空間發動機激光焊功率閾值研究

宋 凡, 張祎玲, 林嘉偉, 周宇浩

(上海空間推進研究所, 上海 201112)

0 引言

激光焊接技術目前廣泛應用于空間發動機的閥門和推力室等組件的生產過程，而根據熔池中是否出現匙孔可將激光焊分為熱導焊和深熔焊兩種模式，這兩種模式發生轉變的特定功率范圍稱為激光焊功率閾值區間，該閾值區間與焊接速度、離焦量、光束質量、保護氣參數等多種因素有關。采用理論分析與工藝試驗的方法研究了各類工藝參數對功率閾值區間的定量化影響規律，以求得到應用于空間發動機的最優激光焊工藝規范。

1 空間發動機激光焊接要求

空間發動機常用材料之一為GH3128高溫合金，其主體推力室的激光焊簡化結構見圖1。焊后需對焊縫進行氣孔缺陷、抗拉強度、爆破性能、耐壓性能和氦氣漏率等多項檢查，具體技術要求見表1。

圖1 推力室結構示意圖

表1 推力室激光焊接技術要求

2 激光焊接原理與工藝試驗

激光加熱材料的效率通常使用激光功率密度Ek的概念來描述，其定義為：

(1)

式中：P為激光功率，W；v為焊接速度，mm/s；S為光斑面積，mm2。

焊接速度v和光斑面積S為設定值時，激光功率P即為決定Ek的唯一因素。研究結果表明：當Ek在102～104W/mm2范圍內時，金屬材料表層發生少許熔化形成穩定熱導焊；當Ek達到104～105W/mm2范圍內時，金屬材料表層偶爾會直接發生氣化，蒸氣的反沖力使液態熔池凹陷成孔，即形成時深時淺的不穩定過渡焊；當Ek大于105W/mm2時，汽化的金屬量和蒸氣的反沖力都大幅增加，匙孔穩定形成且深度不斷增加，此時光束在匙孔內壁多次向縱深反射，工件對光能的吸收比例大幅提高，從而形成穩定的深熔焊接過程[1]；過渡焊接段的功率范圍即為激光焊的“閾值區間”。

為了探究焊接速度v對閾值區間的影響程度，我們在20～60 mm/s范圍內選取五個典型的速度值，即v=20，30，40，50和60 mm/s，在Φ40×4 mm 的GH3128空心圓筒上進行焊接實驗。測量并記錄各條焊縫橫截面的深寬尺寸，所得焊接速度與閾值區間的關系曲線見圖2。

分析認為當焊接速度逐步加快時，激光對單位面積工件表面的輻照時間減短，即單位時間內輸入某點熔池的激光能量減少，因此從熱導焊向深熔焊轉變所需的激光功率增大，表現為圖中的區間中值和跨度都有一定程度地上升。此外從曲線的傾斜度可以看出，閾值區間的升高幅度遠弱于焊接速度增長的幅度，即當焊接速度增大到3倍時，閾值區間中值僅增大到1.3倍。這需要從激光焊特有的匙孔效應來開展分析，計算機仿真模擬研究[2-3]表明，小孔僅用1 ms左右就極速增長至穩定深度的50%，再經過5～10 ms已快速增長至穩定深度的90%以上，對于常用的焊接速度區間20～60 mm/s(即0.02～0.06 mm/ms)來說，光束移動的速度與小孔成型的速度有較大的差距，即雖然提高了焊接速度，但小孔仍有充裕的時間完成生長，外在表現為焊接速度對閾值區間的影響較小。

圖2 焊接速度與閾值區間的關系曲線

激光束傳輸時的狀態并不是理想平直的圓柱形，而是先收細再張開的類沙漏狀(細腰處為激光焦點)，因此當工件在激光焦點附近上下移動時，工件表面的光斑半徑R與離焦量Z成雙曲線規律變化[4]。由于光斑面積S=πR2，帶入式(1)可知，激光功率密度Ek與離焦量Z成二次方反比關系，由此表明離焦量是影響激光閾值區間的因素之一。

