激光擺動焊接工藝參數(shù)對不銹鋼焊縫成形與氣孔率的影響

夏佩云，封小松，王春明，徐程，黃琿，何建利

(1.華中科技大學,武漢,430074；2.上海航天設備制造總廠有限公司,特種焊接技術創(chuàng)新中心,上海,200245)

0 序言

激光焊具有熱輸入低、能量密度高、焊接變形小和焊接速度快等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于軌道車輛[1]、汽車車體[2]等制造.目前，不銹鋼激光焊接成熟的應用主要為板厚為在3 mm 以下的薄板[3-5].對于中厚板不銹鋼焊接，激光功率增加，產(chǎn)生的等離子體增多，對激光的產(chǎn)生屏蔽效應增加，小孔與熔池的穩(wěn)定性變差，因小孔坍塌從而產(chǎn)生氣孔增加[4,6-7]，熔池流動紊亂形成飛濺增多[8]，并且更易出現(xiàn)背面駝峰的問題[9-10].激光擺動焊接最早被Rubben 等人[11]提出用于遠程高效焊接.近幾年研究發(fā)現(xiàn)，擺動激光束可以增加熔池的對流和攪拌作用，可以改善中厚板激光焊縫成形，還可以減少氣孔率[8,12-15].目前，激光擺動焊接研究大多集中在鋁合金焊接，極少用于不銹鋼.對于鋁合金的擺動焊接，Lei 等人[16]認為圓形擺動可以獲得氣孔率極低的焊縫；Ke 等人[17]認為“8”形擺動獲得的焊縫氣孔率更低.Fetzer 等人[18]認為擺動激光束的匙孔對產(chǎn)生的氣泡的再次捕捉是振蕩激光束對氣孔的抑制主要機理，這無法解釋激光不同擺動形式的達到的氣孔率抑制效果不同.因此，為了改善中厚不銹鋼板焊接成形和氣孔率，同時探索不同擺動參數(shù)對成形與氣孔率的影響機理，針對5 mm 厚不銹鋼，采用激光擺動焊接方法，分析了焊接工藝參數(shù)、擺動方式和擺動參數(shù)對焊接氣孔率與成形的影響，獲得了不同擺動參數(shù)和擺動方式下氣孔消除的機制，幫助進一步理解激光擺動焊接過程.

1 試驗方法

試驗采用IPG YLS-6000 光纖激光器，波長為1 070 nm，激光頭型號為IPG D50 Wobble，最大掃描速度為1 000 mm/min，聚焦光斑直徑為0.4 mm.試驗通過KUKA HR60A 機器人執(zhí)行焊接過程.

激光擺動焊接方法如圖1 所示，激光通過振鏡實現(xiàn)x，y方向的擺動，從而獲得不同軌跡形式，軌跡形式主要采用圖2 所示的4 種擺動軌跡(“∞”、線性、圓形、“8”).

圖1 激光擺動焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser oscillating welding

圖2 4 種擺動形式示意圖Fig.2 Schematic diagram of 4 kinds of oscillating patterns

試驗采用1Cr18Ni9Ti 不銹鋼作為母材，尺寸規(guī)格為300 mm × 70 mm × 5 mm，焊前狀態(tài)為固溶，其化學成分如表1 所示.焊接過程中，激光束與試板法向呈10°傾角，保護氣體為99.9%的氬氣，氣體流量為15 L/min，其它工藝參數(shù)如表2 所示，共計14 組試驗，D1～ D4 組試驗分別采用“∞”、線性、圓形、“8” 4 種擺動軌跡.

表1 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of 1Cr18Ni9Ti stainless steel

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

2 結果與討論

2.1 不同激光功率和焊接速度下焊縫成形與氣孔情況

圖3 為試樣A1，A2，A3 焊縫外觀與X 射線檢測的氣孔情況.所有焊縫中均存在氣孔，主要分布于焊縫中央位置，大小不一，具有工藝氣孔特征.隨著激光功率和焊接速度的增加，氣孔尺寸、數(shù)量有所減小，氣孔間距增大.這是由于高速焊接時小孔膨脹收縮程度減小，穩(wěn)定性增加[19]，減少了熔池液態(tài)金屬對匙孔的閉合，從而氣孔數(shù)量更少.

