側吹氣體對不銹鋼薄板激光焊接焊縫成形的影響

1、40稀有金屬材料與工稈35卷第笳卷增刊22006年&月稱有金原材料與工程RARE ME聃L MATERIALSAND ENGENEERING側吹氣體對不銹鋼薄板激光焊接焊縫成形的影響張林杰I張建勛J王蕊I，鞏水和2(1.西立交通大烯金厲材料強度國家重點實驗嘔，陜西西空710049(2.北克航空制造匸訊硏究所.北京100024)搞 要：為了研究側吹氣怵對C6激光焊埠縫成砸的廉響及掛機理+金小銹鋼薄板匚5激比炸接過種用亂遽敦字攝 像機拍攝了不同側吹匚藝參數(shù)下導離子體的動態(tài)變化過裡.結果表明：頂吹氣流和惻吹氣流的&流角約為40°時炸縫 背面熔寬壘大"噴嘴髙度和流連

2、變化對薄板殺光焊焊魅賤形有顯善的影響；薄板激光：W過軽屮.件我閒1:方的答 離子休云團有曲種視型的形態(tài)分別對應于一種典壁的焊縫形狀即焊透時出現(xiàn)的橫截面価積較人-的“樣”形炸駅和 未爍透時出現(xiàn)的橫截面面積較小的“釘"形焊縫。關鍵詞：傭吹保護氣七C6激光焊接：CCD爲速攝霸：爍繾成形中圖法分類號：TG斗箱；文itt標謂碼：A文章編號；1002用5X200®E2-039 061994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 40稀有金屬材料與工稈35卷1994-20

3、10 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 40稀有金屬材料與工稈35卷收到初稿日期：2005-02-25：收到修改稿日期：2005 IM5墓金頊目上國家教育部博I.點基金(20030698018)和國家自然科學堆金(50475093)盛助頂H作介帳林態(tài)臥1973年生，在讀博 匕 西安交通火學材料學院+陜西 西安710049,電應02982663115. E-mail： zljspacc 163 com1引言COg激光焊接過程中，高功率巒度的激比束照射 到工件表面.材料被迅速地熔化、蒸發(fā)

4、*在工件匕方 形成蒸汽云團“在以很高的邃度離開工件表面的過程 中，蒸汽云團的一部分會位于入射光束的路徑上愛 到加熱在一定的條件卜會迅速電禺，產牛等離子體。 光致零離子體形咸后會通過逆韌致輻射吸收和折射對 入射光束產生屏蔽效應影響激光能量與工件的耦合 從而影響熔深的大小、氣孔的產生和焊縫的成分組織 等等【人國內外研究者針對如何抑制、消除co滋光焊接 過程中的光致等離子體進行了很多研究，提出了很多 種光致等離體控制方法包括脈沖繳光焊接法、澈光 尖峰焊接法、低壓或真空焊接法、外加電臓場控制法 和吹輔助氣體法等I現(xiàn)其中歡輔助氣休的方法在實踐 中應用除為廣泛。M.H.Glowacki對各種混合保護氣體作

5、了較為系 統(tǒng)的研究唐霞輝等人研究了氣體流疑、氣體種類、 噴嘴角度、噴嘴高度的影響*指出對不同種類氣體只 要流速適當.保護氣體壓力大于等離子休壓力都可以 獲得最佳焊縫W 肖榮詩等人的研究結果衷明不同輔 助氣休對等離子體屏蔽臨界功率密度的愍響上要取決 于氣體的導熱性和解離能，按零離子體屛蔽臨界功率 密度由小到尢的排列順序為:Ar-N2-CO2-He|6L Hamadou M,等人研究了不同側保護方式、噴嘴形狀尺 寸、側吹氣體流速以及工件坡口總狀對焊縫熔深、熔 寬和悍縫表面氧化程度的能響【譏匸晦興等人通過數(shù) 值模擬的方法研究了輔助q體對激光感生竽離f休溫 度場和速度場的影響匸張家等人試驗研究了側吹

6、角度、側吹流速以磺有無頂吹保護氣流對熔深的彫響, 結果表明側吹氣流和頂吹氣流的合流角與水平方向成 時對焊縫璃深作用墟強本文結合CCD高速攝影的方法研究了側吹氣體 對不銹鋼薄板COz激光焊接焊縫成形的影響2試驗條件焊接試板是SUS304不銹鋼，厚度為2 mm,試板 尺寸為 100 mm X 200 mm o表I SLS3U4不鐫鋼的化學成分Tabkl Chemical camposition of SUSJO (m/%ElecnentCS；i MnNiCrPsContent0.0711 2RIT17-190 0350,(B激光焊接設備是PRC3000型快速軸流 g 澈比 器* TEM0H最大功率

