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304不锈钢光纤激光焊接模式影响因素的研究

作者:admin 来源: 日期:2018/12/9 13:56:33 人气:14

为了研究304不锈钢光纤激光焊接模式的影响因素,参考均匀试验设计的思路,以激光功率、焊接速度、离焦量为变量,设计了一组试验。通过对试验结果中焊缝成形的分析,获得光纤激光焊接热导焊和深熔焊的特征形式;通过定量计算,对焊接模式与各焊接参数及其交互作用之间关系进行分析,确定焊接模式的影响因素。结果表明:304不锈钢光纤激光焊共有四种焊缝成形形式,其由热输入密度(激光功率、焊接速度、离焦量三者的交互作用)决定。当热输入密度小于43.04 J/mm3时,焊缝为圆弧形,对应的焊接模式为热导焊;当热输入密度大于66.82J/mm3时,焊缝为钉头形或钉状,对应的的焊接模式为深熔焊。除此之外,还存在一种中间过渡状态,其所对应的热输入密度也处于两种焊接模式之间。

激光焊接模式可分为热导焊和深熔焊两种。其中热导焊的熔池金属没有气化,而是通过搅拌运动形成焊缝;深熔焊也称为小孔焊,是在熔池金属气化所产生的金属蒸汽压力下形成的[1]。两者的区别在于激光能量能否引起金属的气化。

现有文献对CO2激光器的焊接模式进行了定性的研究,结果表明:即使激光功率密度足够大,能够使金属发生气化,但在一定的工艺条件(一定母材、激光功率、离焦量、焊接速度等)下,激光焊接会从稳定的热导焊变为稳定的深熔焊;除了激光功率密度之外,焊接速度也是决定激光焊接模式的重要因素。 激光焊接模式对于激光制造具有非常重要的意义。比如对于低熔深的焊接,有时需要热导焊来增加焊缝宽度从而提高对接焊缝的容错率;对于超薄材料的封头焊,有时又需要用尽量小的功率来获得尽量大的熔深。另一方面,目前正迅速发展的激光填丝焊[3]、激光粉末焊[4]、激光表面改性[5]等技术也需要对焊接模式进行精准控制。

目前广泛应用的光纤激光和碟片激光等固体激光器与CO2激光的差别较大。笔者之前的研究表明,CO2激光对焊接速度的改变较为敏感,而光纤激光对激光功率的改变较为敏感。

由于目前对光纤激光焊接模式的研究较少,且缺乏定量的研究。因此,本文研究的主要内容对为304奥氏体不锈钢光纤激光焊接的功率密度以及焊接速度对于光纤激光焊接模式的影响及其定量计算。

2试验方法及内容

2.1  激光焊接模式的影响因素

众所周知,激光焊接模式的主要影响因素为激光功率、作用于304不锈钢的光斑直径和焊接速度。其中激光功率和焊接速度均可直接获得,而光斑直径由离焦量决定。 作用于304不锈钢的光斑直径与离焦量的关系可由下式[1]计算: 21/220041zzMDDDλπéùæöêúç÷=+ç÷êû

 1) 式中  z—— 离焦量,mmDz—— 离焦量为z处的光斑直径,mmD0—— 聚焦镜焦点处光斑直径,0.7 mmM2—— 激光光束质量,31.6; λ—— 激光波长,1.07×10-3mm。 除了上述三种单一因素外,还可以考虑它们之间的交互作用对激光焊接模式的影响。常用的交互作用有激光功率密度、焊接热输入等。 计算功率密度时,还需要计算光斑的面积,其计算公式为: 2zSDπ=

 2) 式中  S—— 光斑面积,mm2; 激光功率密度表示单位面积内的激光功率,其计算公式为: 52410zPQDπ=×

 3) 式中  Q——304不锈钢表面的激光功率密度,W/cm2P——激光功率,kW。 焊接热输入表示单位长度上304不锈钢接受到的总能量,其计算公式为: 310PEv=×

 4) 式中 E——热输入,J/mmv——焊接速度, mm/s。 上述激光功率密度和焊接热输入均为两个单一参数之间的交互作用。另外,本文还引入了三种单一参数之间的交互作用——热输入密度来表示单位长度上光束作用于304不锈钢的激光能量密度,其计算公式为: 32410zQPevvDπ==×

