空間推進(jìn)系統(tǒng)鋁合金組件激光焊閾值特性

宋 凡 馬紀(jì)龍 周宇浩 曹 丹 林嘉偉

（1 上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112）

（2 上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

文 摘 為解決空間推進(jìn)系統(tǒng)直屬組件輕量化需求，對(duì)新采用的鋁合金材料進(jìn)行了激光焊閾值特性研究。結(jié)果表明，鋁合金激光焊閾值區(qū)間與焊接速度和離焦量的絕對(duì)值正相關(guān)，但正向變化幅度遠(yuǎn)低于不銹鋼、鎳合金和鈦合金等材料。對(duì)于光束質(zhì)量不同的激光焊機(jī)來(lái)說(shuō)，光束的焦斑直徑越小，實(shí)焦焊時(shí)閾值區(qū)間越低；光束的發(fā)散角越小，相同離焦量下閾值區(qū)間越低。在-12°～12°內(nèi)，鋁合金激光焊閾值區(qū)間與入射角無(wú)關(guān)。保護(hù)氣的吹送方向和吹送速度基本不改變鋁合金激光焊的閾值區(qū)間，此特性與不銹鋼等材料略有區(qū)別。

0 引言

根據(jù)熔池中是否產(chǎn)生了匙孔效應(yīng)，激光焊可分為熱導(dǎo)焊和深熔焊［1］，導(dǎo)致焊接模式轉(zhuǎn)變的特定功率范圍稱為閾值區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)焊接過(guò)程非常不穩(wěn)定，因此必須掌握閾值區(qū)間的分布規(guī)律，方可在設(shè)置焊接參數(shù)時(shí)得以提前避開。

在減重需求日益迫切的當(dāng)下，空間推進(jìn)系統(tǒng)中鋁合金組件的占比逐漸增多。此前行業(yè)內(nèi)已對(duì)不銹鋼、鎳合金和鈦合金等材料進(jìn)行了閾值特性研究［2］，但鋁合金的激光焊技術(shù)仍是當(dāng)今研究難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)。本文針對(duì)鋁合金激光焊過(guò)程中焊接模式的轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)行了研究，達(dá)到了量化各類工藝參數(shù)對(duì)閾值區(qū)間影響規(guī)律的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用兩臺(tái)YAG 式激光焊機(jī)，型號(hào)分別為HL2006D 和TruDisk3002，最大功率分別為2 和3 kW，光束質(zhì)量分別為30 和8 mm?mrad。

實(shí)驗(yàn)件材料為5A06 鋁鎂系鋁合金，配合形式為平板對(duì)接。實(shí)驗(yàn)件焊前進(jìn)行堿洗、烘干和刮削處理，焊接質(zhì)量按照航天企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/RJ71—2000 的I 級(jí)要求進(jìn)行控制。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接速度的影響規(guī)律

將離焦量設(shè)為0（即表面焦），保護(hù)氣種類設(shè)為氬氣，吹送方式設(shè)為45°旁軸前吹，吹氣速度設(shè)為15 L/min，入射角設(shè)為仰4°（防反射），并固定以上參數(shù)不變。以100 W 為步進(jìn)增加激光功率（P），分別在4 種焊接速度下進(jìn)行焊縫成形實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)的熔深（D）變化曲線見圖1（a）。4條曲線都在局部出現(xiàn)了陡升形態(tài)，此處即是熱導(dǎo)焊向深熔焊進(jìn)行焊接模式轉(zhuǎn)變的功率閾值區(qū)間?？紤]到前3 條曲線都在1 500～1 600 W完成了陡升過(guò)程，無(wú)法區(qū)分先后順序，因此以50 W為步進(jìn)再次進(jìn)行細(xì)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖1（b）。

