(廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006)

0 前言

激光焊接是利用該能量密度的激光束作為熱源一種焊接方法，具有加工精度高，焊縫成形效果好等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)最先進(jìn)的制造技術(shù)，近年來，隨著高功率激光器的出現(xiàn)和發(fā)展，激光焊接技術(shù)在航空、船舶、核電等大型工程的中厚板焊接制造領(lǐng)域中有了更進(jìn)一步的研究和應(yīng)用[1-12]。駝峰是指焊接金屬沿焊道表面出現(xiàn)的周期性起伏的現(xiàn)象，是深熔焊接技術(shù)中常見的一種缺陷，普遍存在于多種焊接方法中。駝峰的產(chǎn)生增加了焊后不必要的生產(chǎn)工序, 惡化了焊縫表面成形，降低了結(jié)構(gòu)承受動(dòng)負(fù)荷能力[13-14]，如何避免駝峰缺陷的產(chǎn)生，已經(jīng)成為亟待解決的問題。

一直以來，駝峰作為一種重要的焊接缺陷受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Ilar等人[15-16]借助高速相機(jī)對(duì)中厚板底部駝峰形成進(jìn)行觀測(cè)研究，指出底部駝峰的形成與薄板上表面高速駝峰焊道存在本質(zhì)的區(qū)別。湖南大學(xué)的周聰?shù)热薣17]采用單一變量的方法，以5 mm的SUS 304不銹鋼鋼板為焊件，研究不同工藝參數(shù)變化下對(duì)底部駝峰傾向的影響，找到可有效抑制底部駝峰的合理的工藝措施。張健等人[18]在研究離焦量對(duì)底部駝峰形成的影響時(shí)，認(rèn)為負(fù)離焦時(shí)激光能量體大，駝峰高度和寬度變大；正離焦時(shí)激光能量體小，底部駝峰不明顯。湖南大學(xué)夏海龍等人[19]則利用“三明治”焊接過程高速拍攝的試驗(yàn)方法，深入探究了底部駝峰的產(chǎn)生的機(jī)理及其成形過程，并發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)靠近工件下表面時(shí)容易獲得成形良好的焊縫形貌。

上述研究針對(duì)底部駝峰缺陷產(chǎn)生開展一系列試驗(yàn)和研究，一定程度上揭示了底部駝峰的成形機(jī)理及其與離焦量之間的關(guān)系，但是在隨焦點(diǎn)位置變化過程中，小孔能量主要吸收區(qū)域(焊接過程中小孔壁吸收激光能量的主要集中區(qū)域)變化這方面的研究較少，不能很完整地反映底部駝峰與離焦量變化之間的關(guān)系。而能量主要吸收區(qū)域在真實(shí)反應(yīng)小孔物理行為，及揭示底部駝峰更深層次的產(chǎn)生機(jī)理方面具有很重要意義，為日后焊接質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)提供參考價(jià)值。針對(duì)離焦量的變化對(duì)底部駝峰的產(chǎn)生的影響進(jìn)行更加深入研究，采集焊接過程中的光電信號(hào)，并采用背襯底板輔助分析，結(jié)合焊縫斷面形貌圖，建立起離焦量、能量主要吸收區(qū)域與底部駝峰三者之間關(guān)系，找到了抑制底部駝峰產(chǎn)生的合適工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1 試驗(yàn)材料及參數(shù)設(shè)定

試驗(yàn)采用厚度為12 mm的SUS304不銹鋼板作為焊接工件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，該不銹鋼為工業(yè)及生活中經(jīng)常遇到的材料，SUS304不銹鋼化學(xué)成分見表1。

為保證試驗(yàn)的參考性，試驗(yàn)設(shè)置了11組單一變離焦量工藝參數(shù)，其中功率為12 kW,焊接速度為2 m/min，保護(hù)氣體流量為40 L/min。具體工藝參數(shù)見表2。

表1 SUS304不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 離焦量工藝參數(shù) mm

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及分析方法

試驗(yàn)采用高功率盤式激光器(Trumpf 16002)，波長1 030 nm，最大功率16 kW，搭配Trumpf PFO掃描激光頭，聚焦光束直徑200 μm，搭載在MOTOMAN六軸機(jī)械臂上。檢測(cè)系統(tǒng)由光電傳感器模塊組成，用于測(cè)量焊接過程能量中反射激光部分及上金屬蒸氣部分。掃描激光頭采集來自接頭的光輻射，并通過單向反射鏡與聚焦鏡將光輻射引入光纖傳遞到光電傳感模塊。并通過光電傳感模塊將光輻射分為反射激光及可見光，再通過光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大器放大處理，最后輸入電腦經(jīng)過Matlab生成光電信號(hào)圖，如圖1所示。試驗(yàn)還在工件底部加入背襯底板，通過觀察背襯底板焊接后的熔透情況，直觀反映工件的熔透率。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備圖