 5) 式中 e——热输入密度,J/mm3

2.2  试验参数选择

本文采用均匀设计法来设计试验参数,这样可以通过较少且分布较为均匀试验参数点来覆盖较大的焊接参数范围。

需要注意的是,均匀设计试验的试验参数只能在单一因素中选择。对于这些因素间的交互作用可以通过试验后的回归计算等方法进行分析,但是其前提是各单一因素对试验结果的影响是线性的。由于焊接模式的变化是非线性的,故本文在试验参数设计时还需要考虑各交互作用对激光焊接模式的影响。 首先需要确定所使用的均匀设计表。根据均匀设计使用表可知,考虑三个单一因素时,U*10108)均匀设计表的均匀度的偏差较小,此时的试验次数为10次,每个因素需要取10个参数点。 由于激光热导焊需要较小的激光功率密度,故激光功率应在较小的范围内选择,本文在0.8~1.7kW(设置值,受到焊机自身配置的影响,实际输出功率高于设置功率,下文所述的均为实际输出功率)的范围内选择了10个参数,每个参数间隔约为0.1kW。 焊接速度对激光模式的影响未知,故选择范围应较大,但是为了避免焊接速度过慢使激光作用时间过度增加造成对激光焊接模式的影响,故在40mm/s~85mm/s的范围内选择了10个数据点,每个数据点间隔5mm/s。 离焦量绝对值相同时,正离焦与负离焦的光斑直径相同,正离焦与负离焦的区别有时并不明显[2],但负离焦时焊缝内部的功率密度大于焊缝表面,不能直接反应光斑直径对焊缝的影响,故本文试验均采用正离焦。均匀试验每种因素的试验点数量相同,故本文离焦量也有10个数据点,分别为09mm(间隔1mm),并计算出相应的光斑面积。 综上所述,本文单因素焊接试验方案如表1所示,为了方便后续说明,表中同时列出了每组试验参数对应的三种交互作用的计算结果。

如前所述,设计试验参数时还需要考虑交互作用的影响。分别将表1所列的10组试验参数所对应的功率密度和热输入按大小进行排序形成新的两组因素,再将它们分别和对应的焊接速度、离焦量进行比较,此时的试验点如图1中的圆点(“●”)所示。

由图1可知,两种试验点分布较不均匀,如在左图中,激光功率密度较小时,低焊接速度没有覆盖;激光功率密度较大,高焊接速度没有覆盖。 故在图1的两组试验点分布中各增加了5个试验点来提高试验的均匀性。新增的试验点在图1中用三角(“▲”)表示,试验参数如表2所示。  通过对表1和表2的比较可以发现,表2的焊接参数除了增加试验的均匀性之外,还填补了表1热输入密度4367之间的空白区域。

2.3 试验方法

本研究使用的母材是304不锈钢,厚度为6mm;为了排除焊缝间隙的影响,所有试验直接在平板上进行; 为了避免熔池重力的影响,焊接位置为横焊,光束垂直于试件表面。 按试验方案完成焊接后,在试样中心取样并拍摄宏观金相照片,确定焊缝的焊接模式。

3试验结果及分析

3.1  试验结果

20条试验焊缝中共有4种焊缝类型,如图2所示,图2-1a)中的焊缝为圆弧形;图2-1b)中的焊缝呈三角形,底部没有明显的突出部;图2-1c)中的焊缝呈钉头状,底部开始有明显的突出;图2-1d)焊缝上部也呈钉头状,但底部突出较长,总体呈钉状。

3.2  焊缝成形的直观分析

如图2a)所示,焊缝呈典型的热导焊特征,这可能是由于304不锈钢此时已熔化但尚未沸腾,很大一部分激光被反射,激光的吸收率较低; 图2b)尚未出现深熔焊的特征,但已与热导焊明显不同。这一方面说明此时的“小孔”尚未形成;另一方面此时的304不锈钢可能已经沸腾,一定程度的气化使熔池的搅拌变得更为剧烈; 图2c)的焊缝已经具有较为明显的深熔焊特征,说明此时的“小孔”已经形成; 图2d)的焊缝除了小孔深度较深以外,“钉头”部分的形状并未出现明显的变化,这说明在“小孔”形成后,很大一部分激光能量被小孔吸收,使小孔深入到焊件内部。 综上所述,焊接模式从热导焊变为深熔焊(即小孔的形成),并非一个突变过程,而是存在一个介于两者之间的中间状态。