圖3 焊縫成形與氣孔情況Fig.3 Weld formation and porosity.(a) sample A1;(b)sample A2;(c) sample A3

2.2 擺動幅值對焊縫成形與氣孔率的影響

圖4 為不同擺動幅值下試樣B1，B2 焊縫成形與內(nèi)部氣孔.隨著擺動幅值的增加，激光掃描路程增加而使得能量密度降低，焊縫由穿透焊變?yōu)榉谴┩负福砻骘w濺增加，但氣孔率有所減小.圖5 為不同擺動幅值條件下匙孔-熔池-氣泡間相互作用示意圖.隨著激光擺動幅值的增加，在一定程度的增加了熔池的體積，使得凝固時間延長，加上光束大范圍的振蕩，更有利于氣泡的逸出.但是過大的擺動幅值將顯著減小焊接熔深，因此為了兼顧熔深與焊接氣孔率，不宜采用過大的擺動幅值.

圖4 擺動幅值對焊縫成形和氣孔率的影響Fig.4 Effects of oscillating amplitude on weld formation and porosity.(a) oscillating amplitude 0.6 mm;(b)oscillating amplitude 0.3 mm

圖5 不同擺動幅值下匙孔-熔池-氣泡間相互作用示意圖Fig.5 Schematic diagram of keyhole-molten poolbubble interaction with different oscillating amplitude.(a) small oscillating amplitude;(b) large oscillating amplitude

2.3 擺動頻率對焊縫成形與氣孔率的影響

圖6 為不同擺動頻率下試樣C1～ C5 焊縫成形及氣孔分布.當擺動頻率為80 Hz 時，焊縫正面存在飛濺，背面存在駝峰；當擺動頻率為100 Hz 時，焊縫正面依然有少量飛濺咬邊，但是背面駝峰已消除；當擺動頻率為300～ 500 Hz，焊縫正面成形光滑，無咬邊、飛濺.飛濺產(chǎn)生的驅動力來自匙孔局部蒸發(fā)反沖壓力和高速噴射的蒸汽對孔壁的摩擦力和剪切力[20].焊縫底部駝峰形成的主要原因是匙孔在深度上振蕩的不穩(wěn)定性，使得底部有大量液態(tài)金屬重力的影響下體積不斷增大，最后形成背部駝峰[21].因此，大擺動頻率激光匙孔更加穩(wěn)定，熔池流動更加平穩(wěn)，在深度方向的振蕩也更為平穩(wěn)，從而改善了飛濺和背面駝峰現(xiàn)象.從焊縫內(nèi)部氣孔情況可知，擺動頻率處于100～ 300 Hz，氣孔率較低.當擺動頻率低于100 Hz 時，匙孔處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易因匙孔坍塌而形成氣孔，使得氣孔率較高.當擺動頻率達到500 Hz 時，無論在穿透焊或非穿透焊接模式，氣孔率均較高，如圖6d 和圖6e 所示.焊縫表面成形良好，無飛濺、咬邊，在穿透情況下不存在駝峰，匙孔穩(wěn)定，但氣孔率增加.由于氣泡的形核不只來源于匙孔坍塌而且還存在其它來源，如保護氣體[22].圖7 為不同擺動頻率條件下匙孔-熔池-氣泡相互作用示意圖.低頻擺動時,氣泡的產(chǎn)生來源于匙孔坍塌，來不及逸出形成氣孔(圖7a).高頻擺動時，匙孔更為穩(wěn)定，氣泡來源于被卷入的保護氣，隨形成的渦流共同運動，難以上浮逸出而形成氣孔(圖7c).只有當擺動頻率存在一定范圍內(nèi)，既可以穩(wěn)定匙孔，也可以保證氣泡的上浮逸出，從而獲得較低的氣孔率(圖7b).