2 離焦量變化下的試驗(yàn)結(jié)果

隨離焦量不斷減小，根據(jù)工件熔透趨勢(shì)變化的不同將其分為階段1(+2～-3 mm)，見表3和階段2(-4～-8 mm)，見表4，階段1工件呈未熔透狀態(tài)向完全熔透狀態(tài)變化趨勢(shì)，而階段2工件呈由完全熔透狀態(tài)逐漸向未熔透狀態(tài)過渡的變化趨勢(shì)。

表3 階段1下工件及背襯底板的焊縫正背面 mm

表4 階段2下工件及背襯底板的焊縫正背面 mm

各參數(shù)隨離焦量變化曲線圖，如圖2所示。不同離焦量對(duì)應(yīng)的焊縫截面形貌圖，如圖3所示。

圖2 各參數(shù)隨離焦量變化曲線圖

圖3 不同離焦量對(duì)應(yīng)的焊縫截面形貌圖

3 能量主要吸收區(qū)域變化關(guān)系及其機(jī)理的分析

焊接過程中的可見光信號(hào)主要來源于高溫的金屬蒸氣輻射，可見光信號(hào)與金屬蒸氣量的變化具有同步性。文獻(xiàn)[20]指出，激光能量主要是通過小孔孔壁的Fresnel反射吸收而傳遞給工件材料。

從圖3中看出，階段1變化中，當(dāng)離焦量是+2 mm時(shí)，工件未熔透，這是由于激光束聚焦點(diǎn)位于工件上表面，激光作用于熔池內(nèi)部的能量密度較低，能量主要吸收區(qū)域在熔池上部。圖3顯示，階段1隨著焦點(diǎn)位置的下降，焦點(diǎn)逐漸深入到熔池內(nèi)部，熔深逐漸增加，離焦量為-2 mm時(shí)，工件已經(jīng)完全被熔透。圖3a中看出，在這個(gè)過程中上金屬蒸氣逐漸減少，說明產(chǎn)生金屬蒸氣的主要區(qū)域逐漸往下移。與此同時(shí)，小孔上部檢測(cè)到的反射激光也逐漸減少，激光穿透小孔照射在工件下的背襯底板上形成二次焊接。結(jié)合不同離焦量下工件表面激光光斑直徑好和小孔內(nèi)物理行為對(duì)比示意圖，如圖4所示。這些現(xiàn)象說明階段1，隨著焦點(diǎn)位置的下降，能量主要吸收區(qū)域逐漸下移。

在階段2的過程中出現(xiàn)了與階段1完全相反的變化，從圖2中可以看出，隨焦點(diǎn)的繼續(xù)下移，可見光和反射激光的體量呈上升趨勢(shì)，從表4可看出背襯底板的熔透程度逐漸減小，到-7和-8 mm時(shí)背襯底板未形成二次焊接，說明能量主要吸收區(qū)域出現(xiàn)了上移。這是由于在階段2中，雖焦點(diǎn)不斷下移，但激光在工件上表面的形成的光斑直徑不斷增大，能量密度減小。由圖4可以看出，由于工件上表面能量密度較低，導(dǎo)致金屬熔化和汽化的過程變得緩慢，激光束穿透上部分金屬的進(jìn)程得到了阻礙，隨著激光束的不斷移動(dòng)，激光束照射區(qū)域未到達(dá)焦點(diǎn)處，激光已經(jīng)移走，該區(qū)域加熱中斷，故小孔向下深入的過程得到了抑制，使能量無法在小孔內(nèi)部得到充分的吸收，反射激光的體量增多，最終體現(xiàn)為能量主要吸收區(qū)域上移。隨著焦點(diǎn)位置的繼續(xù)下降，上述變化趨勢(shì)愈發(fā)明顯，到離焦量為-8 mm時(shí)，工件開始出現(xiàn)未熔透現(xiàn)象。

圖4 不同離焦量下工件表面激光光斑直徑和小孔內(nèi)物理行為對(duì)比示意圖

圖3顯示，階段2由于能量主要吸收區(qū)域的上移導(dǎo)致焊縫下部分逐漸收窄，焊縫形貌呈現(xiàn)“滴管狀”的趨勢(shì)，而從圖3d看出，由于工件上表面光斑直徑變大，工件表面被加熱面積增大，最終形成的上表面焊縫寬度也得到相應(yīng)增大。