圖1 焊接速度對(duì)焊縫熔深的影響規(guī)律Fig.1 Influence of speed on weld penetration

記錄匯總閾值區(qū)間中值和寬度，可得圖2所示的閾值區(qū)間（Th）-焊接速度（v）關(guān)系曲線。當(dāng)焊接速度從1.2 m/min 增至2 倍時(shí)，閾值區(qū)間的中值和寬度保持不變；當(dāng)速度增至3 倍時(shí)，中值增加了約3.3%，寬度保持不變；當(dāng)速度增至4 倍時(shí)，中值增加了約8.2%，寬度從50 W 增至100 W。整體而言，鋁合金激光焊閾值區(qū)間受焊接速度的影響很小。針對(duì)這種現(xiàn)象，有研究［3-4］模擬得到匙孔深度隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果顯示匙孔增長(zhǎng)至極限深度的50%僅需不到1 ms，因此對(duì)于常用的焊接速度區(qū)間來(lái)說(shuō)，光束移動(dòng)速度遠(yuǎn)慢于匙孔成形速度，即焊接速度對(duì)匙孔的形成幾乎無(wú)影響，而工件表面所吸收到的激光功率密度（激光功率/光斑面積）是匙孔成形唯一決定因素。

圖2 焊接速度對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.2 Influence of welding speed on threshold interval

此前對(duì)不銹鋼、鎳合金和鈦合金進(jìn)行了研究，結(jié)果表明3 者閾值區(qū)間受焊接速度的影響程度可達(dá)50%～55%，且整體分布在500～900 W 的小功率范圍內(nèi)，如圖3所示。

圖3 焊接速度對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.3 Influence of welding speed on threshold interval

分析認(rèn)為，形成匙孔所需的能量密度和母材化學(xué)元素的沸點(diǎn)負(fù)相關(guān)［5］。由于鋁的沸點(diǎn)顯著低于鐵、鎳和鈦，因此鋁合金的閾值區(qū)間應(yīng)較低。但鋁對(duì)激光的反射率和導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于后3者，導(dǎo)致鋁合金母材吸收和存留熱量的能力極差，從而使其升溫、熔化和汽化過(guò)程所需的激光功率顯著提高，最終表現(xiàn)為閾值區(qū)間高出近3倍。與此同時(shí)，有人對(duì)匙孔受力模型進(jìn)行了分析［6］，結(jié)果表明金屬蒸氣逸出時(shí)的反沖力pv是產(chǎn)生并維持匙孔的動(dòng)力（pv取決于金屬蒸氣壓），而液態(tài)金屬的表面張力pσ、靜態(tài)重力pg和動(dòng)壓力ph是促使匙孔消失的阻力（其中pg、ph遠(yuǎn)小于pv、pσ），當(dāng)動(dòng)力和阻力趨向平衡時(shí)匙孔形態(tài)保持穩(wěn)定。由于鋁的蒸氣壓遠(yuǎn)高于鐵、鎳和鈦，而表面張力又顯著低于后3者，因此鋁合金熔池匙孔的擴(kuò)展動(dòng)力遠(yuǎn)大于閉合阻力，此時(shí)即使光束移動(dòng)速度加快，致使蒸氣產(chǎn)生量減少，但剩余蒸氣的反沖力仍足夠產(chǎn)生并維持匙孔，表現(xiàn)為焊接速度對(duì)閾值區(qū)間的影響極小。

2.2 離焦量的影響規(guī)律

激光束的縱截面形態(tài)與雙曲線近似，當(dāng)工件在雙曲線束腰附近進(jìn)行上下移動(dòng)（即變動(dòng)離焦量）時(shí)，工件表面的光斑面積會(huì)按二次曲線的規(guī)律變化［7］，最終改變了熔池表面的激光功率密度。

固定其他參數(shù)不變，在5種離焦量下變動(dòng)功率進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，所得熔深變化曲線如圖4所示。記錄匯總閾值區(qū)間中值和寬度，可得圖5所示的閾值區(qū)間-離焦量（Z）關(guān)系曲線。

圖4 離焦量對(duì)焊縫熔深的影響規(guī)律Fig.4 Influence of defocus on weld penetration

圖5 離焦量對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.5 Influence of defocus on threshold interval

