激光焊接不锈钢薄板时侧吹保护气流的影响研究

1、激光焊接不锈钢薄板时侧吹保护气流的影响研究1张建勋1 张林杰1 巩水利2 姚伟21 西安交通大学焊接研究所，西安 710049 2北京航空制造工程研究所，北京 100024E-mail: jxzhang摘 要： 本文利用CCD 高速摄影试验研究了侧吹保护气流在不同侧吹流速、侧吹角度和侧吹喷咀高度对不锈钢薄板的CO 2激光焊接过程中等离子体形态、焊缝熔透率和熔宽的影响。研究结果表明，侧吹喷嘴高度对激光焊接过程有显著的影响；顶吹气流和侧吹气流的合流角约为40°时焊缝背面熔宽最大；正确的选择侧吹工艺可以使等离子体云团的平均体积、平均高度趋向减小，从而使焊缝的熔透率增大，背面熔宽增大。 关键

2、词：激光焊接 侧吹保护气 CCD高速摄影1. 引 言激光深熔焊接过程中, 当激光功率密度达到106/2以上时，工件表面温度随加热时间的延长而迅速上升，产生熔化、气化。蒸汽压力和强烈蒸发现象导致的反冲压力能够克服熔化金属表面张力和液体金属压力而在工件内部形成一个“匙孔”，“匙孔”形成后发生壁聚焦效应使得对激光的吸收率大大增加。“匙孔”内金属蒸汽会以很高的速度从“匙孔口”喷出。蒸汽中的起始自由电子通过逆韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的能量碰撞电离材料和周围气体，使电子密度雪崩般增长，在小孔的内部和上方形成高温高密度的等离子体1。在高功率密度的CO 2激光焊接过程中，等离子体的温度高度10

3、000K 左右，致密的等离子体会对入射激光束产生强烈的吸收、散射和折射作用，使激光能量受到极大的损失。因此在高功率密度激光焊接过程中，对光致等离子体的控制非常必要。从光束轴向和侧向吹辅助气体不仅可以抑制周围环境气体对焊缝附近区域的污染、改善激光能量的耦合和传输过程，而且这种方法较为灵活，比较有效和实用，所以在实际应用中普遍采用23。通过沿激光束轴向或侧向吹辅助气体，可以削弱等离子体，使焊缝熔深增大、焊接过程稳定。侧吹工艺效果的影响因素较多，本文结合激光焊接等离子体高速CCD 摄影的方法研究了侧吹喷咀高度、侧吹角度、侧吹气体流速对CO 2激光焊接过程的影响。2. 试验条件试验中使用的焊接设备是P

4、RC-3000型快速轴流CO 2激光器，最大功率4000。试验中同时采用顶吹和侧吹两种保护气流，保护气为氩气。顶吹喷咀内半径为4，侧吹喷咀内半径2.5。试验材料是厚度为2的SUS304不锈钢平板，焊前用丙酮对试板进行清洗。试验为激光束平板扫描。1本课题得到国家教育部博士点基金（20030698018）和高能束流加工技术国家重点实验室基金(51461010203JW0801资助- 1 -试验过程中侧吹气体采用前保护方式，如图1所示。图中“a ”表示送气距离，是光轴和侧吹喷咀下端的距离；“h ”表示侧吹喷咀高度，是侧吹喷咀下端和工件上表面之间的距离；“”表示侧吹角，是侧吹喷咀轴线和水平方向之间的夹

5、角；“H ”表示顶吹喷咀高度，是顶吹喷咀下沿和工件上表面之间的距离。在焊接过程中使用Phantom590高速摄影机沿垂直焊缝对称面的方向对等离子体的动态行为进行拍摄。拍摄频率为1000幅/秒。 图1 前保护激光焊接示意图3. 试验结果3.1 侧吹喷咀高度的影响在其它试验条件分别保持不变，侧吹喷咀高度为1、3、4.3、5.5、7时焊缝的熔透情况、表面熔宽和等离子体的形态如表1所示。试验结果见图2。其中焊缝熔透率表示焊缝中熔透部分的累计长度和焊缝总长度的比值。表1 研究侧吹喷咀高度影响的试验条件侧吹角（°）功率 （KW ）焊速 （m/min）侧吹流速 （L/min）顶吹流速（L/min）

