蔣寶，黃瑞生，李琳琳，滕彬，鄒吉鵬，李振華，武鵬博

摘要：為研究萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光自熔焊接焊縫成形規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)30 kW激光功率條件下焊縫的良好成形，試驗(yàn)以30 mm和40 mm厚Q235低碳鋼為研究對(duì)象，在平板堆焊基礎(chǔ)上，分析不同激光功率、離焦量、焊接速度和側(cè)吹壓力條件下的焊縫成形特征，并利用自制小型側(cè)吹裝置進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化和焊縫成形控制。結(jié)果表明，萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接時(shí)，特別是當(dāng)激光功率達(dá)到30 kW時(shí)，單一通過(guò)離焦量或焊接速度的改變難以獲得良好的焊縫成形，焊縫均勻性差、焊接飛濺大;通過(guò)在試板上方施加橫向側(cè)吹并在側(cè)吹壓力為0.3～0.4 MPa時(shí)，可有效改善焊縫成形，減少焊接飛濺，同時(shí)焊縫熔深可提高20%以上;通過(guò)工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，最終在橫向側(cè)吹壓力為0.4 MPa、焊接速度為0.6 m/min時(shí)實(shí)現(xiàn)了30 kW激光焊接時(shí)焊縫表面成形的良好控制。

關(guān)鍵詞：萬(wàn)瓦級(jí);光纖激光;30 kW;參數(shù)優(yōu)化;側(cè)吹

中圖分類號(hào)：TG456.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0008-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.02

0? ? 前言

隨著船舶等重工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)中厚板的需求越來(lái)越多，對(duì)中厚板的焊接技術(shù)也提出了更高要求。目前國(guó)內(nèi)的中厚板焊接主要采用窄間隙弧焊[1-3]，也有窄間隙激光焊的應(yīng)用研究[4-6]，但無(wú)論是窄間隙弧焊還是窄間隙激光焊，由于需要多層填充，均難以滿足更高效率的焊接需求。

另一方面，隨著高功率光纖激光器的快速發(fā)展，特別是萬(wàn)瓦級(jí)以上光纖激光器的應(yīng)用，對(duì)中厚板高功率激光焊接技術(shù)的研究越來(lái)越多[7-10]。利用萬(wàn)瓦級(jí)激光的深熔焊接優(yōu)勢(shì)，可在很大程度上減少焊道層數(shù)，從而降低層間清理次數(shù)并減少不必要的坡口加工等，甚至可以通過(guò)單面單道焊接的方式實(shí)現(xiàn)中厚板的雙面成形[11]，從而大幅提高焊接效率，因此，萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接技術(shù)的研究對(duì)解決我國(guó)船舶等重大領(lǐng)域中厚板的優(yōu)質(zhì)高效加工具有重要的科學(xué)意義及應(yīng)用價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接技術(shù)的研究較少，只有哈爾濱焊接研究院有限公司[12-13]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[14]、湖南大學(xué)[15-16]、中科院等離子體物理研究所[17]等少數(shù)單位進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，但所用激光功率多在20 kW及以下，對(duì)更高功率條件下的激光焊接技術(shù)及其相關(guān)的焊縫成形控制技術(shù)缺乏系統(tǒng)研究?；谏鲜霰尘?，采用最高輸出功率為30 kW的激光發(fā)生器和平板堆焊的方式，初步研究了30 kW光纖激光自熔焊接焊縫成形規(guī)律，最終在30 kW激光功率條件下通過(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了焊縫的良好成形。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

試驗(yàn)所用激光發(fā)射裝置為IPG公司YLS-30000光纖激光器，其最大輸出功率為30 kW，波長(zhǎng)為1 070 nm;自制小型側(cè)吹裝置，用于優(yōu)化焊接工藝。

試驗(yàn)材料分別為30 mm和40 mm厚Q235低碳鋼。其中厚度30 mm低碳鋼用于工藝參數(shù)波動(dòng)試驗(yàn)（不施加側(cè)吹），而在工藝參數(shù)優(yōu)化（施加側(cè)吹）過(guò)程中，為了防止試板焊穿，改用40 mm厚低碳鋼。試驗(yàn)均采用單激光自熔焊接及平板堆焊方法（實(shí)際焊接過(guò)程中也存在部分不需要穿透焊接的情況，也就是不穿孔的平板堆焊。因此，進(jìn)行不穿孔平板堆焊的研究也是有一定的焊接需求），焊接示意如圖 1所示，具體焊接參數(shù)如表 1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律

