韓善果,楊永強(qiáng), 蔡得濤, 羅子藝,薛亞飛

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510641; 2.廣東省科學(xué)院 中烏焊接研究所 廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510650)

引 言

鋁合金具有耐腐蝕、低熔點(diǎn)和輕質(zhì)等特點(diǎn)[1-2]，已被廣泛應(yīng)用于軌道交通車(chē)輛、新能源電池殼體、高速船舶和輕量化車(chē)體等領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中不僅有鋁合金之間的連接，還涉及到鋁鋼異種材料的焊接。高焊接熱輸入形成大量脆性金屬間化合物會(huì)導(dǎo)致接頭性能降低，而激光填絲焊接具有降低熱輸入和調(diào)節(jié)過(guò)渡層組織的特點(diǎn)，是改善接頭成形和質(zhì)量的重要途徑[3-4]。焊接過(guò)程涉及焊絲與熔池對(duì)激光的吸收、反射和輻射等復(fù)雜過(guò)程，尤其是激光光斑與焊絲在工件表面的相對(duì)位置，決定了激光能量在焊絲和熔池中的能量分配，間接影響焊絲熔化和過(guò)渡、熔池流動(dòng)及凝固過(guò)程，從而影響焊縫表面成形及內(nèi)部缺陷[5-8]。

針對(duì)鋁合金激光填絲焊接過(guò)程，HUANG等人[9]研究了光絲相對(duì)位置下熔滴能量來(lái)源及受力狀態(tài)，闡明了熔滴及過(guò)渡狀態(tài)的內(nèi)在機(jī)理。TAO等人[10]研究了工件表面焊絲與激光入射點(diǎn)的相對(duì)位置對(duì)熔池穩(wěn)定性和熔滴過(guò)渡狀態(tài)的影響，并發(fā)現(xiàn)光絲搭接狀態(tài)，絲材熔滴過(guò)渡產(chǎn)生飛濺，堆積層出現(xiàn)不連續(xù)性，臨界狀態(tài)下絲材為搭橋過(guò)渡，熔池穩(wěn)定無(wú)飛濺，焊縫均勻一致。在激光模式對(duì)填絲過(guò)程影響的研究中，GONG[11]指出雙光束激光改善了激光光束能量分布，降低了激光能量密度和“熱累積”效應(yīng)，當(dāng)雙光束激光用于熔絲堆焊時(shí)，有助于改善焊縫外觀(guān)，提高熔池穩(wěn)定性，降低氣孔和裂紋敏感性。MA等人[12]對(duì)比分析了雙光束串行、雙光束并行和單光束3種模式對(duì)不銹鋼填絲焊接過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)雙光束并行結(jié)構(gòu)無(wú)論在液橋過(guò)渡還是臨界熔滴過(guò)渡中，工藝穩(wěn)定性?xún)?yōu)于其它兩種方法，并將之歸根于熔池受力和流動(dòng)狀態(tài)。

上述研究分析了光束模式和光絲相對(duì)位置對(duì)焊縫形貌和穩(wěn)定性的影響，但未對(duì)焊接的整個(gè)過(guò)程(焊絲熔化、熔滴過(guò)渡和凝固)進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。本文中對(duì)比分析了3種激光焊接模式下光絲距離對(duì)激光填絲焊接過(guò)程的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

