激光深熔焊接的熔池行為與焊接缺陷的研究

1、激光深熔焊接的熔池行為與焊接缺陷的研究  鄭啟光辜建輝王濤王忠柯陶星之段愛琴摘要：分析了激光深熔焊接的小孔機制的數(shù)學(xué)模型。研究了焊接熔池的穩(wěn)定性與金屬蒸氣壓的關(guān)系及金屬蒸氣壓與等離子體的關(guān)系。著重研究了激光焊接工藝參數(shù)(包括激光模式、功率、聚焦條件、焊接速度和輔助吹氣)對焊接熔池行為的影響，最后，還研究了熔池行為與焊縫組織結(jié)構(gòu)和缺陷(如氣孔、裂紋等)的關(guān)系。關(guān)鍵詞：激光深熔焊接熔池穩(wěn)定性金屬蒸氣反沖壓氣孔Investigation on melting pool behavior and defects of laser welding Zheng Qiguang,Gu J

2、ianhui,Wang Tao,Wang Zhongke,Tao Xingzhi(National Laboratory of Laser Technology,HUST,Wuhan,430074)Duan Aiqin(High Energy Beam Processing Laboratory of National Defense)Abstract：In this paper,a mathematical model of keyhole mechanism of laser deep welding has been analyzed.We studied the relationshi

3、p of the stability of weld pool with metallic vapor pressure and the relationship of metallic vapor with plasma.The effect of laser weld parameters(including laser mode,laser power,focusing condition,welding speed and assistant gas etc.)on weld pool behavior have been investigated in detail.Finally,

4、we also have analyzed the weld pool behavior related weld structure and defects(such as crack and porosity etc.).Keywords：laser deep penetration weldstability of melt poolmetal vapor recoil pressureporosity 引言  激光深熔焊接的本質(zhì)特征為小孔效應(yīng)。當高功率密度激光束入射到金屬表面時，材料被迅速加熱，由于熱傳導(dǎo)作用，材料將產(chǎn)生熔化、蒸發(fā)。如果材料蒸發(fā)速度足夠高，激光束將在

5、金屬中打出一個小孔，在小孔內(nèi)，金屬蒸氣反沖壓力與液態(tài)靜壓力、表面張力之間的作用的動態(tài)平衡將維持小孔的存在1。小孔內(nèi)的蒸氣壓力分布和有關(guān)的氣體動力學(xué)及離化作用將影響到小孔的形狀。在激光深熔焊接中，由于存在小孔，激光束能深入到材料內(nèi)部，被熔化的液態(tài)金屬環(huán)繞在小孔的周圍，激光對材料的熱輸入主要是在小孔壁上的液化界面上，隨著激光束的移動，小孔前沿的金屬被熔化、汽化，而在小孔后部，液態(tài)金屬重新凝固形成焊縫。由于小孔附近的很大溫度梯度，使小孔周圍的金屬熔體產(chǎn)生很大的表面張力梯度，其相應(yīng)的金屬蒸氣反沖壓力使小孔前沿產(chǎn)生強烈的環(huán)流。圖1示出激光深熔焊接熔池的流動情況，熔池內(nèi)的熱傳輸和液體流動可以顯著地影響熔池

6、的幾何形狀、溫度梯度、局部區(qū)域的冷卻速率和凝固結(jié)構(gòu)，并可導(dǎo)致熔深的波動、氣孔、熔池不足等缺陷。采用實驗方法很難確定焊接過程中的溫度分布、冷卻速度和熔池流動的形態(tài)。因此，采用數(shù)學(xué)方法定量分析激光深熔焊接過程中的具體溫度分布和流動狀態(tài)引起了人們的廣泛注意。圖1：激光深熔焊的熔池流動許多學(xué)者根據(jù)激光深熔焊中的小孔機制，對激光焊接的溫度場、液體流動及小孔形狀和尺寸進行了計算。例如Swift-Hook和Peretj等人采用均勻介質(zhì)中的線源模型來模擬小孔內(nèi)的熱輸入，求解熱傳導(dǎo)方程而計算出了激光焊接中的溫度場2，3。Dowden等人提出了入射激光的逆韌致吸收模型，假定能量通過傳導(dǎo)機制傳遞給小孔壁，通過解熱傳

7、導(dǎo)方程，得到一個最大的理論熔深4。Mazumder等人采用有限差分法發(fā)展了一個三維穩(wěn)態(tài)激光深熔焊接的數(shù)值模型，根據(jù)傳熱理論可得到小孔的形成過程5。Sonti等人采用二維有限元非線性模型進行了鋁合金激光深熔焊接傳輸過程的三維計算，得到了激光焊接的三維溫度場6。Klemens是第一個從小孔壓力平衡角度研究了穩(wěn)態(tài)下的小孔的形態(tài)，由于壓力是小孔深度的函數(shù)，小孔半徑將隨深度而變化7。Andrens等人更加具體地分析了小孔形狀與小孔內(nèi)壓力之間的關(guān)系8。Dowden等系統(tǒng)地分析了深而窄的小孔內(nèi)的能量和壓力平衡，建立了一個小孔內(nèi)液體和蒸氣流動的通用模型，并認為小孔內(nèi)的壓力主要是由表面張力決定的，小孔的形狀和半