3.3  试验结果的直观分析

为了更直观地了解各单一因素以及交互作用因素对焊接模式的影响,将每个因素的参数点按从小到大的顺序排列后,其对应的焊接模式列于图3a-f)中。 由图3-a-e)可知,单一因素和双因素的交互作用对激光焊接模式的影响均不明显。

3.3.1 激光功率密度的影响

由图3-b)可知(需结合表3数据,下同),当焊接速度相同时,经常出现不同的焊接模式,而其中无一例外的,更大的激光功率密度得到的焊接模式更偏向于深熔焊。 由图3-d)可知,当功率密度较小时,激光焊接模式偏向于热导焊,当功率密度较大时,激光焊接模式偏向于深熔焊。 进一步分析可知,随着焊接速度的增加,深熔焊所需的功率密度也相应增加。

3.3.2 热输入的影响

由图3-c)可知,当光斑面积相同时,更大的热输入(即线能量)得到的焊缝更偏向于深熔焊。 由图3-e)可知,当热输入较小时,激光焊模式偏向于热导焊,当热输入较大时,激光焊模式偏向于深熔焊。 进一步分析可知,随着光斑面积的增加,深熔焊所需的线能量也相应增加。

3.3.3 热输入密度的影响

如前所述,激光功率密度和热输入无法完全决定焊接模式,还需要分别考虑焊接速度或光斑面积的影响,这恰恰符合热输入密度的定义。 而由图3-f)可知,随着热输入密度的增加,激光焊接模式逐渐由热导焊向深熔焊改变。  综上所述,热输入密度是可以决定激光焊接模式的因素。当热输入密度小于43.04 J/mm3时,304不锈钢的焊接模式为热导焊;热输入密度大于66.82J/mm3时,304不锈钢的焊接模式为深熔焊。

3.4  试验结果的理论分析

由图3-d)可知,当功率密度达到2.87×105W/cm2后(试验号6,11),焊接速度为75mm/s时(试验号6,焊缝类型“a”)焊缝为热导焊,焊缝尚未沸腾(部分气化);而当焊接速度为40mm/s时(试验号11,焊缝类型“c”)焊缝已经呈较为明显的深熔焊特征,此时焊缝不仅出现了沸腾,而且已经形成了小孔; 同样的,当功率密度达到4.02 W/cm2后(试验号7,14),焊接速度为75mm/s时(试验号14,焊缝类型“b”) 焊缝已经开始沸腾但尚未形成小孔;而当焊接速度为40mm/s时(试验号7,焊缝类型“d”)焊缝不仅已经形成了小孔,而且小孔已经开始深入到304不锈钢内部; 上述两个现象说明:功率密度越大,焊缝吸收到的激光束能量越多;而在相同的功率密度下,激光束作用的时间越长,熔池的气化程度越强。 从能量的角度分析,热输入密度决定了单位长度以及单位面积上304不锈钢材料接收到的总能量,能量越大,金属材料的温度越高,熔池的气化程度越强。 而如3.2节所述,随着熔池气化程度从无到有到逐渐增强,焊缝依次发生熔化、沸腾、小孔形成以及小孔深入。 综上所述,热输入密度决定了熔池的气化程度,从而决定了焊缝的焊接模式。

4结论

综上所述,可以获得以下结论:

1. 304不锈钢光纤激光焊接的典型焊缝形状为圆弧形、三角形、钉头形和钉状;

2. 上述四种焊缝形式由热输入密度(单位长度上光束作用于304不锈钢的激光能量密度),即激光功率、焊接速度和光斑面积三者共同决定;

3. 当热输入密度小于43.04 J/ mm3时,焊缝为圆弧形,对应的焊接模式为热导焊;当热输入密度大于66.82 J/ mm3时,焊缝为钉头形或钉状,对应的的焊接模式为深熔焊;当热输入密度介于两者之间时,焊缝为三角形,为热导焊和深熔焊之间间的一种过渡模式;

4. 激光焊接模式由熔池的气化程度决定,而气化程度则由热输入密度决定。