4 底部駝峰的變化趨勢(shì)及其機(jī)理

底部周期性駝峰隨離焦量改變也呈現(xiàn)出了明顯的規(guī)律性。底部駝峰的平均高度h和底部駝峰間距s可作為評(píng)定底部駝峰傾向的兩個(gè)指標(biāo)[12]，如圖5所示。

底部駝峰間距s的計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

圖5 底部駝峰高度和底部駝峰間距測(cè)量

式中：d1為第一個(gè)和最后一個(gè)底部駝峰之間的距離；n為統(tǒng)計(jì)測(cè)量區(qū)域底部駝峰數(shù)量(當(dāng)n=1或0時(shí)，s=0)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、測(cè)量并計(jì)算后，得出底部駝峰傾向隨離焦量的曲線圖如圖6所示。

圖6 底部駝峰間距、高度隨離焦量變化圖

由圖6看出，在階段1(+2～-3 mm)的變化中，駝峰從無到有，高度和數(shù)量逐漸增大，隨后又逐漸變小最后消失，駝峰周期性經(jīng)歷了出現(xiàn)，增強(qiáng)，減弱，消失的過程。文獻(xiàn)[19]指出，孔內(nèi)蒸氣壓力的維持、小孔前沿下部液體臺(tái)階的熔融金屬向下運(yùn)動(dòng)以及內(nèi)部熔池向后流動(dòng)特征是導(dǎo)致焊縫大部分底部駝峰形成長大的重要原因。當(dāng)小孔深度達(dá)到某一程度時(shí)，由于小孔內(nèi)金屬蒸氣壓力不斷加大，使得小孔穿透工件；同時(shí)，在孔內(nèi)金屬蒸氣壓力增大與小孔前沿液體臺(tái)階向下動(dòng)量的共同作用下，克服小孔底部熔池表面張力的作用，導(dǎo)致熔融金屬向下從熔池下部開口伸出。

據(jù)前面分析，階段1的能量主要吸收區(qū)域是不斷下移的。如圖7所示，在離焦量為0 mm時(shí)，由于能量主要集中區(qū)域在熔池上部，小孔延伸受到抑制， 小孔底部聚集了大量金屬液體，熔池?zé)o法克服液體表面張力 伸出工件內(nèi)部熔池，形成駝峰的雛形；隨后的熔滴在蒸氣反沖壓力作用下，不斷向后方的駝峰雛形內(nèi)流動(dòng)匯聚，導(dǎo)致駝峰不斷長大，當(dāng)焊道長度達(dá)到一定值時(shí)，焊道凝固并阻止其前方熔融金屬繼續(xù)向駝峰內(nèi)部聚集，最后駝峰熔池在表面張力和重力作用下達(dá)到平衡[21]，繼而逐漸凝固并附在焊縫下表面形成底部駝峰。周而復(fù)始，于是形成了具有一定周期性的底部駝峰。而隨著焦點(diǎn)繼續(xù)下移，小孔底部熱輸入量增加，到-3 mm時(shí)小孔下部開口變大，底部駝峰形成后焊道不能及時(shí)凝固，不能阻止熔融金屬在工件底部流動(dòng)，駝峰雛形在焊接方向上的長度變長。在液體表面張力的作用下，熔融的金屬液體被拉回焊道附近，故最終導(dǎo)致駝峰高度變小，駝峰的周期性減弱，直到最后周期性駝峰消失，工件呈完全熔透狀態(tài)。

圖7 能量主要吸收區(qū)域下移前后底部駝峰變化趨勢(shì)對(duì)比示意圖

在階段2的變化中，由于能量主要吸收區(qū)域逐漸上移，在離焦量為-7 mm和-8 mm時(shí)又出現(xiàn)了周期性駝峰，而且駝峰高度和數(shù)量都呈上升趨勢(shì)。

綜上所述，底部駝峰容易出現(xiàn)在工件未熔透到熔透的臨界狀態(tài)，且底部駝峰的變化趨勢(shì)和能量主要吸收區(qū)域的位置有很大的關(guān)系，當(dāng)能量主要吸收區(qū)域在焊縫上部時(shí)，由于其下部吸收能量較少，周期性駝峰明顯；當(dāng)該區(qū)域集中在焊縫下部時(shí)，下部吸收能量較多，小孔下部開口相對(duì)較大，周期性駝峰消失。故加工前合理的選取離焦量，能有效阻止底部駝峰的產(chǎn)生。如表3和表4所示，在離焦量為-3～-5 mm沒有出現(xiàn)底部駝峰，焊縫成形良好。

5 焊接中底部駝峰趨勢(shì)突變現(xiàn)象的規(guī)律分析

圖8為離焦量-8 mm時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖8a和圖8c所示，工件焊接狀態(tài)在突變線處發(fā)生了明顯突變：在突變線之前，背面呈未熔透狀態(tài)，激光并未穿透工件；突變線后，熔深增加，背面出現(xiàn)明顯周期性駝峰 ，少量激光穿透工件照射在背襯底板上。