在鋁合金激光填絲焊接實(shí)驗(yàn)中，堆焊使用的母材為200mm×100mm×5mm的5083鋁合金，焊絲選用?1.2mm的ESAB 5183焊絲。實(shí)驗(yàn)中使用的激光填絲焊接系統(tǒng)如圖1所示。送絲由Fornius TPS 5000焊接電源、VR 1500 4R/F送絲機(jī)及Robacta driver extrn W/F焊槍共同實(shí)現(xiàn)。激光器為T(mén)rumpf 10002碟片激光器，最大輸出功率為10kW，傳輸光纖芯徑200μm。實(shí)驗(yàn)中使用的激光焊接鏡頭分別采用了同型號(hào)(Trumpf DP70)的單光束鏡頭和雙光束鏡頭，擴(kuò)束和聚焦鏡焦距均為200μm。相對(duì)于單光束鏡頭，雙光束鏡頭是在光路中增加了分光棱鏡，整形后的主光束和輔助光束的能量比值為7∶3，兩光束中心點(diǎn)并在焦點(diǎn)的距離為0.6mm。由于鋁合金對(duì)激光的高反射性，激光束與工件垂直線(xiàn)的夾角設(shè)定為10°。激光填絲焊接過(guò)程中采用前置送絲、后置送氣的布局結(jié)構(gòu)，氣體采用99.999%的高純氬氣，氣流量為20L/min，焊絲伸出送絲嘴的長(zhǎng)度“干伸長(zhǎng)”設(shè)定為11mm。離焦量f=+9mm、送絲速率vw=1.0m/min、焊接速率vj=1.2m/min，激光功率P=1800W,焊絲軸線(xiàn)與水平面的夾角20°。焊接過(guò)程中借助高速攝像觀(guān)察了熔滴形成與過(guò)渡、熔池流動(dòng)及凝固過(guò)程。高速攝像采樣率為10000幀，分辨率為968pixel×684pixel，曝光時(shí)間為50μs。焊接結(jié)束后，將線(xiàn)切割截取的接頭試樣，用砂紙打磨和尼龍布機(jī)械拋光，并經(jīng)科爾試劑腐蝕后，在體式顯微鏡分析焊縫的截面尺寸和微觀(guān)缺陷。

Fig.1 Laser welding with filler wire system

圖2a為單光束激光焊接示意圖。圖中，d1表示為光斑中心與焊絲尖端在工件表面的距離，當(dāng)d1=0mm時(shí)，光絲處于臨界狀態(tài)，d1<0mm時(shí)，光絲處于相交狀態(tài)，而d1>0mm時(shí)，光絲處于分離狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中d1分別取-5mm，-3mm，0mm，+3mm和+5mm。而雙光束激光串行模式中d2代表了小能量光束P1光斑中心與焊絲尖端在工件表面的距離(見(jiàn)圖2b)，試驗(yàn)過(guò)程中d2分別取-3mm，0mm，+3mm。而雙光束激光并行焊接過(guò)程中的光絲距離d3表示工件表面雙光束中心線(xiàn)距焊絲尖端的垂直距離，且在焊接方向上光絲處于臨界狀態(tài)，其中d3=0mm時(shí)，焊絲位于雙光束的中心線(xiàn)上，d3<0mm時(shí)，焊絲向小功率激光束P1靠近，d3>0mm時(shí)，焊絲偏向大功率激光束P2(見(jiàn)圖2c)。

Fig.2 Schematic diagram of distance between laser beam and wire in different laser modes

2 結(jié)果與討論

2.1 單光束激光焊接過(guò)程

圖3是不同光絲間距的焊縫熔滴過(guò)渡及焊縫形貌。當(dāng)d1=-5mm時(shí)，熔滴經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)，體積顯著增加，呈周期性間隔“液滴”過(guò)渡，過(guò)渡后在母材表面形成間斷性焊縫(見(jiàn)圖3a);當(dāng)d1=-3mm和d1=+5mm時(shí)，熔滴在過(guò)渡前的直徑大于焊絲，熔滴過(guò)渡周期縮短，但熔滴的過(guò)渡呈現(xiàn)不均勻性，熔滴過(guò)渡混合有“液橋+液滴”，焊縫表面間隔性出現(xiàn)不平整區(qū)域(見(jiàn)圖3b、圖3e);當(dāng)d1=0mm和d1=+3mm時(shí)，熔滴形成和過(guò)渡成動(dòng)態(tài)平衡，熔滴以“液橋”方式平穩(wěn)過(guò)渡，焊縫表面光滑;當(dāng)d1由0mm變化到+5mm過(guò)程中，焊縫的熔深先由409.8μm減小到282.6μm，而熔寬由1790.3μm增加到1935.6μm。焊縫截面上的氣孔出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部且數(shù)量增加(見(jiàn)圖4)。