2.1.1 離焦量對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律

在焊接速度為1 m/min時(shí)，研究了不同激光功率條件下離焦量對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律，結(jié)果如表 2～表 4所示。由表可知，在激光功率為10 kW時(shí)，離焦量對(duì)焊縫表面成形有一定影響，采用正負(fù)離焦量時(shí)焊縫成形均有所改善，形成的飛濺較少;而隨激光功率的增加，焊縫成形急劇變差，離焦量的變化對(duì)焊縫成形無(wú)明顯改善，在激光功率為30 kW時(shí)，不同離焦量下大顆粒飛濺明顯增多，同時(shí)焊縫均勻性大幅降低。

不同激光功率條件下離焦量對(duì)焊縫熔深的影響規(guī)律如圖 2所示。由圖可知，激光功率為10 kW時(shí)，離焦量對(duì)焊縫熔深無(wú)明顯影響，不同離焦量的焊縫熔深未出現(xiàn)明顯變化;隨激光功率增加，不同離焦量的焊縫熔深出現(xiàn)明顯變化，其中激光功率增加到20 kW和30 kW時(shí)，焊縫熔深隨離焦量的減小而不斷增大。激光功率為30 kW時(shí)，在負(fù)離焦條件下可以獲得較大的熔深。

2.1.2 激光功率和焊接速度對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律

由上述離焦量對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律可知，雖然離焦量對(duì)焊縫表面成形無(wú)明顯改善，但在負(fù)離焦條件下可以獲得較大的焊縫熔深，綜上考慮選用-10 mm離焦量進(jìn)行激光功率和焊接速度參數(shù)波動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果如表 5～表 7和圖 3所示。

由表 5～表 7可知，當(dāng)激光功率超過(guò)10 kW，焊縫表面成形開(kāi)始變差，當(dāng)激光功率達(dá)到30 kW時(shí)，焊縫更是難以成形。但與1 m/min和1.6 m/min的焊接速度相比，當(dāng)焊接速度為0.6 m/min時(shí)，焊接飛濺有所減少。

激光功率和焊接速度對(duì)焊接熔深的影響規(guī)律如圖3所示。由圖可知，隨激光功率的提高，焊縫熔深逐漸增加，但并非呈線性增長(zhǎng)，其激光功率越高，焊縫熔深增加的趨勢(shì)越緩;此外焊接速度為1 m/min時(shí)，部分功率條件下的焊縫熔深要小于1.6 m/min時(shí)的焊縫熔深。

出現(xiàn)以上結(jié)果是因?yàn)榇蠊β始す夂附訒r(shí)產(chǎn)生的羽輝降低了入射激光能量的穩(wěn)定性和利用率，且激光功率越高，羽輝的影響越顯著，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫熔深未與激光功率呈線性增加（很多文獻(xiàn)都有研究報(bào)道），且同一條焊道不同位置的熔深不一致，而本次試驗(yàn)只選取一處位置進(jìn)行了測(cè)量，導(dǎo)致上述結(jié)果的發(fā)生;同時(shí)大功率激光焊接時(shí)產(chǎn)生的大量羽輝還會(huì)降低入射激光傳輸穩(wěn)定性，進(jìn)而降低焊接穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致焊縫成形變差。

基于以上分析，以下試驗(yàn)將通過(guò)在試板上方和激光光束垂直方向上施加橫向側(cè)吹裝置（雖然有利用側(cè)吹進(jìn)行焊接工藝方面的研究，但都是較小激光功率的焊接），通過(guò)吹除激光匙孔上方羽輝，最大程度地降低其對(duì)激光能量的影響，進(jìn)而提高入射激光的能量利用率及其傳輸過(guò)程的穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)焊縫表面成形的有效控制及焊縫熔深的提高。

2.2 側(cè)吹壓力對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律

基于以上研究，選用最大激光功率30 kW、離焦量為-10 mm進(jìn)行試驗(yàn);此外，在焊接速度為1.6 m/min時(shí)，焊接飛濺較多，在此焊接速度條件下進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)可形成有效對(duì)比分析的數(shù)據(jù)。側(cè)吹壓力獲得的焊縫表面成形特征如圖 4所示。

由圖 4a可知，無(wú)側(cè)吹時(shí)焊縫表面成形差，焊接飛濺較大且焊縫表面向內(nèi)凹陷，與上述試驗(yàn)結(jié)果一致。通過(guò)在試板上方添加橫向側(cè)吹后，焊接飛濺明顯減小，焊縫成形得到有效改善，焊縫凹陷問(wèn)題得到一定程度地解決，其中側(cè)壓力為0.3～0.4 MPa時(shí)，焊接飛濺明顯減少，焊縫成形更加連續(xù)均勻，見(jiàn)圖 4d、圖 4e。結(jié)果表明，施加橫向側(cè)吹可明顯改善焊縫表面成形，對(duì)于焊接飛濺也有明顯的抑制作用。