隨著能量主要吸收區(qū)域的不斷下移，工件經(jīng)歷了未熔透、出現(xiàn)底部駝峰、熔透三個(gè)階段，可推測(cè)離焦量為-8 mm的焊接過程中，小孔內(nèi)能量主要吸收區(qū)域發(fā)生了下移。觀察圖8b信號(hào)圖可知，在突變前后，反射激光信號(hào)沒有出現(xiàn)明顯的變化，但可見光信號(hào)明顯減弱，這與焊縫形貌的突變有強(qiáng)烈的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合圖8d，突變線處，由于前段焊接過程對(duì)后段熱量輻射的預(yù)熱作用下，小孔壁被迅速融化，導(dǎo)致小孔內(nèi)能量集中吸收區(qū)域下移，小孔穿透工件，金屬蒸氣從小孔底部溢出形成下金屬蒸氣，上金屬蒸氣總量減少，由于同步性，可見光信號(hào)減弱。在金屬蒸氣壓力和液體表面張力的共同作用下，周期性駝峰出現(xiàn)。

而根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)[22-23]，由于金屬蒸氣中含有的顆粒，這些顆粒會(huì)使激光束散焦，影響能量的集中，金屬蒸氣噴射高度越大散焦效果越明顯，而上金屬蒸氣總量和蒸氣高度總是正相關(guān)，這表明蒸氣高度的減小減緩了散焦效果，到達(dá)工件的激光能量增大，預(yù)熱作用增強(qiáng)，從而進(jìn)一步加劇了能量主要吸收區(qū)域的下移。在離焦量為+1 mm時(shí)，也同樣出現(xiàn)了上述底部駝峰趨勢(shì)突變現(xiàn)象，這也恰恰說明了底部駝峰容易出現(xiàn)在工件未熔透到熔透的臨界狀態(tài)。

圖8 離焦量為-8 mm時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

離焦量為+2 mm時(shí)，小孔內(nèi)部吸收能量減少，工件遠(yuǎn)達(dá)不到出現(xiàn)駝峰和熔透的狀態(tài)，此時(shí)預(yù)熱作用效果不明顯，無法出現(xiàn)底部駝峰趨勢(shì)突變現(xiàn)象，工件整體呈未熔透狀態(tài)。另外在離焦量為0～-7 mm時(shí)，由于能量主要吸收區(qū)域在熔池中的位置相對(duì)靠下，小孔內(nèi)部吸收激光能量較多，工件焊接初期便達(dá)到出現(xiàn)駝峰甚至是熔透狀態(tài)，故也無底部駝峰趨勢(shì)突變現(xiàn)象產(chǎn)生。

6 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)多組變離焦量參數(shù)下不銹鋼激光焊接試驗(yàn)，并搭建光電傳感器對(duì)焊接過程中的可見光和反射激光的光電信息進(jìn)行采集，并結(jié)合焊縫的斷面形貌，對(duì)焦點(diǎn)位置變化過程中，底部駝峰趨勢(shì)產(chǎn)生的原因和機(jī)理進(jìn)行了闡述。

(1)揭示了孔內(nèi)能量主要吸收區(qū)域隨離焦量的變化關(guān)系：在階段1的變化中，小孔內(nèi)能量主要吸收區(qū)域隨激光焦點(diǎn)在工件內(nèi)的不斷深入而逐漸下移；在隨后階段2的變化中，小孔內(nèi)能量主要吸收區(qū)域隨激光焦點(diǎn)在工件內(nèi)的不斷深入而逐漸上移。

(2)底部駝峰容易出現(xiàn)在工件未熔透到熔透的臨界狀態(tài)，工件未熔透到熔透的過程中，小孔內(nèi)能量主要吸收區(qū)域下移，說明駝峰的變化趨勢(shì)與孔內(nèi)能量集中吸收區(qū)域的位置有很大的關(guān)系， 而后者又受到離焦量的影響。試驗(yàn)證明，隨焦點(diǎn)位置的下降，底部駝峰出現(xiàn)的傾向先減弱后增強(qiáng)，離焦量的合理選擇有助于抑制底部駝峰這一缺陷的產(chǎn)生。

(3)焊接過程中底部駝峰趨勢(shì)突變現(xiàn)象是由于焊接過程中能量主要吸收區(qū)域的下移而引起的，而在激光深熔焊接中由于前段焊接預(yù)熱的影響普遍的存在能量集中吸收區(qū)域下移的現(xiàn)象，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)激光焊接狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了依據(jù)。