離焦量為零時(shí)閾值區(qū)間中值最小，離焦量絕對(duì)值越大則閾值區(qū)間中值越大；當(dāng)離焦量增加2 mm時(shí)，閾值區(qū)間中值增加了6%～8%，當(dāng)離焦量增加4 mm 時(shí)，閾值區(qū)間中值增加了25%～30%，但閾值區(qū)間寬度基本不變。分析認(rèn)為，離焦量為零時(shí)工件表面的光斑面積最小，激光功率密度Ek可以達(dá)到最大值，熔池金屬更快地被加熱汽化，從而能更早地產(chǎn)生深熔焊所必需的匙孔。當(dāng)離焦量往正或負(fù)向逐漸增長(zhǎng)時(shí)，工件表面的光斑面積都相應(yīng)增大，這必然導(dǎo)致功率密度的同步下降［8］，從而減緩金屬汽化以造就匙孔的速度，最終造成深熔轉(zhuǎn)變的閾值區(qū)間不斷提高。

此前對(duì)不銹鋼進(jìn)行了相同類型的研究，結(jié)果顯示離焦量對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律與鋁合金高度相似，區(qū)別是不銹鋼的變化相對(duì)幅度較大，在離焦2/4 mm時(shí)閾值區(qū)間中值分別提高15%～20%/45%～80%（圖6）。

圖6 離焦量對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.6 Influence of defocus on threshold interval

分析認(rèn)為，匙孔主要依靠逆韌致吸收和菲涅爾吸收這兩種機(jī)制來(lái)吸收激光能量以維持存在，逆韌致吸收指激光能量被匙孔內(nèi)噴出的金屬蒸氣及其電離出的等離子體吸收，菲涅爾吸收指激光能量在匙孔內(nèi)多次反射時(shí)被孔壁的液態(tài)金屬吸收。有研究［9］稱在鋁合金激光深熔焊時(shí)逆韌致吸收比菲涅爾吸收更有效，這與不銹鋼和鎳合金等材料正好相反。一般來(lái)說(shuō)，逆韌致吸收主要發(fā)生在匙孔口位置，與光束的反射路徑基本無(wú)關(guān)；而菲涅爾吸收則依賴于光束的反射路徑，且發(fā)生在孔口以下的一定距離，因此以逆韌致吸收為主的鋁合金匙孔受離焦量變化的影響更小，表現(xiàn)為閾值區(qū)間在離焦量改變2 mm 時(shí)僅提高6%～8%左右。

除此之外，5A06 鋁合金中含有約7%的Mg、Zn低沸點(diǎn)合金元素，當(dāng)鋁合金母材受到激光加熱時(shí)，一旦表面溫度超過(guò)了Mg、Zn 的沸點(diǎn)，這兩種合金元素就會(huì)立即汽化，在鋁合金表面形成初始的匙孔坑，有利于最終匙孔的快速成形。在離焦量發(fā)生改變時(shí)，激光束的能量密度明顯減小，其汽化高沸點(diǎn)元素（如Fe、Ni）的能力明顯下降，但汽化低沸點(diǎn)元素（如Mg、Zn）的能力基本不變，導(dǎo)致鋁合金初始成孔所需的激光功率密度很容易達(dá)到，最終表現(xiàn)為閾值區(qū)間受離焦量的影響很小。

2.3 光束質(zhì)量的影響規(guī)律

光束質(zhì)量的細(xì)分指標(biāo)包括焦點(diǎn)光斑直徑（D0）和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角（Θ0）兩類，已有兩臺(tái)焊機(jī)（HL2006D/TruDisk3002）的焦點(diǎn)光斑直徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角分別為0.45、0.54 mm 和267、59 mrad，即前者較為發(fā)散但焦斑面積略小，后者較為平直但焦斑面積略大。

前兩節(jié)數(shù)據(jù)為TruDisk3002 焊機(jī)所得，現(xiàn)固定其他參數(shù)不變，在HL2006D 焊機(jī)上同樣以5 種離焦量進(jìn)行焊縫成形實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)的熔深變化曲線如圖7所示。記錄匯總此時(shí)的閾值區(qū)間中值和寬度，可得如圖8所示的閾值區(qū)間-離焦量關(guān)系曲線。

