光斑尺寸對(duì)碳鋼板激光焊焊縫成形及氣孔率的影響

崔輝 徐良 楊海鋒 徐富家 王旭友

摘要： 分別研究了單光束與擺動(dòng)光束兩種光束模式下光斑尺寸對(duì)6 mm厚Q345碳鋼激光焊焊縫成形和氣孔的影響。結(jié)果表明，相對(duì)于單光束激光焊，擺動(dòng)激光光束模式激光焊能夠有效改善焊縫成形、降低焊縫氣孔率。隨著光斑尺寸的增大，兩種光束模式激光焊的焊縫成形均趨于均勻、穩(wěn)定，焊縫的氣孔率均明顯降低。該試驗(yàn)條件下，光斑直徑d≥0.6 mm時(shí)，擺動(dòng)光束激光焊焊縫氣孔消失，此時(shí)單光束激光焊仍有明顯的氣孔存在。

關(guān)鍵詞： 激光焊; 離焦量; 成形; 氣孔率

中圖分類號(hào)： TG 456.7

Abstract： The effects of two beam modes of single beam and swing beam and the spot size on the weld formation and porosity of laser welding of 6 mm thick Q345 carbon steel were studied. The results show that compared with single beam laser welding， swing laser beam laser welding can effectively improve weld formation and reduce weld porosity. With the increase of spot size， the weld formation of the two laser beam modes tends to be uniform and stable， and the porosity of the weld decreases obviously. Under the condition of this experiment， when the spot diameter d ≥0.6 mm， the weld porosity disappears， and there are still obvious pores in single beam laser welding.

Key words： laser scanning; laser welding; porosity

0 前言

碳素鋼因其優(yōu)良的綜合性能、低溫性能、冷沖壓性能、焊接性能和可切削性以及較高的性價(jià)比被廣泛地應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等方面[1]。目前，碳鋼板的焊接普遍采用埋弧自動(dòng)焊、焊條電弧焊以及熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊（MIG）等方法。

MIG 焊在厚板的焊接過(guò)程中，飛濺大、焊接過(guò)程穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)焊縫成形不良。

埋弧焊則需要填充較多焊劑，并且一旦出現(xiàn)焊劑不純或裝配不良時(shí)，容易產(chǎn)生熔透不足及夾渣等焊接缺陷[2]。

激光焊具有能量密度高、精度高、速度快、穿透比大等特點(diǎn)[3-4]，在中厚板碳鋼的焊接中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了廣泛的研究。然而，這些研究大多數(shù)都是在單光束模式下進(jìn)行的，對(duì)于同樣焊接厚度下，光斑大小對(duì)擺動(dòng)光束激光焊的焊縫成形以及氣孔率的影響研究較少[5-6]。

基于當(dāng)前碳鋼激光焊接工藝的現(xiàn)狀，研究了單光束激光與擺動(dòng)激光兩種光束模式下的焊接效果，并就激光光斑直徑大小對(duì)碳素鋼的焊縫成形和氣孔率的影響進(jìn)行了研究，為碳鋼的激光焊接應(yīng)用提供一定試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用平板堆焊，單面焊雙面成形，激光熱源為 YLS-10000 型激光器，光纖芯徑=400 μm，激光焦距l(xiāng)=300 mm。擺動(dòng)激光為垂直擺動(dòng)模式，擺幅H=1mm，頻率 f=60 Hz。試驗(yàn)材料為 6 mm 厚的Q345 碳鋼，母材的化學(xué)成分見(jiàn)表1。保護(hù)氣體純氬氣，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)原理如圖1 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 光束模式對(duì)焊縫成形與氣孔的影響

在激光束作用點(diǎn)位于焦點(diǎn)位置時(shí)來(lái)考察單光束和擺動(dòng)光束兩種光束模式對(duì)焊縫成形和氣孔率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可以看出，擺動(dòng)激光焊的正面成形優(yōu)于單光束激光焊，相比于擺動(dòng)激光焊，單光束激光焊焊縫正面下凹程度更大，咬邊缺欠也更為嚴(yán)重，并且更易產(chǎn)生飛濺，其背部的飛濺顆粒大小差異較大，均勻性較差。兩種激光模式的焊縫背面均可成形，相比于單光束激光焊，擺動(dòng)激光焊的焊縫背部余高稍矮、背部熔寬稍寬，鋪展更為均勻、連續(xù)、穩(wěn)定。

表4為激光束作用點(diǎn)位于焦點(diǎn)位置，兩種光束模式激光焊焊縫的 X 射線探傷照片，焊縫氣孔率統(tǒng)計(jì)如圖2所示，結(jié)果表明，同樣在焊透 6 mm 接頭的條件下，擺動(dòng)光束激光焊的焊縫氣孔率為 2.8%，相比單光束激光焊氣孔率下降了約 88.71%，擺動(dòng)激光焊產(chǎn)生氣孔的傾向比單光束激光焊小，這說(shuō)明擺動(dòng)光束在抑制氣孔方面比單光束激光焊更有優(yōu)勢(shì)。

2.2 光斑尺寸對(duì)焊縫成形與氣孔率的影響

2.2.1 光斑尺寸對(duì)焊縫成形的影響

表5為負(fù)離焦下不同光斑尺寸對(duì)兩種光束模式激光焊焊縫成形的影響。從表5可以看出，兩種光束模式激光焊焊縫的正面成形咬邊缺陷均較為嚴(yán)重，并且隨光斑大小的變化，兩種光束模式激光焊焊縫的正面咬邊缺陷并沒(méi)有明顯改善，但相比于單光束激光焊，擺動(dòng)光束激光焊的背面成形更為連續(xù)、穩(wěn)定，背部鋪展更為均勻、一致。隨著光斑直徑逐漸變大，兩種光束模式激光焊焊縫背面成形有所改善，鋪展趨于均勻、穩(wěn)定。

圖3為負(fù)離焦下兩種光束模式激光焊焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的變化規(guī)律，結(jié)果表明，焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的增大而增加，并且單光束激光焊背面熔寬的增加趨勢(shì)更為明顯。

表6為正離焦下不同光斑尺寸對(duì)兩種光束模式激光焊焊縫成形的影響，從表6 可以看出，正離焦下光斑大小的變化對(duì)兩種光束模式激光焊焊縫正面、背面影響的規(guī)律與負(fù)離成形改善不明顯，都存在咬邊、下凹等缺陷。