在焊接速度较低(0.5m/min)，摆动频率较小(5Hz)的情况下，反而增加了气孔的形成，摆动幅度越大，气孔越多。而在焊接速度较低(0.5m/min)，摆动频率较高(13Hz)的情况下，随着摆动幅度增加，气孔减少。

图7 摆动幅度与氩气孔之间的关系I

图8 摆动幅度与氩气孔之间的关系II

图9 摆动幅度与氩气孔之间的关系III

总结上述结果，可得出摆动幅度与焊接速度、摆动频率之间存在的配合关系，摆动幅度对于焊接速度较高(1.5m/min)的情况，摆动幅度增加有利于减少气孔;而对焊接速度较低(0.5m/min)的情况，在摆动频率较低时(5Hz)，摆动幅度增大会增加气孔，而在摆动频率较高(13Hz)时，摆动幅度增加则有利于减少气孔。

3 结论

(1)光束摆动激光焊接可以起到减少和消除气孔的作用。

(2)光束摆动激光焊接对氮气孔有显著的消除效果。随着摆动频率的增加，气孔急剧减少。并且在摆动幅度仅为0.5mm的情况下，就可以起到消除气孔的效果。

(3)光束摆动激光焊接对于抑制氩气孔也有一定效果。摆动频率越大，摆动幅度越大，对熔池的搅拌越大，越有利于气泡的逸出，气孔越少。但是综合考虑焊缝成形，在频率和摆动幅度较大的时候，为了保证熔深，需要适当增加激光功率。