鋁合金雙光束激光填絲焊接熔絲特征分析

孟圣昊 ，宮建鋒，鄒吉鵬，彭根琛，王繼明，黃瑞生，曹 浩

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引言

鋁合金由于其較高的塑性、韌性與比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)各領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如汽車(chē)制造業(yè)、航空航天領(lǐng)域等［1］。同時(shí)由于鋁合金自身特性，激光焊接鋁合金時(shí)容易產(chǎn)生匙孔不穩(wěn)定、熔池劇烈波動(dòng)等現(xiàn)象，很難得到成形理想的焊縫。為了穩(wěn)定焊接過(guò)程，提高焊縫質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)雙光束激光焊接對(duì)改善焊縫成形質(zhì)量［2-4］、減少氣孔缺陷［5-6］有較大幫助。徐艷利等［7］采用雙光束激光填絲焊接的方法對(duì)2A12 鋁合金進(jìn)行了焊接，發(fā)現(xiàn)雙光束填絲焊接獲得的焊縫成形良好，裂紋與內(nèi)部氣孔的數(shù)量更少，是實(shí)現(xiàn)鋁合金激光填絲焊接的一種有效方法。

焊接過(guò)程中匙孔穩(wěn)定性以及熔池行為是影響焊縫質(zhì)量的重要因素，而目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在自熔焊接方法上。HABOUDOU 等［8］采用單/雙光束模式對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接并通過(guò)同軸CMOS 系統(tǒng)觀察了匙孔的尺寸，發(fā)現(xiàn)在雙光束焊接時(shí)，匙孔尺寸較大且穩(wěn)定，焊縫的氣孔率更低。SHIBATA等［9-10］在雙光束焊接中采用了不同光斑間距，借助原位X射線成像系統(tǒng)觀察了匙孔的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光斑增大，匙孔深度減小而寬度增大，焊接的穩(wěn)定性隨之提升而焊縫的氣孔率下降。

相對(duì)于激光自熔焊接，激光填絲焊接還涉及焊絲的熔化與過(guò)渡過(guò)程，但目前對(duì)于雙光束激光填絲焊接鋁合金過(guò)程中焊絲過(guò)渡行為研究較少。本文以5A06 鋁合金為研究對(duì)象，通過(guò)高速攝像系統(tǒng)對(duì)單、雙光束激光焊接過(guò)程中的焊絲熔化、過(guò)渡行為進(jìn)行了采集和研究，分析了光斑間距與光絲間距對(duì)焊絲熔化與熔池行為的影響，建立了焊絲過(guò)渡行為、熔池行為與光束模式的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為H112 態(tài)5A06 鋁合金，試板尺寸為200 mm×150 mm×20 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)前用丙酮去除油污，再采用酸堿洗的方法去除表面氧化層，隨后在80 ℃的烘干箱內(nèi)烘干30 min 去除表面殘留水分。填充材料選用直徑1.2 mm 的ER5356 鋁合金焊絲。

試驗(yàn)所用設(shè)備及主要參數(shù)：IPG YLS-30000 激光器，激光波長(zhǎng)1 070 nm，最大功率30 kW；20 kW雙光束激光頭，可調(diào)節(jié)光斑間距等相關(guān)參數(shù)；KD7000 送絲機(jī)，送絲速度范圍為0.3～10 m/min；i-speed7 高速攝像機(jī)，采集頻率為7 500 fps/s；CAVILUX HF 半導(dǎo)體激光器作為輔助光源，波長(zhǎng)808 nm。焊接過(guò)程如圖1 所示。為避免反射激光對(duì)光路的傷害，焊接頭中軸線與垂直方向偏轉(zhuǎn)10°；送絲嘴與保護(hù)氣噴嘴各自固定在焊接槍的前后兩側(cè)，三者軸線在同一垂直平面上。試驗(yàn)采用前送絲的方式，送絲角度為30°，從后側(cè)吹送氬氣保護(hù)熔池及焊縫；通過(guò)高速攝像機(jī)采集熔絲過(guò)渡行為與熔池行為。受空間限制，高速攝像機(jī)放置在焊接位置斜上方，鏡頭與水平方呈75°左右?jiàn)A角，同時(shí)在鏡頭前加裝808 nm 波長(zhǎng)的濾光片避免等離子體干擾。