8、徑主要是由固相和汽相的能量平衡決定的9。本文中主要是研究激光深熔焊接中的熔池行為，并著重研究激光工藝參數(shù)(包括激光功率、聚焦條件、模式及輔助吹氣)對焊接熔池行為的影響，尤其是研究熔池行為與焊接缺陷(如氣孔)的關(guān)系。1激光深熔焊接中的熔池行為1.1熔池穩(wěn)定性與金屬蒸氣壓及等離子體的關(guān)系大量研究人員討論分析了激光表面重熔或熱傳導(dǎo)激光焊接現(xiàn)象，依據(jù)基本的控制方程，即連續(xù)方程、動量方程和能量方程，采用數(shù)值方法計算得到了熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動形態(tài)和溫度分布1012。與激光深熔焊接與激光重熔和熱傳導(dǎo)焊接不同的是，高功率密度作用下的材料蒸發(fā)過程將在熔化金屬表面產(chǎn)生反沖壓力。由于激光束具有高斯型的功率密度分布，

9、金屬液面上的反沖壓力將具有中心大邊緣小的壓力分布。如圖2所示，由于反沖壓力沿光斑中心往邊緣區(qū)域逐漸降低，壓力差將驅(qū)使熔化金屬由光束中心區(qū)域向小孔前沿兩側(cè)和小孔后部流動，從而造成小孔前沿液面向焊接方向移動。圖2：匙孔壁上的金屬蒸汽的反沖力實驗中觀察到，盡管入射激光功率不變，激光焊接所產(chǎn)生的等離子體強度和擴展角發(fā)生改變，并驅(qū)使焊接熔池出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，即小孔尺寸及形狀隨著金屬蒸氣壓的改變而變化。當金屬蒸氣壓驅(qū)動金屬溶液沿小孔后壁方向流動，這時熔池小孔變寬，而從小孔后壁反射的激光束則使小孔變窄。在激光深熔焊接中產(chǎn)生兩種類型等離子體，一類是屏蔽氣體電離產(chǎn)生的等離子體，它與入射激光束方向平行。另一類是激光

10、作用金屬所產(chǎn)生的金屬蒸氣等離子體，它與入射激光束方向垂直，并且隨熔池小孔運動而改變它的擴展角。當?shù)入x子體沿直線向上時，使小孔變寬，而當?shù)入x子體向孔壁后方傾斜時，則小孔尺寸變大。1.2激光焊接工藝參數(shù)對熔池行為的影響激光焊接工藝參數(shù)(包括模式、激光功率、焊接速度 及輔助吹氣等)對焊接熔池行為有較大的影響。圖3示出了不同模式對熔池形貌的影響。從圖中可看到，當采用低階模進行焊接時，焊縫區(qū)深而窄，而當用多模激光焊接時，焊縫寬而淺。激光功率對焊接熔池有影響，當激光功率密度低時，不足以產(chǎn)生金屬蒸汽的電離，故不形成等離子體。只有在激光功率密度高時對焊接熔池產(chǎn)生影響。且激光功率越大，焊接熔池越深，最大熔池近似

11、與激光功率的0.7次方成正比1。激光功率不穩(wěn)定，會引起等離子體的不穩(wěn)定，繼而引起熔池不穩(wěn)定。圖3：不同激光模式對熔池形貌的影響a低階模 b多模激光等離子體是激光深熔焊接中在高能量密度作用下伴隨小孔同時存在的。等離子體的狀態(tài)和行為對激光焊接熔池行為有重要的影響，如果等離子體控制得不好，可能造成激光焊接過程的中斷。等離子體主要通過以下兩種機制對激光深熔焊接過程產(chǎn)生影響，一是等離子體吸收激光能量；二是等離子體會改變激光束聚焦光斑的空間形態(tài)。研究證明1011，等離子體是一個光疏介質(zhì)，當入射激光束穿過等離子體將導(dǎo)致激光束傳播方向的改變；其偏轉(zhuǎn)角是不同的，并與等離子體的電子密度梯度和等離子體長度等有關(guān)，幾

12、十瓦至幾千瓦的CO2激光誘導(dǎo)的等離子體對激光束的偏轉(zhuǎn)角達102mrad。Rockstroh12，13研究證明，在Ar氣氛下，CO2激光輻射鋁靶，當激光功率密度為6×105Wcm2時，激光束穿過等離子體，由于等離子體對激光束的折射，激光光斑面積增大了8%。當激光功率為1×106Wcm2時，光斑面積擴大了23%。很顯然，激光束穿過等離子體時光斑面積擴大，且焦點位置發(fā)生改變。我們的實驗也證明了這一點。激光等離子體對焊接熔池會造成較大影響。等離子體濃度越高，對激光束的吸收和聚焦光束的折射的影響越大。將使焊接熔池深度減少，并使焊縫的深寬比減少。由于等離子體對焊接熔池影響較大，故需采取