Fig.3 Droplet transfer and weld morphology in different distance between laser beam and wire

Fig.4 Weld section in different distance between laser beam and wire

當(dāng)d1<0mm時(shí)，由于焊絲角度的存在，激光與焊絲作用點(diǎn)位于工件表面上方，且隨d1的減小，作用點(diǎn)距工件的距離增大。激光光斑直徑小于焊絲，能量全部被焊絲吸收，因此熔滴在重力Fg，蒸發(fā)反作用力Fr，表面張力Fs合力作用下長(zhǎng)大[13-14]，熔斷受力示意圖見(jiàn)圖5a。Fs沿焊絲向上且維持不變；Fg隨熔滴體積不斷增加，方向垂直向下，F(xiàn)r時(shí)基本無(wú)匙孔，金屬蒸發(fā)作用可忽略。當(dāng)Fg超過(guò)Fs在垂直方向的分力時(shí)，熔滴開(kāi)始過(guò)渡，若此時(shí)熔滴未與工件接觸，熔滴間隔性“液滴”過(guò)渡(見(jiàn)圖5b)，若熔滴與工件接觸，部分溶液以“液橋”方式過(guò)渡?！耙簶颉狈绞竭^(guò)渡的溶液在整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中的占比隨光絲作用位置高度的降低而增加。當(dāng)d1在0mm附近時(shí)，部分激光作用于熔池，熔池匙孔中蒸發(fā)金屬或等離子體的反作用力Fv快速增加，即使在小熔滴時(shí)，3種力在垂直方向上處于平衡態(tài)，熔滴在水平力的作用下產(chǎn)生過(guò)渡，過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)，過(guò)渡方式為“液橋”(見(jiàn)圖5c)。當(dāng)d1>0mm時(shí)，熔滴的受力狀態(tài)與d1<0mm時(shí)近似，但是由于焊絲上揚(yáng)的角度小于送絲角度，激光與焊絲作用點(diǎn)的距離相對(duì)減小，熔滴的穩(wěn)定性增強(qiáng)，因此d1=+3mm時(shí)，熔滴仍以主要“液橋”方式過(guò)渡，即使在d1=+5mm時(shí)，熔滴也未完全轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙旱巍边^(guò)渡。

Fig.5 Force state of the droplet

當(dāng)激光與焊絲的作用點(diǎn)隨光絲距離增大時(shí)，焊絲的離焦量增加，光斑直徑增大，焊絲接收的能量密度降低，并以熔滴的形式傳遞給熔池[15-17]；當(dāng)激光與焊絲的作用點(diǎn)在工件表面及附近時(shí)，激光同時(shí)作用于焊絲和熔池，作用點(diǎn)的離焦量小且能量集中，受到熔池的輻射作用強(qiáng)，蒸發(fā)反作用力Fr處于高位，焊絲及熔池反應(yīng)強(qiáng)烈，因此熔深在d1=0mm時(shí)最大，并隨d1的增大而減小，有利于氣泡運(yùn)動(dòng)和溢出；離焦量增大導(dǎo)致的光斑直徑增加，使熔池的范圍擴(kuò)展，焊縫的熔寬也增大，同時(shí)由于熔池能量的降低，氣泡運(yùn)動(dòng)速率降低，凝固時(shí)間縮短，氣孔來(lái)不及溢出殘留在焊縫中。