7、3000W*試驗為激光束半板打 描，不填充焊絲輔助氣體頂咬噴嘟內半輕為4皿口 測吹噴嘴內半徑2 5 mm.用PhantomV4.0高連攝影機對激比炸接等離f休 的動態(tài)行為進行抵攝摘攝頻率為1000 fe/s時町得到 分辨率為512X512像累的圖片.所冇試驗都是在高能束流加工技術國篆電點實驗室進行的3試驗內容試驗中惻吹輔助慄護氣為氮氣口采用前尿護方式, 如圖I所示.試驗中熱源和攝像機固定宀f表示工 件運動速度宀"表示側吹噴嘴高度，是側吹噴嘴下端 和工件上我面之何的距離：“表示側吹角.是側吹 噴嘴軸線和水平方向之啊的夾角；“AT表示頂吹噴跚 烏度，是頂吹噴嘴下沿和工件上表面之間的距離。

8、在激 比焊接過程中用PhantomV4T0高速攝影機沿垂直于焊 縫對稱面的方向對激光焊接等離子休的動態(tài)行為進廳 捕攝，拍攝頻率為1000幅&每道焊縫拍攝為"Laser beamSide nozzleCoaxial noz?lcPlasmat.圖1試驗裝近示盤期Fig Schematic of the experimental st-up整個試驗過程中下列參數(shù)保持不變：澈光功率為 2kWi焊接速度為1.5 m/min：頂吹氣體流速為 4.SL/min；頂吹噴嘴高度12mm共逬行了 3組試驗；第組試驗莊側吹噴嘴高度分別為I mm. 3 mm. 4乜mnv 5.5 mm> 7

9、 mtn的情況下進行了不銹鋼薄扳 的激光焊接試驗，以研究噴嘴高度變化對焊縫成形和 等離子體光信號的第響.試驗中側吹角度為23：側 吹氣體流速IQL/min.第二組試驗對比研究了側吹角度為20%側吹噴 嘴高度為5.5mm的情況下，側吹保護氣休流速變化對 焊縫成形以及等離子休形態(tài)的影響。側吹保護氣體流 速的取值分別為 0L/min( 5L/min( lOL/min, 15L/minfl第三組試驗研究了側吹角度分別取0% 20。和4嚴 時的嗎縫成形以及等離子體的形態(tài)。試驗中側吹噴嘴 商度為7 mm；側吹氣體流速為lOL/min,4結果與討論4, 1側吹噴嘴高度的影響圖2屋不同側吹噴嘴陽度下的焊縫熔透

10、率、焊縫 熔寬和等離子體面枳的平的值。其中"Srt是2s時間 內等離子體面積的平均值；焊縫熔透率“嚴表示焊綣 中熔透部分的累計長度與焊縫總長Z比：w表示焊 縫熔寬；“臚是側吹噴嘴高度口由圖2日和2b可見，側吹噴嘴高度對激光焊爍縫 成形的影響很大。在試驗條件下.側吹噴嘴高度増大 時，熔透率和焊縫背面熔寬增大，焊縫正面熔寬逐漸 減小°噴嘴高度為5.5 mm時熔透率達到100%,繼續(xù) 增大噴嘴高度到了 mmr熔透率仍為100%,同時焊縫 背面熔寬略有増大。Height of Side Nozzle, A/mm圖2不同惻噴嘴高F的熔透率和粵離子體屮均面祝2和不同側噴嘴高下的坤縫熔唸

11、山)Fig.2 Penetrated rate and average plasma area al different h (s) and u/idlh of weld seam)L diflertnt h (b)FUJF-d 4 譽4>A<側吹噴嘴高度對焊接結果的影響與其對激光焊接 等離子體的作用有關"莊圖器可且看到當測吹噴嘴高 度增大時，等離子體呼均面積逐漸減小，說明隨著側 吹噴嘴高度值由小到大變化，等離子體屏蔽效益逐漸 減弱.到達工件的激光能量在不斷增大。圖3是不同測吹噴嘴高度下等離子體面積隨時閭 的變化情況宀"表示某対刻等離子體的面積口從 圖中可以看到

12、在薄板CO工激光焊接過程中.工件袤面 上方的等離子體云團冇兩種典吃的形態(tài)：炸透時出現(xiàn) 體枳較小的等離子體云團：未焊透時出現(xiàn)休積較人的1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 增刊2張林杰等：側吹氣林對不銹鋼薄板激此焊接炸縫成形的影響等離子休云團。熔透率等于創(chuàng)時，焊接過程中零 離子體云團始終呈現(xiàn)較小的體積，冋時做幅度很小的 波動。在本試驗條件下，隨著側吹噴嘴島度值由小到 人變化，等離'子體呈現(xiàn)較小體積形態(tài)的兒率在不斷増 大，當噴嘴高度取5.5 mm時這 幾率100%