13、措施消除和抑制等離子體。通常采用沿焊接方向吹輔助氣體。輔助氣體種類也影響等離子體的形態(tài)。幾種輔助氣體的效果排列順序為He,CO2,N2,Ar。He抑制等離子體效果最好，熔池深度最深。這是因為He不僅有較大的電離電流，而且He的導(dǎo)熱性好，也使得產(chǎn)生的等離子體不易擴展。而Ar電離能較低，尤其是Ar的導(dǎo)熱性差而易造成等離子體擴展。此外，激光焊接速度也對等離子體形態(tài)產(chǎn)生影響。實驗證明，在入射激光功率密度大于6×106Wcm2時，如果激光焊接速度大于60mms，則產(chǎn)生的等離子密度較低，此時對激光焊接熔池影響較小。如果焊接速度低于40mms時，等離子體密度迅速增加，等離子體對激光的聚焦特性影響增

14、大。因此，焊接速度越小，焊接熔池深度差別越大。2熔池行為與焊接缺陷上面已經(jīng)提到，在激光深熔焊接中，熔池小孔的深度和形狀與等離子體狀態(tài)密切相關(guān)。如果對等離子體控制得不好，等離子體狀態(tài)(包括電子密度與等離子體的長度和擴散角)的起伏將導(dǎo)致熔池小孔深度和形狀的起伏。由于小孔深度和形狀的起伏(即孔形擴大或縮小)，屏蔽氣體和金屬蒸氣將會在小孔底部形成氣泡，繼而氣泡向上漂浮，隨著熔池的迅速凝固，則以氣孔形式滯留在焊接熔池底部(第一類型氣孔)。圖4給出了高功率CO2激光深熔焊接焊縫形成氣孔的示意圖。從圖中可清楚地看到氣孔的形成過程。Fig.4Schematic of keyhole motion and po

15、rosity formationprocess observed in CO2 laser welding of low carbon steel在激光深熔焊接中，隨著激光功率密度的增加，熔池鎖孔會變得不穩(wěn)定，因而焊縫內(nèi)氣孔率會急劇增加。焊接熔池不穩(wěn)定是形成氣孔的主要原因。通過對焊縫內(nèi)氣孔內(nèi)的成分分析，在氣孔內(nèi)檢測到含有He,Ar,N2和H2等。而氫氣孔認為是在激光作用后焊接熔池內(nèi)金屬熔體凝固期間，由于保護不好，氫氣擴散進入熔池內(nèi)來不及逸出而殘留在熔池內(nèi)所形成的氣孔(第二類型氣孔)。圖5示出激光焊接18CrMnTi時的氣孔情況，此時是采用N2保護焊縫，Ar作為輔助吹氣氣體。Fig.5The p

16、orosity distribution of laser welding of 18CrMnTiaporosity distributionbthe weld pool porosity圖6示出氣孔形貌。通過對圖6中氣孔的成分分析，檢測出是N2孔，即屬于保護氣體進入熔池內(nèi)的第一類型氣孔。氣孔可以通過以下方法加以消除或減?。?1)在激光焊接中，認真清洗焊件表面；(2)在焊接前預(yù)先采用Ar或N2保護焊縫；(3)采用最佳的離焦量；(4)選擇最佳的輔助氣體流速和合適的輔助吹氣入射角，并調(diào)整好吹氣噴嘴與焊件的合適距離。上述第4種是抑制第一類型氣孔的重要措施。即在激光深熔焊接中抑制好等離子體是最重要的。

17、在焊接18CrMnTi時，采用140mm透鏡焦距。負離焦量1mm,采用Ar作為輔助吹氣，氣體流速為10Lmin，吹氣與水平方向成10°夾角，這時可得到5mm焊接深度，且無氣孔的焊縫(見圖7)。當采用7kW CO2激光(低階模)焊接低碳鋼板，板厚6mm,負離焦1.25mm，焊速為2.2mm/min。此時，最佳輔助吹氣流速度15Lmin，吹氣夾角為33°。Fig.6The morphology of the gas porosityaporosity morphologybmagnification of porositycinterior wall of porosityFig.7Weld seam without porosity氧、硫元素對焊縫氣孔也有影響。通常是隨著氧、硫含量的增加，焊縫氣孔率相應(yīng)增加。圖8示出激光焊接18CrMnTi的激光熔區(qū)的組織結(jié)構(gòu)。由于激光焊接速度快，熔池迅速冷卻，故與常規(guī)焊接相比，激光焊接具有：(1)焊接熔池的液-固界面存在很大的溫度梯度；(2)焊接熔池是在快速凝固下結(jié)晶的，且結(jié)晶方向與焊接熔池流動方向密切相關(guān)；(3)焊接區(qū)熱影響區(qū)小。Fig.8The microstructure of laser weldingastructure of laser weld seambstructure of heat-effect zon