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304不鏽鋼光纖激光焊接方式影響因素研究添加時間:2021-07-19

爲了研究304不鏽鋼光纖激光焊接模式的影響因素,參考均勻試驗設計的思路,以激光功率、焊接速度、離焦量爲變量,設計了一組試驗。通過對試驗結果中焊縫成形的分析,獲得光纖激光焊接熱導焊和深熔焊的特征形式;通過定量計算,對焊接模式與各焊接參數及其交互作用之間關系進行分析,確定焊接模式的影響因素。結果表明:304不鏽鋼光纖激光焊共有四種焊縫成形形式,其由熱輸入密度(激光功率、焊接速度、離焦量三者的交互作用)決定。當熱輸入密度小于43.04 J/mm3時,焊縫爲圓弧形,對應的焊接模式爲熱導焊;當熱輸入密度大于66.82J/mm3時,焊縫爲釘頭形或釘狀,對應的的焊接模式爲深熔焊。除此之外,還存在一種中間過渡狀態,其所對應的熱輸入密度也處于兩種焊接模式之間。

激光焊接模式可分爲熱導焊和深熔焊兩種。其中熱導焊的熔池金屬沒有氣化,而是通過攪拌運動形成焊縫;深熔焊也稱爲小孔焊,是在熔池金屬氣化所産生的金屬蒸汽壓力下形成的[1]。兩者的區別在于激光能量能否引起金屬的氣化。

現有文獻對CO2激光器的焊接模式进行了定性的研究,结果表明:即使激光功率密度足够大,能够使金属发生气化,但在一定的工艺条件(一定母材、激光功率、离焦量、焊接速度等)下,激光焊接会从稳定的热导焊变为稳定的深熔焊;除了激光功率密度之外,焊接速度也是决定激光焊接模式的重要因素。 激光焊接模式对于激光制造具有非常重要的意义。比如对于低熔深的焊接,有时需要热导焊来增加焊缝宽度从而提高对接焊缝的容错率;对于超薄材料的封头焊,有时又需要用尽量小的功率来获得尽量大的熔深。另一方面,目前正迅速发展的激光填丝焊[3]、激光粉末焊[4]、激光表面改性[5]等技術也需要對焊接模式進行精准控制。

目前廣泛應用的光纖激光和碟片激光等固體激光器與CO2激光的差別較大。筆者之前的研究表明,CO2激光對焊接速度的改變較爲敏感,而光纖激光對激光功率的改變較爲敏感。

由于目前對光纖激光焊接模式的研究較少,且缺乏定量的研究。因此,本文研究的主要內容對爲304奧氏體不鏽鋼光纖激光焊接的功率密度以及焊接速度對于光纖激光焊接模式的影響及其定量計算。

2試驗方法及內容

2.1  激光焊接模式的影響因素

衆所周知,激光焊接模式的主要影響因素爲激光功率、作用于304不鏽鋼的光斑直徑和焊接速度。其中激光功率和焊接速度均可直接獲得,而光斑直徑由離焦量決定。 作用于304不鏽鋼的光斑直徑與離焦量的關系可由下式[1]計算: 21/220041zzMDDDλπéù??êú?÷=+?÷ê?

 1) 式中  z—— 离焦量,mm; Dz—— 离焦量为z處的光斑直徑,mm; D0—— 聚焦镜焦点处光斑直径,0.7 mm; M2—— 激光光束质量,31.6; λ—— 激光波长,1.07×10-3mm。 除了上述三种单一因素外,还可以考虑它们之间的交互作用对激光焊接模式的影响。常用的交互作用有激光功率密度、焊接热输入等。 计算功率密度時,还需要计算光斑的面积,其计算公式为: 2zSDπ=

 2) 式中  S—— 光斑面积,mm2; 激光功率密度表示单位面积内的激光功率,其计算公式为: 52410zPQDπ=×

 3) 式中  Q——304不鏽鋼表面的激光功率密度,W/cm2; P——激光功率,kW。 焊接热输入表示单位长度上304不鏽鋼接受到的總能量,其計算公式爲: 310PEv=×

 4) 式中 E——熱輸入,J/mm; v——焊接速度, mm/s。 上述激光功率密度和焊接热输入均为两个单一参数之间的交互作用。另外,本文还引入了三种单一参数之间的交互作用——熱輸入密度来表示单位长度上光束作用于304不鏽鋼的激光能量密度,其計算公式爲: 32410zQPevvDπ==×