對(duì)比圖4、圖5、圖7、圖8可知，實(shí)焦焊模式下HL2006D 焊機(jī)閾值區(qū)間更靠近低功率區(qū)；虛焦焊模式下TruDisk3002 焊機(jī)閾值區(qū)間更靠近低功率區(qū)。分析認(rèn)為，在實(shí)焦焊模式下，由于HL2006D 焊機(jī)的焦點(diǎn)光斑面積更小，因此在達(dá)到同等功率密度時(shí)所需的激光功率更小，即閾值區(qū)間稍低。在虛焦焊模式下，由于TruDisk3002 焊機(jī)的光束發(fā)散角更小，因此當(dāng)兩者的離焦量相同時(shí)，其作用于工件表面的光斑面積更小，故閾值區(qū)間更低。

圖7 離焦量對(duì)焊縫熔深的影響規(guī)律Fig.7 Influence of defocus on weld penetration

圖8 離焦量對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.8 Influence of defocus on threshold interval

此前對(duì)不銹鋼進(jìn)行了相同類型的研究，結(jié)果顯示光束質(zhì)量對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律與鋁合金大致相似，區(qū)別是前者的變化幅度稍大，在相同離焦2 mm時(shí)閾值區(qū)間中值相差約26%，相較而言鋁合金相差約16%，如圖9所示。

圖9 離焦量對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.9 Influence of defocus on threshold interval

2.4 入射角的影響規(guī)律

光束入射角定義為入射光軸線與工件表面法線的夾角，即光束垂直入射到工件表面時(shí)入射角為0°。若定義光束前傾時(shí)入射角為正（俯角），則光束后仰時(shí)入射角為負(fù)（仰角）。固定其他參數(shù)不變，以4°為步進(jìn)改變?nèi)肷浣沁M(jìn)行焊縫成形實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)的熔深變化曲線如圖10所示。記錄匯總此時(shí)的閾值區(qū)間中值和寬度，可得圖11所示的閾值區(qū)間-入射角（IA）關(guān)系曲線。

圖10 入射角對(duì)焊縫熔深的影響規(guī)律Fig.10 Influence of incident angle on weld penetration

圖11 入射角對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.11 Influence of incident angle on threshold interval

在-12°～12°范圍內(nèi)，閾值區(qū)間不受入射角變化的影響。分析認(rèn)為，僅改變?nèi)肷浣嵌桓淖冸x焦量時(shí)，工件表面的圓形光斑會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形，但當(dāng)入射角的變化范圍較小時(shí)，圓形光斑和橢圓形光斑的面積差距極小，基本不影響激光功率密度，因此深熔轉(zhuǎn)變行為不變，即閾值區(qū)間保持恒定。

此前對(duì)不銹鋼進(jìn)行了相同類型的研究，結(jié)果顯示入射角對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律與鋁合金完全相同，見圖12。

圖12 入射角對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.12 Influence of incident angle on threshold interval

2.5 保護(hù)氣的影響規(guī)律

對(duì)于旁軸保護(hù)氣，根據(jù)噴嘴擺放位置可分為后吹、前吹和側(cè)吹3種吹氣方向模式。

選定某種吹氣方向，如后吹模式，改變吹氣速度進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所得焊縫的熔深變化曲線如圖13所示。固定吹氣速度（15 L/min）和其他工藝參數(shù)不變，分別在3種吹氣方向下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所得焊縫的熔深變化曲線見圖14。記錄匯總此時(shí)的閾值區(qū)間中值和寬度，可得圖15、圖16所示的閾值區(qū)間-吹氣速度（Fv）關(guān)系曲線和閾值區(qū)間-吹氣方向關(guān)系曲線。

圖13 吹氣速度對(duì)焊縫熔深的影響規(guī)律Fig.13 Influence of flow velocity on weld penetration

圖14 吹氣方向?qū)缚p熔深的影響規(guī)律Fig.14 Influence of flow direction on weld penetration

圖15 吹氣速度對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.15 Influence of flow velocity on threshold interval

