大功率光纤激光焊接过程中工艺参数对熔深和气孔的影响_赵琳

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｗｅｌｄ Ｄｅｐｔｈ ａｎｄ Ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ
Ｚｈａｏ Ｌｉｎ１ Ｔｓｕｋａｍｏｔｏ Ｓｕｓｕｍｕ２ Ａｒａｋａｎｅ Ｇｏｒｏ２ Ｚｈａｎｇ Ｙａｎ１ Ｔｉａｎ Ｚｈｉｌｉｎｇ３
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赵 琳 等 ： 大 功 率 光 纤 激 光 焊 接 过 程 中 工 艺 参 数 对 熔 深 和 气 孔 的 影 响
当 焦 点 位 置 在 工 件 表 面 时 ，熔 深 和 小 孔 深 度 最 大 ，分 别为９．７ ｍｍ 和 ９．６ ｍｍ；焦 点 位 置 偏 离 工 件 表 面 时 ，熔 深 和 小 孔 深 度 下 降 。 由 图 ５ 还 可 知 ，各 深 熔 焊 接 条 件 下 ，小 孔 深 度 和 熔 深 基 本 一 致 。
３ 试验结果与分析
３．１ 焊 缝 熔 深 图４所示是 焊 接 速 度 １．０ ｍ／ｍｉｎ、离 焦 量 ０ 条
件下 Ｘ射线透射成像系统实时采集的小孔形状与 实际焊缝的 对 应 关 系，小 孔 深 度 与 熔 深 相 当。 图 ５ 所示是焊接速度、离 焦 量 对 熔 深 和 小 孔 深 度 的 影 响 规律。随着焊接速 度 的 减 小，熔 深 和 小 孔 深 度 均 呈
图３ 激光功率脉冲调制波形 Ｆｉｇ．３ Ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ ｐｕｌｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ
烄１ Ｎｅｗ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｈｉ－Ｔｅｃｈ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｃｈｉｎａ Ｉｒｏｎ ＆Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ，烌
Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ
２ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔｓｕｋｕｂａ ３０５－００４７，Ｊａｐａｎ
收 稿 日 期 ：２０１３－０５－０３；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１０－０７－１６ 作 者 简 介 ：赵 琳 （１９７７— ），男 ，博 士 ，高 级 工 程 师 ，主 要 从 事 激 光 加 工 技 术 和 焊 接 技 术 等 方 面 的 研 究 。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｈｎｄｓ＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ
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中 国 激 光
光功率 ８ｋＷ、焊 接 速 度 ０．５ ｍ／ｍｉｎ 的 条 件 下 焊 缝 熔深约为 １１．５ ｍｍ。Ｋａｗａｈｉｔｏ 等［９］分 析 了 光 纤 激 光过程中激光能量 密 度、焊 接 速 度 对 不 锈 钢 焊 缝 熔 深的影响规律，他们 发 现 采 用 激 光 功 率 ６ｋＷ，在 焦 点 位 置 激 光 光 斑 直 径 ０．１３ ｍｍ、焊 接 速 度 ０．６ｍ／ｍｉｎ的条件 下，焊 缝 熔 深 达 到 了 １１ ｍｍ。 李 耿等 在 ［１０］ 光纤激光焊接实验 中 通 过 改 变 气 体 类 型、 流 量 、混 合 比 例 、吹 气 角 度 、落 点 位 置 等 ，获 得 保 护 气 参数对熔深的影 响 规 律。 但 是，小 孔 作 为 激 光 深 熔 焊的重要特征，工艺 参 数 对 小 孔 深 度 的 影 响 以 及 小 孔深度与 熔 深 对 应 关 系 的 研 究 相 对 较 少。 另 一 方 面，小孔型气孔是激 光 深 熔 焊 尤 其 是 未 熔 透 激 光 焊 接的 主 要 问 题 之 一 ［１２］。ＣＯ２ 激 光 和 Ｎｄ：ＹＡＧ 激 光焊接过程中气孔形成机理及抑制方法已得到深入 的研究 ，但 ［１３－１５］ 在 光 纤 激 光 焊 接 中 仍 缺 乏 相 关 问 题的研究。本文研究了未熔透光纤激光焊接过程中 工艺参数对熔 深、气 孔 的 影 响，并 利 用 Ｘ 射 线 透 射 成像系统分析了小 孔 行 为，讨 论 了 小 孔 深 度 与 熔 深 的对应关系，最后采 用 激 光 功 率 三 角 波 脉 冲 的 方 法 研究了功率调制对小孔型气孔的抑制作用。