圖6 擺動頻率對焊縫成形和氣孔率的影響Fig.6 Effects of oscillating frequency on weld formation and porosity.(a) sample C1;(b) sample C2;(c)sample C3;(d) sample C4;(e) sample C5

圖7 不同擺動頻率下匙孔-熔池-氣泡相互作用示意圖Fig.7 Schematic diagram of keyhole-molten pool-bubble interaction with different oscillating frequencies.(a) small oscillation frequency;(b) medium oscillation frequency;(c) large oscillation frequency

2.4 擺動形式對焊縫成形與氣孔率的影響

圖8 為試樣D1～ D4 焊縫外觀與內(nèi)部氣孔情況.“∞”形、線性擺動激光作用的焊縫表面飛濺更多，如圖8a 和圖8b 所示；圓形、“8”形擺動激光作用的焊縫表面飛濺更少，如圖8c 和圖8d 所示.線性、“∞”擺動方式不利于匙孔的穩(wěn)定，這樣匙孔容易坍塌成為氣泡來源；“8”形、圓形擺動激光匙孔更穩(wěn)定，由匙孔坍塌引起的氣泡來源減少，其氣泡主要來源于卷入的保護氣.

圖8 擺動形式對焊縫成形與氣孔率的影響Fig.8 Effects of oscillating form on weld formation and porosity.(a)“∞”;(b) linear;(c) circle;(d) “8”

圖9 為不同擺動方式作用焊縫氣孔率情況.在匙孔不穩(wěn)定的情況下，線性擺動激光焊縫氣孔率遠高于“∞”形擺動激光焊縫的氣孔率；在匙孔穩(wěn)定的情況下，“8”形擺動激光焊縫氣孔率要低于圓形擺動激光焊縫氣孔率.不銹鋼激光焊接熔池中氣泡來源于匙孔坍塌引起的氣泡和被卷入的保護氣，當氣泡無法及時逸出被凝固前沿捕捉而形成氣孔，因而焊縫氣孔率由氣泡的產(chǎn)生率和逸出率共同決定.

圖9 不同擺動模式下焊縫氣孔率Fig.9 Weld porosity with different oscillating mode

圖10 為不同擺動方式下匙孔-熔池-氣泡相互作用示意圖.線性、“∞”形擺動方式由于匙孔坍塌產(chǎn)生的氣泡較多，而線性擺動的光束使得熔池橫向振蕩，驅動熔池向后流動的能力遠小于“∞”形擺動焊縫，因此氣泡逸出率低，導致形成的氣孔率高(圖10a 和圖10b).圓形、“8”形擺動焊縫匙孔穩(wěn)定性高，氣泡主要來源于卷入的保護氣，圓形擺動的光束使得熔池形成渦流流動，包裹了熔池中的氣泡，不利于氣泡的上浮，因而氣孔率高于“8”形擺動(圖10c 和圖10d).由此可見，線性擺動由于匙孔不穩(wěn)定氣泡產(chǎn)生率更高，逸出率最低，因而氣孔率最高約為19.13%.“8”形擺動由于氣泡產(chǎn)生率低、逸出率高，因而具有最低的氣孔率，焊縫氣孔率約為2.94%.

圖10 不同擺動方式下匙孔-熔池-氣泡間相互作用示意圖Fig.10 Schematic diagram of keyhole-molten poolbubble interaction with different oscillating mode.(a) “∞”;(b) linear;(c) circle;(d) “8”

3 結論

(1)采用擺動激光實現(xiàn)了5 mm 厚1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接，適當提高焊接速度更利于減少焊縫氣孔.在保證焊透的前提下，適當增大擺動幅值有利于減少焊縫氣孔.

(2)對于圓形擺動激光頻率在100～ 300 Hz 可以兼顧較低氣孔率和較好的焊縫成形.過低的擺動頻率下因匙孔坍塌導致的氣泡產(chǎn)生率更高；高擺動頻率下匙孔更為穩(wěn)定，但會造成熔池渦流流動包裹氣孔，使之難以逸出.

(3)線性、“∞”形擺動激光作用的焊縫飛濺大、成形差，“8”形、圓形擺動激光作用的焊縫幾乎無飛濺、成形優(yōu)異.線性激光擺動焊接因匙孔坍塌引起的氣泡產(chǎn)生率更高，逸出率最小，氣孔率最高約為19.13%.“8”形擺動由于匙孔穩(wěn)定氣泡產(chǎn)生率低，氣泡逸出率高，因而具有最低的氣孔率約為2.94%.