 5) 式中 e——熱輸入密度,J/mm3。

2.2  試驗參數選擇

本文采用均勻設計法來設計試驗參數,這樣可以通過較少且分布較爲均勻試驗參數點來覆蓋較大的焊接參數範圍。

需要注意的是,均勻設計試驗的試驗參數只能在單一因素中選擇。對于這些因素間的交互作用可以通過試驗後的回歸計算等方法進行分析,但是其前提是各單一因素對試驗結果的影響是線性的。由于焊接模式的變化是非線性的,故本文在試驗參數設計時還需要考慮各交互作用對激光焊接模式的影響。 首先需要確定所使用的均勻設計表。根據均勻設計使用表可知,考慮三個單一因素時,U*10108)均勻設計表的均勻度的偏差較小,此時的試驗次數爲10次,每個因素需要取10个参数点。 由于激光热导焊需要较小的激光功率密度,故激光功率应在较小的范围内选择,本文在0.8~1.7kW(設置值,受到焊機自身配置的影響,實際輸出功率高于設置功率,下文所述的均爲實際輸出功率)的範圍內選擇了10個參數,每個參數間隔約爲0.1kW。 焊接速度对激光模式的影响未知,故选择范围应较大,但是为了避免焊接速度过慢使激光作用时间过度增加造成对激光焊接模式的影响,故在40mm/s~85mm/s的範圍內選擇了10個數據點,每個數據點間隔5mm/s。 离焦量绝对值相同時,正离焦与负离焦的光斑直径相同,正离焦与负离焦的区别有时并不明显[2],但負離焦時焊縫內部的功率密度大于焊縫表面,不能直接反應光斑直徑對焊縫的影響,故本文試驗均采用正離焦。均勻試驗每種因素的試驗點數量相同,故本文離焦量也有10個數據點,分別爲09mm(間隔1mm),并计算出相应的光斑面积。 综上所述,本文单因素焊接试验方案如表1所示,爲了方便後續說明,表中同時列出了每組試驗參數對應的三種交互作用的計算結果。

如前所述,設計試驗參數時還需要考慮交互作用的影響。分別將表1所列的10組試驗參數所對應的功率密度和熱輸入按大小進行排序形成新的兩組因素,再將它們分別和對應的焊接速度、離焦量進行比較,此時的試驗點如圖1中的圓點(“●”)所示。

由圖1可知,两种试验点分布较不均匀,如在左图中,激光功率密度较小時,低焊接速度没有覆盖;激光功率密度较大,高焊接速度没有覆盖。 故在图1的兩組試驗點分布中各增加了5個試驗點來提高試驗的均勻性。新增的試驗點在圖1中用三角(“▲”)表示,試驗參數如表2所示。  通过对表1和表2的比較可以發現,表2的焊接參數除了增加試驗的均勻性之外,還填補了表1熱輸入密度4367之間的空白區域。

2.3 試驗方法

本研究使用的母材是304不鏽鋼,厚度为6mm;为了排除焊缝间隙的影响,所有试验直接在平板上进行; 为了避免熔池重力的影响,焊接位置为横焊,光束垂直于试件表面。 按试验方案完成焊接后,在试样中心取样并拍摄宏观金相照片,确定焊缝的焊接模式。

3試驗結果及分析

3.1  試驗結果

20條試驗焊縫中共有4種焊縫類型,如圖2所示,圖2-1a)中的焊縫爲圓弧形;圖2-1b)中的焊縫呈三角形,底部沒有明顯的突出部;圖2-1c)中的焊縫呈釘頭狀,底部開始有明顯的突出;圖2-1d)焊縫上部也呈釘頭狀,但底部突出較長,總體呈釘狀。

3.2  焊縫成形的直觀分析

如圖2a)所示,焊縫呈典型的熱導焊特征,這可能是由于304不鏽鋼此时已熔化但尚未沸腾,很大一部分激光被反射,激光的吸收率较低; 图2b)尚未出現深熔焊的特征,但已與熱導焊明顯不同。這一方面說明此時的“小孔”尚未形成;另一方面此時的304不鏽鋼可能已经沸腾,一定程度的气化使熔池的搅拌变得更为剧烈; 图2c)的焊缝已经具有较为明显的深熔焊特征,说明此时的“小孔”已经形成; 图2d)的焊缝除了小孔深度较深以外,“钉头”部分的形状并未出现明显的变化,这说明在“小孔”形成后,很大一部分激光能量被小孔吸收,使小孔深入到焊件内部。 综上所述,焊接模式从热导焊变为深熔焊(即小孔的形成),并非一个突变过程,而是存在一个介于两者之间的中间状态。