圖16 吹氣方向?qū)﹂撝祬^(qū)間的影響規(guī)律Fig.16 Influence of flow direction on threshold interval

吹氣方向和吹氣速度對(duì)閾值區(qū)間無(wú)可見影響。分析認(rèn)為，激光在焊接過(guò)程中會(huì)持續(xù)地電離從熔池內(nèi)噴出的金屬蒸氣，此過(guò)程會(huì)消耗部分的激光能量，且產(chǎn)生的等離子體會(huì)同未電離的金屬蒸氣一起使激光產(chǎn)生散射，導(dǎo)致激光的焊接能力發(fā)生一定程度的降低［10］。當(dāng)吹氣速度逐漸增大時(shí)，金屬蒸氣能被更快地吹走，導(dǎo)致其散射激光的能力逐漸減弱，故應(yīng)使激光的熔化能力有所加強(qiáng)。但有研究稱YAG激光形成等離子體的臨界功率密度比CO2激光高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在YAG 激光焊接時(shí)，熔池區(qū)的光譜分布呈連續(xù)態(tài)，說(shuō)明此時(shí)幾乎不產(chǎn)生等離子體［11］，也就是電離耗能和等離子散射的不利影響基本不存在，最終造成值區(qū)間與吹氣速度基本無(wú)關(guān)。與此同時(shí)，由于工件為平板形，因此吹氣方向的變化不會(huì)導(dǎo)致氣流形態(tài)發(fā)生改變，不改變?nèi)鄢貎?nèi)氣體的逸出行為，因此閾值區(qū)間不受影響。

此前對(duì)不銹鋼進(jìn)行了相同類型的研究，結(jié)果顯示吹氣方向同樣對(duì)閾值區(qū)間無(wú)影響，但增加吹氣速度會(huì)降低閾值區(qū)間中值，如圖17、圖18所示。

圖17 吹氣速度對(duì)閾值區(qū)間的影響規(guī)律Fig.17 Influence of flow velocity on threshold interval

圖18 吹氣方向?qū)﹂撝祬^(qū)間的影響規(guī)律Fig.18 Influence of flow direction on threshold interval

分析認(rèn)為，在同樣進(jìn)入最穩(wěn)定的+3 價(jià)陽(yáng)離子模式下，鋁元素所需的電離能大約是鐵元素的93%（2 744 kJ/mol∶2957 kJ/mol），即兩者在同一激光功率下形成等離子體的程度大致相同?？紤]到鋁合金深熔轉(zhuǎn)變的功率比不銹鋼高約2.5倍，因此同樣處于閾值區(qū)間附近時(shí)，不銹鋼熔池匙孔上方的等離子體顯著多于鋁合金，故當(dāng)吹氣速度逐漸增大時(shí)，不銹鋼金屬蒸氣及等離子體能被更快地吹走，降低了蒸氣吸能和等離子體散射的不利影響，最終造成閾值區(qū)間與吹氣速度呈負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）與不銹鋼、鎳合金和鈦合金類似，鋁合金激光焊閾值區(qū)間與焊接速度同樣成正向關(guān)系，但其區(qū)間中值高出前3 者近3 倍，且受速度的影響程度僅為前3者的1/6～1/7左右。

（2）鋁合金激光焊閾值區(qū)間與離焦量絕對(duì)值呈正相關(guān)，但相較于不銹鋼、鎳合金和鈦合金，離焦量的影響程度僅為前3 者的1/3～1/4 左右，且正離焦和負(fù)離焦的區(qū)別很小。

（3）光束質(zhì)量影響鋁合金激光焊閾值區(qū)間，光束的焦斑直徑越小，實(shí)焦焊時(shí)閾值區(qū)間中值越?。还馐陌l(fā)散角越小，相同離焦量下閾值區(qū)間中值更小。

（4）在-12°～12°范圍內(nèi)，鋁合金激光焊閾值區(qū)間與入射角無(wú)關(guān)。

（5）保護(hù)氣的吹送方向和流量基本不改變鋁合金激光焊閾值區(qū)間。