為了探究離焦量Z對閾值區間的影響程度，在-2～+2 mm范圍內選取五個典型的離焦量值，即Z=-2、-1、0、+1和+2 mm，在Φ40×4 mm 的GH3128空心圓筒上進行焊接實驗。測量并記錄各條焊縫橫截面的深寬尺寸，所得離焦量與閾值區間的關系曲線見圖3。

由圖可知離焦量為零時功率閾值區間最低，因為此時工件表面的光斑面積最小，激光功率密度Ek可達最大值，熔池金屬可更快地被加熱汽化，從而最早產生了深熔焊所必需的匙孔。當離焦量向正或負方向逐漸增長時，閾值區間都會相應發生上移，因為此時光斑面積均較零離焦時更大，從而導致激光功率密度同步下降。然而在離焦量的絕對值相等時，正離焦的閾值區間要比負離焦的更高，且當Z=+2 mm時，已經很難觀察到明顯的熔深躍遷區間。對于這種正離焦時閾值更高的現象，研究分析認為激光深熔焊時光束與材料的能量耦合主要是通過“匙孔”來實現的，“匙孔”內存在著多種能量耦合機制，其中菲涅爾吸收占主要作用(即光束入射后在孔壁上發生多次反射，每次反射都有部分能量被熔池吸收)。由錐形小孔菲涅爾反射原理可知，負離焦時焦點位置處于工件表面以下，光束以匯聚狀態與匙孔進行耦合，正離焦時焦點位置處于工件表面以上，光束以發散狀態與匙孔進行耦合，根據相關文獻[5-7]幾何光學原理計算結果可知，匯聚狀態的激光束更容易向小孔深處傳播，從而使得更多光能可用以熔化更深處的金屬，更容易帶來深熔焊行為，即負離焦比正離焦的閾值區間更低。

圖3 離焦量與閾值區間的關系曲線

用來表征激光光束質量的參數是光束聚焦特征參數值Kf，亦稱為光束參數積(BPP，Beam Parameters Product)，其定義為[1]。

Kf=ω0·θ0

(2)

式中：ω0為焦點光斑半徑，mm；θ0為遠場發散半角，mrad。

激光光束質量越好代表激光傳播時的匯聚性越好，即焦點處激光光斑半徑和遠場發散半角的乘積越小(Kf值越小)。現有兩臺激光焊機，型號分別為HL2006D和TLC3002。HL2006D焊機的焦點光斑半徑ω01=0.45 mm，遠場發散半角θ01=267 mrad，該焊機激光束較為發散但焦斑面積略小；TLC3002焊機的焦點光斑半徑ω02=0.54 mm，遠場發散半角θ02=60 mrad；該焊機激光束較為平直但焦斑面積略大。設置離焦量Z=0 mm，焊接速度v=40 mm/s，激光功率P=600～1 100 W，焊接試樣為：Φ40×4 mm GH3128空心圓筒，使用兩臺激光焊機進行激光焊接工藝試驗，可得到圖4所示光束質量與閾值區間之間的關系曲線。

由圖可見在激光焊接工藝參數相同的條件下，兩臺激光焊機不同光束的閾值區間基本相同。根據能量密度Ek的定義，式(1)，因為兩種激光束的焦斑尺寸略有差異，故當兩臺激光焊機的激光功率相同時，各自焦斑位置的平均能量密度并不相同。然而考慮到不同光束內部存在著不同的能量分布機制，且激光器輸出光束的功率存在±1%的正常波動范圍，因而可認為工件表面在兩種情況下接收到了等效能量密度的熱輸入[8]，從而在相同的功率區間內發生了從熱導焊向深熔焊的轉變。由此可見，不同Nd:YAG激光焊機的閾值區間應用各自工藝試驗的實測值來確定。