3.3  試驗結果的直观分析

爲了更直觀地了解各單一因素以及交互作用因素對焊接模式的影響,將每個因素的參數點按從小到大的順序排列後,其對應的焊接模式列于圖3a-f)中。 由圖3-a-e)可知,單一因素和雙因素的交互作用對激光焊接模式的影響均不明顯。

3.3.1 激光功率密度的影響

由圖3-b)可知(需結合表3数据,下同),当焊接速度相同時,经常出现不同的焊接模式,而其中无一例外的,更大的激光功率密度得到的焊接模式更偏向于深熔焊。 由圖3-d)可知,当功率密度较小時,激光焊接模式偏向于热导焊,当功率密度较大時,激光焊接模式偏向于深熔焊。 进一步分析可知,随着焊接速度的增加,深熔焊所需的功率密度也相应增加。

3.3.2 熱輸入的影響

由圖3-c)可知,当光斑面积相同時,更大的热输入(即线能量)得到的焊缝更偏向于深熔焊。 由圖3-e)可知,当热输入较小時,激光焊模式偏向于热导焊,当热输入较大時,激光焊模式偏向于深熔焊。 进一步分析可知,随着光斑面积的增加,深熔焊所需的线能量也相应增加。

3.3.3 熱輸入密度的影响

如前所述,激光功率密度和热输入无法完全决定焊接模式,还需要分别考虑焊接速度或光斑面积的影响,这恰恰符合熱輸入密度的定义。 而由圖3-f)可知,随着熱輸入密度的增加,激光焊接模式逐渐由热导焊向深熔焊改变。  综上所述,熱輸入密度是可以决定激光焊接模式的因素。当熱輸入密度小于43.04 J/mm3時,304不鏽鋼的焊接模式为热导焊;熱輸入密度大于66.82J/mm3時,304不鏽鋼的焊接模式为深熔焊。

3.4  試驗結果的理论分析

由圖3-d)可知,當功率密度達到2.87×105W/cm2後(試驗號6,11),焊接速度爲75mm/s時(試驗號6,焊縫類型“a”)焊縫爲熱導焊,焊縫尚未沸騰(部分氣化);而當焊接速度爲40mm/s時(試驗號11,焊縫類型“c”)焊缝已经呈较为明显的深熔焊特征,此时焊缝不仅出现了沸腾,而且已经形成了小孔; 同样的,当功率密度达到4.02 W/cm2後(試驗號7,14),焊接速度爲75mm/s時(試驗號14,焊縫類型“b”) 焊缝已经开始沸腾但尚未形成小孔;而当焊接速度为40mm/s時(試驗號7,焊縫類型“d”)焊縫不僅已經形成了小孔,而且小孔已經開始深入到304不鏽鋼內部; 上述兩個現象說明:功率密度越大,焊縫吸收到的激光束能量越多;而在相同的功率密度下,激光束作用的時間越長,熔池的氣化程度越強。 从能量的角度分析,熱輸入密度决定了单位长度以及单位面积上304不鏽鋼材料接收到的总能量,能量越大,金属材料的温度越高,熔池的气化程度越强。 而如3.2节所述,随着熔池气化程度从无到有到逐渐增强,焊缝依次发生熔化、沸腾、小孔形成以及小孔深入。 综上所述,熱輸入密度决定了熔池的气化程度,从而决定了焊缝的焊接模式。 

4結論

综上所述,可以获得以下結論:

1. 304不鏽鋼光纤激光焊接的典型焊缝形状为圆弧形、三角形、钉头形和钉状;

2. 上述四种焊缝形式由熱輸入密度(单位长度上光束作用于304不鏽鋼的激光能量密度),即激光功率、焊接速度和光斑面積三者共同決定;

3. 当熱輸入密度小于43.04 J/ mm3時,焊縫爲圓弧形,對應的焊接模式爲熱導焊;當熱輸入密度大于66.82 J/ mm3時,焊缝为钉头形或钉状,对应的的焊接模式为深熔焊;当熱輸入密度介于两者之间時,焊缝为三角形,为热导焊和深熔焊之间间的一种过渡模式;

4. 激光焊接模式由熔池的气化程度决定,而气化程度则由熱輸入密度决定。