激光焊接體能量及其對焊縫熔深的影響

0 前言

    激光焊接，特別是激光深熔焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及到激光—材料—等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過程中影響并決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率、焊接速度、離焦量及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)，其中離焦量（在激光焊接中，一般用離焦量來表征激光光斑及焦點(diǎn)尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一。

    在電弧焊中，人們常采用焊接線能量或熱輸入(二者的單位均為J·m^-1)來描述和評價(jià)焊接過程中電弧電壓、焊接電流和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，但是這兩個(gè)參數(shù)都沒有考慮電弧作用面積對焊縫熔深的影響。

    如果用電弧焊中的焊接線能量或熱輸入來綜合評價(jià)激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，則不能反映離焦量及焦點(diǎn)尺寸對焊縫熔深的影響。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來評價(jià)激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆。

    目前，在激光焊接的研究中，還沒有一個(gè)參數(shù)能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)對焊接過程的影響。為了綜合評價(jià)激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響以及區(qū)別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接過程中焊接體能量對焊縫熔深的影響。

1 焊接體能量的定義

    為了能夠綜合評價(jià)激光功率、焊接速度、激光輻照面積（離焦量）以及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，引入焊接體能量的概念，并將焊接體能量qV的定義為：

     （1）

    式中：Q——激光功率；

    V——焊接速度。

    S——為輻照在小孔內(nèi)的激光束光斑面積，實(shí)驗(yàn)用的Nd:YAG激光器經(jīng)焦距為200 mm的透鏡輸出的激光光斑面積與離焦量關(guān)系的擬合關(guān)系式為：

     （2）

    式中：∆z——離焦量；

    R0——激光束焦點(diǎn)半徑。

    因此，焊接體能量又可以表示為：

     （3）

    從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時(shí)間內(nèi)的激光功率密度或單位面積內(nèi)的焊接線能量，其單位為J·m-3，不同于電弧焊中焊接線能量和熱輸入的物理意義和單位J·m-1。

    從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量可由激光功率、焊接速度、及離焦量及激光束焦點(diǎn)半徑計(jì)算得出。圖1為焊接體能量隨激光功率、焊接速度和離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。從焊接體能量的定義及圖1中可以看出，焊接體能量與激光功率成正比關(guān)系，與焊接速度成反比關(guān)系，與焦點(diǎn)尺寸成平方關(guān)系，而與離焦量成指數(shù)關(guān)系。焊接體能量的變化能夠體現(xiàn)激光功率、焊接速度、離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。

2 焊接體能量對焊縫熔深的影響

2.1 試驗(yàn)條件

    實(shí)驗(yàn)用的激光器為額定功率為2 kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長為1.06 μm的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為0.6 mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200 mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點(diǎn)半徑為0.3 mm，工件為250×100×1.8 mm 的Q235鋼板，同軸保護(hù)氣為Ar氣。

(a) 激光功率

(b) 焊接速度

(c) 離焦量

圖1 焊接體能量隨焊接規(guī)范參數(shù)的變化

    本文的主要目的在于研究焊接體能量對焊縫熔深的影響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，實(shí)驗(yàn)采用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，并且只測量工件未焊透時(shí)的焊縫熔深。

    通過激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實(shí)現(xiàn)了焊接體能量的變化。實(shí)驗(yàn)過程中的焊接規(guī)范參數(shù)變化如表1所示。

表1 焊接規(guī)范參數(shù)的變化