不同側(cè)吹壓力下焊縫橫截面形貌、熔深變化規(guī)律分別如圖 5、圖 6所示。由圖可知，在一定范圍內(nèi)，隨側(cè)吹壓力的增大焊接熔深逐漸增加，其中側(cè)吹壓力為0.4 MPa時(shí)焊接熔深最大為26.8 mm，相比無(wú)側(cè)吹時(shí)的22 mm提高了20%以上;當(dāng)側(cè)吹壓力增加到0.5 MPa時(shí)焊接熔深反而減小，說(shuō)明側(cè)吹壓力并非越大越好，這一點(diǎn)在焊縫表面成形上也有所體現(xiàn)。

上述結(jié)果表明，采用30 kW激光焊接時(shí)，焊接飛濺大、焊縫成形差;通過(guò)施加橫向側(cè)吹，可改善焊縫成形并增加焊接熔深，其單道焊接熔深可提高20%以上。

2.3 30 kW光纖激光焊接驗(yàn)證

綜上研究表明，萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光平板堆焊時(shí)，焊縫成形不易控制，還會(huì)產(chǎn)生較多的飛濺，同時(shí)獲得的焊縫熔深相對(duì)較小;通過(guò)常規(guī)的改變單一工藝參數(shù)如離焦量或焊接速度，難以獲得良好的焊縫成形，特別是當(dāng)激光功率達(dá)到30 kW時(shí)，這種趨勢(shì)更為明顯。通過(guò)施加橫向高壓側(cè)吹，采用合適的側(cè)吹壓力可以將大部分羽輝完全吹除同時(shí)不擾動(dòng)熔池，進(jìn)而降低羽輝對(duì)入射激光的影響，激光能量傳輸穩(wěn)定性也大幅增加（后續(xù)將通過(guò)高速攝像、探測(cè)激光、CCD等進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證），焊縫成形得到明顯改善。

此外，由上述焊接速度試驗(yàn)結(jié)果可知，在焊接速度為0.6 m/min時(shí)，焊接飛濺量較少。因此，為了實(shí)現(xiàn)30 kW激光功率焊接時(shí)焊縫表面成形的有效控制，通過(guò)施加壓力為0.4 MPa的橫向側(cè)吹，同時(shí)選用0.6 m/min的焊接速度，最終在30 kW激光功率條件下獲得了良好的焊縫表面成形，無(wú)焊接飛濺產(chǎn)生、焊縫均勻性良好，同時(shí)還獲得了較大的焊縫熔深（31 mm、板厚40 mm），如圖 7所示。

2.4 應(yīng)用前景

利用萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光的高功率密度，可以一次完成原本需要多道焊接才能完成的工作，在本試驗(yàn)中采用30 kW激光功率一次焊接得到的焊縫熔深達(dá)到了31 mm，這是弧焊等常規(guī)焊接方法難以達(dá)到的;此外，對(duì)于更大厚度的板材，即使單道焊接難以實(shí)現(xiàn)雙面成形，但依然可以采用雙面單道焊接方法，相對(duì)于弧焊方法同樣可大幅提升焊接效率，對(duì)于艦船、油氣管道以及核電等大量使用中厚板的重工業(yè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于中厚板萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接，德國(guó)不萊梅研究所、美國(guó)通用公司、大阪大學(xué)、俄羅斯JSC公司、德國(guó)弗勞恩霍夫研究所、亞琛工業(yè)大學(xué)等單位均已進(jìn)行了大量研究，且部分已應(yīng)用在石油管道等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)由于起步較晚，相關(guān)技術(shù)研究尚不成熟。而研究表明，要解決重大裝備制造業(yè)中厚板的優(yōu)質(zhì)、高效激光焊接問(wèn)題，需要采用15 kW以上高功率激光器，并盡快系統(tǒng)開(kāi)展該技術(shù)領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)與工程應(yīng)用工作。目前投入科研應(yīng)用的激光器最高功率已達(dá)100 kW，且未來(lái)激光器功率還會(huì)進(jìn)一步提升，成本也會(huì)不斷下降，采用萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接中厚度材料已經(jīng)成為焊接領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。

3 結(jié)論

（1）萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接時(shí)，特別是當(dāng)激光功率達(dá)到30 kW時(shí)，單一通過(guò)改變離焦量或焊接速度，難以獲得良好的焊縫表面成形，焊接飛濺普遍較多、焊縫均勻性差，同時(shí)獲得的焊縫熔深較小。

（2）在激光功率為30 kW時(shí)，通過(guò)施加壓力為0.3～0.4 MPa的橫向側(cè)吹，可明顯改善焊縫表面成形，在減少焊接飛濺的同時(shí)，焊縫熔深可提高20%以上。

（3）在激光功率為30 kW時(shí)，通過(guò)施加0.4 MPa的橫向側(cè)吹，同時(shí)選取0.6 m/min的焊接速度，實(shí)現(xiàn)了焊縫表面的良好成形，無(wú)焊接飛濺產(chǎn)生、焊縫均勻性良好。

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