6、20 2 1.5104.5 1234567焊缝熔透率（）侧吹喷咀高度（mm ）焊缝表面熔宽（m m ）侧吹喷咀高度（mm ）（a ） 侧吹喷咀高度对焊缝熔透率的影响 （b ） 侧吹喷咀高度对焊缝熔宽的影响- 2 - 焊透 未焊透（全部焊透）（全部焊透）1 3 7（c ） 侧吹喷咀高度对等离子体形态的影响图2 侧吹喷咀高度的影响2.2 侧吹保护气流速的影响比较研究了侧吹保护气流速为0L/min、5L/min、10L/min、15L/min时焊缝的熔透情况、表面熔宽和等离子体的形态，其它试验条件分别保持不变，如表2所示。试验结果见图3。表2 研究侧吹保护气流速影响的试验条件侧吹角（°）功

7、率（KW ） 焊速（m/min）侧喷咀高（）顶吹气流速（L/min）20 2 1.55.54.5 焊缝熔透率（）侧吹保护气流速(L/min焊缝表面熔宽（m m ）侧吹保护气流速（L/min）（a ） 侧吹保护气流速对焊缝熔透率的影响（b ） 侧吹保护气流速对焊缝熔宽的影响焊透 （全未焊透） 未透（全部焊透）(全部焊透0 L/min5 L/min10 L/min15L/min（c ） 侧吹保护气流速对等离子体形态的影响图3侧吹保护气流速的影响- 3 -2.3 侧吹角度的影响当侧吹角度为0°、20°、45°时焊缝的熔透情况、表面熔宽和等离子体的形态如表3所示，此时其它

8、试验条件分别保持不变。试验结果见图4。表3 研究侧吹角度影响的试验条件功率 （KW ）焊速 （m/min）侧喷咀高（）侧吹流速（L/min）顶吹流速 （L/min）2 1.5 7 10 4.5 焊缝熔透率（%）侧吹角度（°）0.751.001.251.501.75焊缝表面熔宽（m m ）侧吹角度（°）（a ） 侧吹角度对焊缝熔透率的影响（b ） 侧吹角度对焊缝熔宽的影响 焊透未透 (全部焊透全部焊透 0°°° （c ）侧吹角度对等离子形态的影响图4 侧吹角度的影响3. 试验结果分析图2（a ）、（b ）是对喷咀高度取不同值进行比较研究的结果，可

9、以看出侧吹喷咀高度对焊接结果的影响十分显著。随着侧吹喷咀高度值由小到大的变化，熔透率由几乎为0迅速上升，本试验中当喷咀高度为5.5时熔透率达到100，继续增大喷咀高度到7，熔透率仍为100，同时焊缝背面熔宽略有增大，说明在试验条件下，随着侧吹喷咀高度值由小到大变化，激光能量和工件的耦合在不断增强。随着侧吹喷咀高度值由小到大变化，正面焊缝熔宽逐渐减小、背面熔宽逐渐增大，表明增大侧吹喷咀高度将能够得到更大的熔深。侧吹喷咀高度对CO 2激光焊接过程的显著影响与其对激光焊接等离子体的控制作用有- 4 -关。图2（c ）是通过高速摄影得到的不同侧吹喷咀高度下的等离子体形态。在薄板CO 2激光焊过程中工件

10、表面上方的等离子体云团有两种典型的形态：焊透时出现的体积较小的等离子体云团；未焊透时出现的体积较大的等离子体云团。熔透率不等于100%时，焊接过程中等离子体云团在两种典型形态之间变换，同时在每一种典型形态下等离子体体积又做着幅度很小的波动。熔透率等于100%时，焊接过程中等离子体云团始终呈现较小的体积，同时做幅度很小的波动。在本试验条件下，随着侧吹喷咀高度值由小到大变化，等离子体呈现较小体积形态的几率在不断增大，当喷咀高度取5.5时，这一几率增大到100%。图3是对侧吹保护气体流速取不同值进行比较研究的结果。可以看到，当侧吹保护气体流速为0时，工件上方的等离子体云团尺寸十分大，强烈的屏蔽效应使