13、.圖4是側吹噴墉高度對焊縫橫截面形貌的團響。 結合圖3可以知道，當噴嘴咼度為1mm時，輔助體 不能有效地抑制光致等離子休+到達工件的有做能最 及其功率帝度減小焊縫橫截面積減小在王件內部 只能形成個盲孔.在小孔上方熾熱等離子體的加熱 作用、孔內高速氣流的對液態(tài)孔繪的強烈摩療作舟以 及表面張力拂度騾動的對流作用下形成了胞空的 “釘”形焊縫.當噴嘴高度為5.5 mm時，光致等離子 體得到有效地抑制，焊縫橫截面積增大*工件內部形 成個通孔，孑L內氣流可從上下芮個開口流岀，原擦 作用沒有盲孔時強烈，焊縫下我而附近形成一個尺寸 較小的“釘頭”，焊縫上表面附近的“釘頭”特征基本 消失，焊縫橫截面整體呈現(xiàn)“梯

14、"形特征“文獻9】的研究表明“測吹氣和頂吹氣的合流埔零 于4CT時iff大熔深最強S本文圖2中各次試驗條件下 的合流骨均為407可見在最住合流角度下側吹噴嘴 髙度對焊接過程有看顯著的影響。60050040030020010fl0mmn nn <i ni s3 n7 片 aV U*W *Xill -a -U9Anu*4U*iX HXTime,旳A=5.S mm圖3h= mm和h=5S mm時警離f休畫積的變化Fig.3 Plasma area history a( A=1 mm and A=5J mm0.25 mm圖4測吹怖嘴戰(zhàn)度對烽翳橫載面形貌的影感Fig.4 Efleets

15、of"h" on weld geometTy:mm+and(b)A=5.5 mm4.2側吹保護氣體流速的影響側吹保護氣體流速的變化對焊縫懈透情況*焊縫 表面熔寬以及等離子體形態(tài)影響的試驗結果見圖5和 圖6,圖中符號 W 義示側吹保護氣體流速。loo-EE rs-< Emsiqrsx80604020? “出罔 paltaauud1086U1UJE PHM "so由圖5可見當側吹臊護氣體流速從0幵始増大時, 等離子體平均面枳很大，并緩慢減小。所以此時熔透 率很低，而且增長很緩慢。當流速Xi; 5L/mmJn .等 離子體平均面積迅速減小*激光能駅和件的耦合柞 用

16、迅速增強，熔透率以很人的速度増長，焊縫背面熔 寬增大焊縫止面熔寬逐漸減小.當測吹保護氣體流 速大于lOL/min后.等離了體平均面積很小，同対等 離子休平為面枳減小瓦變得十分韁慢。此時熔透率増 長速度也變得很低，但是熔透率很髙.而焊縫背面熔 寬基本不變，焊縫正樹熔寬逐漸增人.從虹匕分析可 以看出，在保證100%熔透率的前提心 側吹保護氣 體流速的理想取值應該盡可能霏近尊離子休平均血積 陡降區(qū)的低端.62Flew Rut* of Assist Gas, PL mm圖5不同側吹流連下的焊縫席透率和零禺休平均囲稅和 不同側狀流連下的焊縫煤寬小)Fig.5 Penetrated rale and av

17、erage plasma area at difTenent V(a)and width of weJd scmed at di儺rent V(b)圖6是不同側吮保護氣體流速卜竽離f休面積隨 時間的變化情況。當側吹保護氣休流速為0時匸件 上方的等離子體云團尺十分大，強烈的刖蔽效應使 得工件卜.沒有形成明顯的熔池*當側吹保護氣體流速1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 42稀有金.屬材料®匚榨35卷增刖到5L/min吋，未焊透時的等離子體尺寸比側吹流 速為0時

18、小。當流速人于lOL/min后，等離子休始終 呈現(xiàn)體積枚水的形態(tài)并R作幅度很小的波動，其中流 速為巧L伽中時的等離子體平均體積比流速為 10L/min時小。怛是，流速為15L/min時由于側吹流 速較人，焊縫衣面的成形變差。1000EE Bill亙dEEfe- *mj<FLOW弗5:6004(X)200SOOH=0L/minaK-1 OL/min0.00.5 VO 152.02.53.C1000SOO6004002(Xi00.00.5 L0 L5 2,02.53.0吹氣體流速為IOL/min時，輔助氣休有效地抑制了光 致等離子體，在工件內部形成-個通孔.形成了'梯” 形特征的全穿

