焊接参数对高功率光纤激光及激光-TIG复合填丝焊接气孔的影响

摘要

焊接制造工程中，电弧焊接仍然是目前主导的焊接方法。但传统的电弧焊接方法在焊接高性能金属材料时，由于电弧的能量密度相对较低，焊接速度较慢，热输入较大，在解决构件焊接的变形、热损伤、焊接效率的提升以及在构件装配精度偏差波动较大条件下的单面焊双面成形控制问题遇到了技术瓶颈。激光-电弧复合焊接方法，由于同时具有激光焊接的高效特征和电弧焊接的高适应特性，且在高速焊接条件下具有高的焊接过程稳定性，为高性能金属材料高的工况适应能力、高效率、低热损伤、低变形等关键工程问题提供了有效的解决方案。以高功率激光为核心的焊接方法，深熔焊接时的一个主要问题是极易产生小孔型气孔缺陷。目前解决激光小孔缺陷主要的主要焊接方法如激光扫描焊接、大光斑焊接、双焦点焊接等，其本质是通过增大热输入来减少焊缝深宽比，尽管可以有效抑制激光小孔缺陷的产生，但也削弱了以高功率激光为核心的焊接工艺方法的低热输入高效焊接的特性。如何充分发挥高功率激光焊接低热输入高效焊接的特性，同时抑制激光小孔缺陷的产生是本文重点探索的问题。　　本文以304不锈钢为研究对象，采用6kW光纤激光器及激光自熔焊接、激光-TIG填丝复合焊接两种焊接工艺方法，较系统研究了激光功率、焊接速度等关键工艺参数的匹配对焊缝成形及焊接气孔率的影响规律。研究发现，对于304不锈钢全熔透自熔焊接，保持其它焊接参数不变，一定的焊接速度下能够有效抑制激光小孔型气孔缺陷所匹配的激光功率有一定的阈值（临界气孔拟制功率），当激光功率高于该阈值时，均可有效抑制激光小孔型气孔缺陷的产生；焊接速度越快，需要匹配的激光功率阈值越高；分析气孔率与焊接参数、焊缝形状的映射规律发现，气孔率与焊缝熔透程度密切相关，无论采用低激光功率、低焊接速度的参数匹配，还是采用高激光功率、高焊接速度的参数匹配，当焊缝的背面宽度与焊缝正面宽度的比值接近于1时，气孔率可控制在0.1%以内；但高功率、高速度的焊接工艺与低功率、低速度的焊接工艺相比，焊缝的深宽比更大，焊缝的热输入更低，更有利于焊接变形的控制和提高焊接效率。高功率激光-TIG电弧填丝焊的工艺参数对焊缝气孔率及焊缝成形的影响规律与激光自熔焊接基本一致，但可有效解决激光自熔焊接表面凹陷问题，同时与传统的TIG电弧相比显著提高了焊接速度。　　在焊接工艺参数对激光小孔型气孔抑制及焊缝成形规律研究的基础上，采用高速摄仪，对不同工艺参数下光致等离子体的波动特征及激光小孔的波动特征进行了监测，并利用数理统计的方法对高功率光纤激光焊对气孔产生与抑制原因进行了分析。研究表明，光致等离子体均存在着从产生到湮灭的过程，且产生的等离子体的大小在焊接过程中是不断变化的。一定的焊接速度全熔透焊接条件下，当采用的激光功率超过临界气孔抑制功率与采用低于气孔临界抑制功率相比，等离子体从产生到湮灭的周期增长，等离子体面积波动更小，且小孔不存在湮灭的过程，因而更能够有效抑制激光小孔型气孔的产生。

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