11、得工件上没有形成明显的熔池。当侧吹保护气体流速增加到5L/min时，等离子体在两种典型形态之间变换，但其未焊透时的体积比侧吹流速为0时小。当流速增大到10L/min后，等离子体始终呈现体积较小的形态并且作幅度很小的波动，此时熔透率为100%，并且焊缝正面熔宽减小，背面熔宽增大。当流速增大到15L/min时，等离子体始终呈现体积较小的形态、作幅度很小的波动，并且等离子体平均体积比流速10L/min时小。此时熔透率仍为100%，与流速为10L/min时相比较，焊缝正面熔宽变大，背面熔宽基本相同。但是，由于侧吹流速较大，熔池表面的成形变差，焊接过程中飞溅严重。图4是对侧吹角度取不同值进行比较研究的结

12、果。试验条件下，侧吹角为0°、20°时等离子体均呈现体积较小的形态，熔透率均为100%，但侧吹角为20°时焊缝正面熔宽略有减小、背面熔宽明显增大。当侧吹角为45°时，等离子体在两种典型的形态之间变换熔透率下降到约50%，背面熔宽和正面熔宽较侧吹角为20°时均有所减小。图3中流速为10L/min时和图4中侧吹角为20°时的试验条件下合流角4均约为40°，这两种情况下焊缝背面熔宽值都是其同组实验中的最大值，这与文献4中“合流角40°时增大熔深最强”的结论相一致。图2中各次试验中的合流角都是40°，可见在最佳合

13、流角度下侧吹喷咀高度对焊接过程有着显著的影响。4 结论（1） 正确的选择侧吹工艺可以使等离子体云团的平均体积、平均高度趋向减小，从而使焊缝的熔透率增大，背面熔宽增大。（2） 侧吹喷咀高度对焊接过程有显著的影响，本文试验条件下，随着侧吹喷咀高度增大，等离子体云团的平均体积、高度减小，焊缝熔透率和焊缝背面熔宽增大，正面熔宽减小。（3） 顶吹气流和侧吹气流的合流角约为40°时焊缝背面熔宽最大。（4） 在薄板CO 2激光焊过程中工件表面上方的等离子体云团有两种典型的形态，熔透率不等于100%时，等离子体云团在两种典型形态之间变换，同时在每一种典型形态下体积做幅度很小的波动。熔透率等于100%

14、时，焊接过程中等离子体云团始终呈现较小的体积，同时做幅度很小的波动。参考文献1 唐霞辉，朱海红，朱国富，等. 2激光深熔焊接光致等离子体吸收及其控制J.中国机械工程，2000，- 5 - 11(7：41743. 2 胡昌奎，陈培锋，黄涛. 激光深熔焊接光致等离子体行为及控制技术J.激光杂志，2003，24（5）：78 80. 3 Hamadou M， Fabbro R，Caillibotte G， Chouf K， Briand F. Study of Assist Gas Flow Behavior during Laser Welding. Proceedings of ICALEO 20

15、02. 4 王振家，苏严，陈武柱. 激光焊接侧吹工艺的研究.热加工工艺J.2004，6（4）：4950. Study on the Effect of Assist Gas during Laser Welding of Stainless Steel Sheet Zhang Jian-xun1，Zhang Lin-jie1， Gong Shui-li2，Yao Wei2 1.Xian Jiaotong University, Xian, China, 2.Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Bei

16、jing, China Abstract The effects of several operating parameters (height of side nozzle，side assist gas speed and inclination angle of side nozzle on the resulting weld seam characteristics, such as plasma size and fluctuation, the proportion of fully penetrated weld and the weld bead width, have be

17、en studied with the aid of High-speed CCD imaging. It is discovered that the height of the side nozzle can strongly influence the resulting weld seam characteristics, that the biggest penetration depth is achieved when the joint angle of coaxial gas flow and side gas flow is about 40 degrees, that proper operating parameters can lead to sma