2.2 雙光束激光焊接過(guò)程

受離焦量變化和焊絲翹曲的影響，雙光束激光串行模式下，焊絲受熱及熔滴過(guò)渡與單光束激光保持了相同的規(guī)律，即d2由-3mm增加到+3mm的過(guò)程中，焊絲吸收能量的密度和熔滴過(guò)渡體積變化趨勢(shì)為“快速增加-持平-緩慢降低”，熔滴過(guò)渡后形成的焊縫表面光滑[18-20]；但雙光束激光作用區(qū)域面積增大，且前置的小功率激光束對(duì)焊絲產(chǎn)生預(yù)熱作用，焊絲熔化時(shí)的最高溫度和反應(yīng)強(qiáng)度得到抑制，直接作用于熔池和熔滴攜帶而來(lái)的能量降低，金屬蒸氣/等離子體反作用力減小，熔滴重力Fg在垂直方向的分量超過(guò)了熔滴在重力Fg和蒸發(fā)反作用力Fr在垂直方向的分量所需的時(shí)間減少，過(guò)渡周期縮短。圖6是雙光束激光串行焊接模式下不同光絲距離的焊縫截面和表面形貌。由圖6可知，離焦量為-3mm時(shí)焊縫熔深最大，為328.4μm，隨著焦點(diǎn)接近焊絲表面，熔深降低，但由于送絲速度恒定，熔滴單位時(shí)間內(nèi)的平均過(guò)渡量基本維持不變，導(dǎo)致離焦量為+3mm時(shí)，焊縫截面呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，偏移的溶液不能與母材有效熔合，截面殘留縫隙。熔池能量的降低減小了氣泡的溢出速度，氣泡殘留的位置向焊縫中心變化，但偏移焊縫的出現(xiàn)減小了溢出距離，氣孔反而減小。

Fig.6 Weld cross section and surface topography in different distance between laser beam and wire conducted by double beam laser in serial mode

雙光束激光并行焊接模式下，即d3由-3mm增加到+3mm的過(guò)程中，焊絲接收的能量密度變化趨勢(shì)為“緩慢降低-快速增加”，雙光束激光并行模式光斑僅有部分能量作用于焊絲上，相對(duì)于串行模式，焊絲接收的能量進(jìn)一步降低，焊絲熔化及過(guò)渡平穩(wěn)，焊縫表面均勻光滑。當(dāng)焊絲偏向小功率激光束P1時(shí)，小能量全部被焊絲吸收，母材熔化不足，焊縫無(wú)熔深；隨著焊絲偏向雙光束中心或者大功率激光束P2時(shí)，焊絲吸收大部分能量，小部分能量被母材吸收，形成小熔深焊縫，焊縫熔深僅為226.5μm和207.1μm，但由于熔滴過(guò)渡量大，形成偏移焊縫。小熔池縮小了氣泡溢出距離，焊縫截面無(wú)氣孔(見(jiàn)圖7)。

Fig.7 Weld cross section and surface topography in different distance between laser beam and wire conducted by double beam laser in parallel mode

綜上可知，光絲作用位置不在工件表面時(shí)，激光束首先用于焊絲熔化和熔滴過(guò)渡，其次用于熔化母材，促進(jìn)熔池流動(dòng)。焊絲及熔池從相同輸出瓦數(shù)、相同光絲距離的激光束獲得的能量從小到大依次為單光束、雙光束串行和雙光束并行，焊縫熔深依次降低。

3 結(jié) 論

(1)光絲相交時(shí)，光絲作用位置距工件表面高，熔滴生長(zhǎng)過(guò)程中主要受表面張力和重力影響，熔滴以“液滴”方式過(guò)渡，隨著光絲距離的增加，熔滴受到的金屬蒸氣/等離子體的反作用力增大，熔滴過(guò)渡距離降低，液滴出現(xiàn)“液橋+液滴”過(guò)渡，而在光絲臨界狀態(tài)，熔滴完全以“液橋”方式過(guò)渡。光絲相離時(shí)，焊絲翹曲角度小，“液滴”過(guò)渡方式得到抑制。

(2)單光束激光焊接模式和雙光束激光串行焊接模式下，光絲距離變化引起的焊絲能量和熔池能量的變化趨勢(shì)相同，即當(dāng)光絲位置由相交變化到相離時(shí)，焊絲和熔池吸收的能量及能量密度“快速增加-持平-緩慢降低”，而雙光束激光并行焊接模式下，焊絲和熔池吸收的能量及能量密度“緩慢降低-快速增加”。

(3)不同激光光束模式下，相同光絲距離的焊絲能量和熔池能量的由小到大的順序依次為雙光束激光并行模式、雙光束激光串行模式和單光束焊接模式，焊縫的熔深依次降低，甚至出現(xiàn)焊縫偏移。