圖4 光束質量與閾值區間的關系曲線

激光在焊接過程中會持續電離光束傳播路徑內的氣態物質，包括熔池噴涌出的金屬蒸氣和外部送入的保護氣體。電離的過程會損耗掉一部分激光能量，且產生的等離子體會和金屬蒸氣一起使光束產生散射現象，即光束在向匙孔深處傳播的過程中，有效焊接能力會發生一定程度的降低[1]。本文從氣體成份、氣體吹送方式和氣體流量三個方面進行了焊接工藝試驗，以研究保護氣參數對閾值區間的影響規律。

激光焊常用的保護氣有純氬(Ar)和純氦(He)兩種，激光焊保護氣一般以旁軸方式送入，根據噴嘴擺放位置的不同，可分為前吹、后吹和側吹三種模式。設置離焦量Z=0 mm，焊接速度v=30 mm/s，焊接試樣為：Φ40×4 mm GH3128空心圓筒，改變三類保護氣參數進行激光焊接工藝試驗，所得保護氣參數與閾值區間的關系曲線見圖5。

圖5 保護氣參數與閾值區間的關系曲線

首先由圖可知，無論保護氣成分是Ar氣還是He氣，其對閾值區間的影響均微乎其微。一般來說，Ar氣的電離能為1 523 kJ/mol，其強特征光譜主要處于大于450 nm的可見光及近紅外段；He氣的電離能為2 372 kJ/mol，其強特征光譜主要處于小于400 nm的紫外段；即對于YAG激光器產生的1 030 nm波長的光束而言，在給定的激光功率下應該是Ar氣更容易被電離，更有可能產生不利于深熔焊的等離子體。然而有研究[9-10]發現YAG激光焊接時熔池區的光譜分布呈連續態，說明此時電離耗能和等離子散射的不利影響基本不存在，這是因為YAG激光形成等離子體的臨界功率密度比CO2激光要高兩個數量級，這一點和我們觀察到的實驗結果相符合。

其次保護氣體吹送方式和吹送流量均會顯著影響閾值區間，側吹和大流量都有利于閾值區間的降低。分析認為匙孔產生和存在的主要動力是金屬蒸氣逸出時造成的反沖力，而保護氣體的存在不僅可以隔絕空氣，還有將金屬蒸氣吹離匙孔上部的作用，因此當氣體流量增大或側面吹送時，金屬蒸氣能被更快、更徹底地被吹走，其反沖作用效果不斷增強，因此深熔現象更早地出現，表現為閾值區間隨氣流增大而降低。實際焊接生產時，需綜合考慮保護氣體效果和熔深需求以確定保護氣參數。

3 激光焊接工藝與結果

焊接設備采用德國通快公司生產的Nd:YAG固體激光器，具體型號為TLC3002，最大功率為3 kW，光束質量為8 mm·mrad，焦點光斑半徑為0.54 mm，激光波長為1.03 μm，能量模式為準TEM00單模，焊接時使用純度不小于99.99%的Ar氣保護，并與光束軸線成45°旁軸方式進行吹送。

零件在焊前要先進行嚴格的清理，避免油污、水漬等雜質對光能耦合效果的干擾。具體清理流程為：先用有機高分子洗液除去機加油污，后用HF/HNO3/H2SO4混合劑除去本體金屬氧化膜，再用清洗液為無水乙醇的超聲波洗掉除油劑和酸洗劑，最后經過80～100 ℃/1～2 h的隨爐熱烘除去殘余乙醇。

清理好的零件按照設計圖紙進行焊接裝配，裝配完成后檢測待焊焊縫的錯邊量和間隙量，確保兩者均不超過0.05 mm，否則重新進行校正配合。裝配合格的試件用手工焊進行待焊縫固定，一般形成對稱分布的4～8個焊點。

焊接開始時先將試件裝夾到卡盤上，隨后運行專用程序測試光束焦點的實際位置，測試完成后再進行表面定焦和對縫，最后將預定的速度、功率、離焦量、吹氣方式和氣流量等參數輸入程序進行焊接[11]。推力室的標準激光焊工藝流程如圖6所示。