２ 试验方法
焊 接 试 件 尺 寸 为 ２５０ ｍｍ×２０ ｍｍ×２０ ｍｍ，材 料为 低 碳 钢 板，其 化 学 成 分 （质 量 分 数，％）为： Ｃ ０．１６，Ｓｉ ０．３５，Ｍｎ １．４６，Ｐ ０．０１６，Ｓ ０．００６。 激 光
焊接试验采用平 板 堆 焊 方 式，使 用 ７ｋＷ 光 纤 激 光 器，传输光纤芯径 ２００μｍ，聚 焦 透 镜 焦 距 ２５０ ｍｍ， 焦点位置光 斑 直 径 ０．３ ｍｍ。 焊 接 过 程 中，采 用 侧 吹保 护 气 体，喷 嘴 与 激 光 束 呈 ４５°夹，保 护 气 体 为 Ａｒ，流 量 １０Ｌ／ｍｉｎ，试 验 装 置 如 图 １ 所 示 。
第 ４０ 卷 第 １１ 期 ２０１３ 年 １１ 月
ห้องสมุดไป่ตู้
中 国 激 光 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＡＳＥＲＳ
Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２０１３
大功率光纤激光焊接过程中工艺参数对 熔深和气孔的影响
赵 琳１ 塚本进２ 荒金吾郎２ 张 岩１ 田志凌３
１
烄
中 国 钢 研 科 技 集 团 有 限 公 司 ，新 冶 高 科 技 集 团 有 限 公 司 ，北 京
１ 引 言
由 于 具 有 光 电 转 换 效 率 高 、光 束 质 量 好 、生 产 效 率高等特点，光纤激 光 焊 接 得 到 了 越 来 越 广 泛 的 关 注，尤其是大功率光 纤 激 光 焊 接 成 为 了 研 究 热 点 之
一［１－７］。关于光纤激光焊接工 艺 参 数 和 熔 深 的 对 应 关系，各国学者 纷 纷 发 表 了 相 关 的 研 究 数 据 。 ［８－１１］ Ｑｕｉｎｔｉｎｏ等 利 ［８］ 用 ８ｋＷ 光 纤 激 光 研 究 了 激 光 功 率、焊接速度对 Ｘ１００高强 钢 焊 缝 熔 深 的 影 响，在 激
图１ 光纤激光焊接试验装置 Ｆｉｇ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ
焊接 试 验 中，调 节 离 焦 量 和 焊 接 速 度 两 个 工 艺 参数：１）焊接速度 １．０ ｍ／ｍｉｎ 条 件 下，离 焦 量 分 别 为－１０、－５、０、５、１０ｍｍ；２）离焦 量 ０ 条 件 下，焊 接 速度分别 为 ０．５、１．０、３．０、５．０、１０ ｍ／ｍｉｎ。 为 了 分 析小孔深度与熔深的对 应 关 系，利 用 Ｘ 射 线 透 射 成 像系统观测 了 上 述 焊 接 工 艺 参 数 下 的 小 孔 行 为，Ｘ 射线透射成像系统和试样尺寸如图２所示。焊接试 验后，首先用 Ｘ 射 线 对 焊 缝 进 行 无 损 探 伤，观 察 气 孔情况，然 后 制 作 金 相 试 样，经 过 饱 和 苦 味 酸 腐 蚀 后 ，对 焊 缝 熔 深 进 行 测 量 。
１０００８１烌
２ 物质·材料研究机构，筑波 ３０５－００４７ 日本
烆
３ 中国钢研科技集团有限公司，北京 １０００８１
烎
摘要 采用７ｋＷ 光纤激光器，研究了未熔透光纤激光焊 接 过 程 中 工 艺 参 数 对 熔 深 、气 孔 的 影 响，讨 论 了 小 孔 深 度 与熔深的对应关系，并利用激光功率三角波脉冲的 方 法 研 究 了 功 率 调 制 对 小 孔 型 气 孔 的 抑 制 作 用 。 结 果 表 明，激 光焊接熔深与小孔深度基本一致。随着焊接速度的增大，焊缝熔深减小，气 孔 倾 向 降 低。 当 离 焦 量 为 ０ 时，焊 缝 熔 深和气孔倾向最大；当焦点位置偏离工件表面时熔 深 和 气 孔 倾 向 减 小。 在 较 宽 的 频 率 范 围 内 （２０～１２５ Ｈｚ），三 角 波调制激光功率有效地减少了光纤激光焊接小孔型气孔的产生，最佳频率为 ６０ Ｈｚ。 利 用 Ｘ 射 线 透 射 成 像 系 统 分 析 了 小 孔 行 为 ，发 现 激 光 功 率 脉 冲 调 制 提 高 了 小 孔 的 稳 定 性 ，从 而 减 小 了 气 孔 倾 向 。 关 键 词 激 光 技 术 ；光 纤 激 光 焊 接 ；焊 接 工 艺 参 数 ；脉 冲 调 制 ；熔 深 ；气 孔 中 图 分 类 号 ＴＧ４５６．７ 文 献 标 识 码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＪＬ２０１３４０．１１０３００４