19、透焊縫。4,3保護氣體側吹甬度的影響惻吹角億分別?。▂ 2（r利4亍時，焊縫的熔透情 況、焊縫表面熔寬以及焊接等離子體形態(tài)分別見圖8 卻圖典圖中"口”表示測吹噴嘴軸線和水平方向之 間的夾角，其它符號的含義與前文相同。從圖8可以看到，當側吹角從（T增大到20*時. 焊縫正面熔寬略有減小、背面熾寬明顯增大，熔透率 仍為100%（說明此時隨角度的增大，繳光能量耦合 作用增強，當惻吹紡繼續(xù)增大到4尸時，焊縫背面熔 寬和正面熔寬都有祈減小，熔透率F降到約50%,說 明此時激光能屋耦合作用隨角度的增大而減弱口激光 能量耦合作用的這種變化可以由等離子體的行為得 到解釋口從圖蘭可以看到，當側吹角從滬

20、增大到2少 時，等離予體平均面枳有所減小。當側吹角繼續(xù)增大 到斗賢時等離子體平均面積顯著增大側吹角為0% 2臚時等離子體均呈現(xiàn)體積較小的形態(tài).而當側吹角 為斗5。吋.等離予體在兩種典空的形態(tài)之閭變換（如 圖9所示）。圏$ 阻OL/min和 RWLFmin時等離產體閒積的變化何和e 5L/mm和/=ISL/mm時等離子體面積的變化(b)Fig.6 Plasma arva history at V= OL/min and K= 10 L/min (a) andpla$ma area history 詆 1=5L/min and 15 I/min (b)圖7圈吹流速對焊縫橫戡血強貌的第響Fig.7

21、KfTects of "K1 on teld geometry: （a） r=SL/mii,and lb） F= 10L/min圖7是側吹氣體流速對焊縫橫截面形貌的影響.當側吹氣休流速為5L/min時，輔助氣體不能有效地抑制光致等離子休，形成了典型的"釘”形焊縫“當側ai Mm palmpu蠱Inclination Angle of Side Nozzle a/()圖8不同惻吹角度下的悍縫熔透率和等離子休平均曲積和 不同側吹角度下的炸縫熔寬(b)Fig.8 Penetrated rate and average p La Etna area aL difierem (a)

22、and width of weld al different ide nozzle inclination angle (b)1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 44 韓有金屬材料與匸祥35卷L- 卜 L 1 - b _ J. L r J, F ooow 0 000x)loMK)loM)o 6 4 2 0 8 6 4 2rouoooo till 7 6 5 4 3 _z 1 .1 g ISE f-首dd000.S1.01.52.02.53.0l line, t/s圖

23、9側映噴嘴角度為時等離子體血枳的變化山)和劇吹啪嘴 箱度為4刖時等離f休面積的變化Fig.9 Phsr& area history at a = 0D(a) &nd plasma atea higlo叮 at a=45b)圖10是側吹角度對焊縫橫截面形貌的影響"當側 吹角度為45。時，輔助氣體不能有效地抑制光致等離 子體，形成了典型的杯釘”形焊縫"當側吹氣體流速 為臚時，輔助氣體較為有效地抑制了光致等離子體， 得到全穿透并具有“梯”形特征的焊縫°5結論1）當側吹噴嘴髙度増人時等離子休云團的平禺 體積減小，焊縫熔透率增大焊縫背面熔寬增人，焊 縫正面熔

24、寬減小。2）當測吹氣體流速增大時，等離子體云團平血體 積減小，焊縫的熔透率増大.焊縫背而熔寬增人，焊 縫正面熔寬減小。3）頂吹氣流和側吹氣流的仟流角約為40。吋，等 離子體云團平均體積堆小，焊縫背面熔寬最兒4）等離子體云團有2種典糧的形態(tài)”2種形杰出 現(xiàn)的頻率和熔透率有關.未焊透時出現(xiàn)體積較人的等 離子體云團悍縫橫截面為“釘”形焊縫橫載面面 積較??；充分焊透吋出現(xiàn)體積較小的等離子體云團. 焊縫橫截面呈"梯”形，焊縫橫蔽面面積較人“參考文就 ReferencesII） Dul即 W W. Laser %肋颶1- New York: Jhcjn Wiley & Sons Inc,

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28、f" 口"on weld gecmetry:fa) o h 滬、and (b) =4,"Effects of Side Assist Gas on Weld Shaping in Laser Welding Process ofThin Stainless PlateZhang Linjie't Zhang Jianxun1, Wang Rui*> Gong Shuili2(1. State Key Laboratory of Mechanical Behavior for Maier ialst Xi'an Jiaotong University Xi'an 710049tChina)2- Beijing Aeronautical Manufacluring Technology Researcti Instituie, Beijing 00024tChina)Abstract； The effects of $ide-Hcwn opeNiing parameier； on the behavior nf laser induced p(asma and the weld scam geometry have been studied with the 耳 id u