圖6 推力室激光焊工藝流程框圖

焊接參數設計的思路為：對于熔深極淺的熱導焊區間，使用普通速度、中等虛焦、低功率的搭配模式(第1組)；對于熔深稍低的深熔焊區間，使用普通速度、實焦、較低功率的搭配模式(第3組)，對于熔深介于兩者之間、較易出現過渡焊的區間，使用快速、少許虛焦、較低功率的搭配模式(第2組)；對于熔深很大的深熔焊區間，使用快速、大量虛焦、較大功率的搭配模式(第4組)。表2為產品模擬件工藝試驗的實錄參數。

表2 產品模擬件激光焊接工藝參數

先對焊縫表面進行質量評級，再對焊縫內部進行無損檢測，同時記錄焊縫內部氣孔和裂紋的實測數據，各項指標均需滿足Q/RJ71標準的II級焊縫質量要求(表面非黑，無裂紋，無焊瘤，咬邊/未焊滿≤10%壁厚，單氣孔直徑≤50%壁厚，總氣孔數量≤5個/100 mm)。在焊縫內外質量均滿足標準要求的前提下，對所有試件進行橫截面金相制樣切割，通過粗磨、精磨、拋光和電化學腐蝕，測量記錄每條焊縫的有效熔深數據。此外針對第3、4組試件還要制作力學性能測試試樣，測量記錄其抗拉強度、爆破強度、耐壓強度和氦氣漏率數據。產品模擬試件焊后性能測試結果見表3，與表1對比可知均符合技術條件要求。

表3 產品模擬件焊縫性能測試結果

由上述工藝試驗結果可得到推力室的最優激光焊接工藝規范(表4)，采用該規范焊接的產品已通過了飛行試驗考核。由此表明：激光焊閾值特性的研究結果是正確、合理和有效的。

表4 推力室激光焊接的最優工藝參數

在探明激光焊接閾值區間表現規律的前提下，可以針對不同產品需求設計完美適配的激光焊接工藝參數窗口，以消除過渡焊造成的焊縫熔深一致性不穩定的問題，由此可大大提升激光焊接工藝參數批次復用性。該項技術研究成果已廣泛應用于各類發動機的激光焊接生產之中，并正逐步向壓力容器和通配件等其他各類組件焊接領域進行推廣和應用。

4 結論

激光焊閾值區間與焊接速度呈正向關系，但閾值升高的幅度遠弱于焊接速度加快的幅度，當焊接速度由20 mm/s增至60 mm/s時，功率閾值中值從580 W左右增至780 W左右。

由于表面功率密度和匯聚形態的原因，實焦焊時功率閾值區間最低，入焦、離焦時的閾值區間都會發生上移，且在離焦程度相同時正離焦的閾值區間相對負離焦的更高，其中在離焦量Z=+2 mm時已經很難觀察到明顯的熔深躍遷區間。

光束質量對閾值區間影響輕微且機制較為復雜，每臺焊機需要用焊接試驗的實測值來單獨確定。

YAG激光焊機激光焊接時幾乎不產生等離子體，即電離耗能和等離子散射對激光焊接的不利影響基本不存在，因此焊接生產時無論采用哪種成分的保護氣體，對YAG激光焊的閾值區間基本沒有影響；保護氣前吹和后吹對閾值的影響作用相同，閾值區間保持不變，但側吹有利于匙孔形成，其閾值區間更低；隨著保護氣體流量的增大，金屬蒸氣將會更快速地被吹走，匙孔能更好地暴露于激光束輻照之下，同樣有利于深熔焊的成型，因此閾值區間也將會更低。

在空間發動機模擬件工藝試驗的基礎之上得到了激光焊接工藝規范，采用該規范焊接的空間發動機已通過了飛行試驗考核。由此表明：空間發動機激光焊閾值特性研究與工藝試驗是正確、合理和有效的。該項技術和研究成果已廣泛應用于各類發動機的激光焊接生產之中，并正逐步向閥門、壓力容器和通配件等其他各類組件焊接領域進行推廣和應用。