图２ Ｘ射线透射成像系统及试样尺寸 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｆｏｃｕｓｅｄ Ｘ－ｒａｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｓａｍｐｌｅ ｓｉｚｅ
小孔型气孔是激光深熔焊尤其是未熔透激光焊 接的主要问题之一，已 有 的 研 究 结 果 表 明 三 角 波 激 光功率脉冲调制比矩形波调制更能有效地抑制气孔 产生［１５］，因此本文采用激光功 率 三 角 波 脉 冲 的 方 法 研究功率调制对小孔型气孔的影响。图３所示是三 角波激光功 率 脉 冲 调 制 波 形，峰 值 功 率 为７ｋＷ，基 值功率为 ３ｋＷ，三 角波 上升段时间为５ｍｓ，频 率 范 围为１０～１２５ Ｈｚ。
烆
３ Ｃｈｉｎａ Ｉｒｏｎ ＆Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ
烎
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｗｅｌｄ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｉｎ ｐａｒｔｉａｌ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ７ ｋＷ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｅｌｄ ａｎｄ ｋｅｙｈｏｌｅ ｄｅｐｔｈｅｓ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｉｓ ａｌｓｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｋｅｙｈｏｌｅ ｄｅｐｔｈ ｃｏｉｎｃｉｄｅｓ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｄｅｐｔｈ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｒｅｄｕｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｆｏｃｕｓ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ０，ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｒａｔｉｏ ｒｅａｃｈ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍｓ，ｗｈｅｒｅａｓ ｂｏｔｈ ｏｆ ｔｈｅｍ ｄｅｃｒｅａｓｅ ａｓ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｆｏｃｕｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｏｆｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（２０～１２５ Ｈｚ），ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｂｙ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ６０ Ｈｚ． Ｔｈｅ ｋｅｙｈｏｌｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ Ｘ－ｒａｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｋｅｙｈｏｌｅ ｉｓ ｐｒｏｍｏｔｅｄ ｂｙ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｏｓｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ；ｗｅｌｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｗｅｌｄ ｄｅｐｔｈ；ｐｏｒｏｓｉｔｙ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １４０．３３９０；１１０．７４４０；１６０．３９００；３５０．３８５０