圖1 焊接試驗(yàn)過(guò)程Fig.1 Process of the welding test

進(jìn)行雙光束焊接時(shí)采用并行排布的方式，其能量比為50/50，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)離焦量為0 mm 時(shí)，激光束光斑直徑為0.9 mm，且分離光束后光斑直徑無(wú)變化，光斑間距0.9 mm 時(shí)能量耦合形式如圖2 所示。其他主要焊接參數(shù)包括：激光焊接功率6 kW，離焦量0 mm，焊接速度1 m/min，送絲速度9 m/min。

圖2 雙光束激光能量密度分布Fig.2 Energy density distribution of the double-beam laser

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙光束激光自熔焊接熔池及匙孔特征

作為對(duì)比研究的對(duì)象，首先對(duì)常規(guī)單光束激光焊接過(guò)程中熔池特征進(jìn)行了采集，如圖3 所示。從高速攝像采集的結(jié)果可以看到，熔池形狀整體較為規(guī)則，呈橢圓狀，匙孔后方區(qū)域的熔池波動(dòng)較為劇烈，有較大的起伏。相關(guān)研究也表明［11］，由于鋁合金自身的熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好等物理性質(zhì)，激光焊接過(guò)程中熔池較為不穩(wěn)定，易于產(chǎn)生波動(dòng)，影響焊接質(zhì)量。

圖3 單光束激光焊接過(guò)程中匙孔及熔池動(dòng)態(tài)特征Fig.3 Dynamic characteristics of the keyhole and molten pool in the process of single-beam laser welding

兩光斑間距為0.9 mm 時(shí)，雙光束激光焊接過(guò)程中的熔池流動(dòng)情況如圖4 所示。此時(shí)兩激光斑點(diǎn)間距與光斑直徑相同，邊緣接觸。從拍攝的特征中可以看到，此時(shí)的熔池表面和匙孔的波動(dòng)程度也與單光束時(shí)相似。匙孔形狀仍為圓形，說(shuō)明在光斑間距較小時(shí)（0.9 mm），分開(kāi)的雙光束仍有較強(qiáng)的耦合作用，作用在母材上的效果與單光束相似，共同作用形成一個(gè)匙孔。

進(jìn)一步增加光斑間距到1.2 mm，使形成的兩個(gè)光斑完全分離，觀察到此時(shí)形成了一個(gè)在垂直焊接方向拉長(zhǎng)的匙孔，如圖5 所示。分析認(rèn)為：一方面兩束分開(kāi)的激光仍具有較高的能量密度，可以分別作用在母材上各自形成匙孔，但兩束激光之間仍有一定的耦合作用，使得中間金屬受到了較高的能量作用；另一方面，兩束激光各自作用形成的匙孔中，產(chǎn)生的金屬蒸汽對(duì)匙孔中間的熔體也有沖擊作用，使得兩個(gè)匙孔聯(lián)結(jié)成一個(gè)拉長(zhǎng)的匙孔，此時(shí)熔池仍有一定的波動(dòng)。

當(dāng)光斑間距進(jìn)一步增大到1.5 mm 時(shí)，可以清晰觀察到熔池中穩(wěn)定存在兩個(gè)獨(dú)立的匙孔，而熔池的寬度略有增加，熔池和匙孔的穩(wěn)定性均得到了明顯的提高，如圖6 所示。

圖4 光斑間距為0.9 mm 時(shí)雙光束激光焊接過(guò)程中匙孔及熔池動(dòng)態(tài)特征Fig.4 Dynamic characteristics of the keyhole and molten pool in the process of double-beam laser welding when the spot spacing is 0.9 mm

圖5 光斑間距為1.2 mm 時(shí)雙光束激光焊接過(guò)程中匙孔及熔池動(dòng)態(tài)特征Fig.5 Dynamic characteristics of the keyhole and molten pool in the process of double-beam laser welding when the spot spacing is 1.2 mm

圖6 光斑間距為1.5 mm 時(shí)雙光束激光焊接過(guò)程中匙孔及熔池動(dòng)態(tài)特征Fig.6 Dynamic characteristics of the keyhole and molten pool in the process of double-beam laser welding when the spot spacing is 1.5 mm

為更清晰對(duì)比不同光斑間距條件下焊接過(guò)程穩(wěn)定性，對(duì)高速攝像獲得的熔池形態(tài)照片進(jìn)行了數(shù)值化處理，統(tǒng)計(jì)得到不同光斑間距下匙孔開(kāi)孔面積變化規(guī)律，如圖7 所示。可以看到，當(dāng)光絲間距為0 與0.9 mm 時(shí)，匙孔面積變化劇烈，表面開(kāi)口經(jīng)常發(fā)生閉合，匙孔平均面積分別約為5 392 和5 217 像素；而當(dāng)光絲間距增加到1.2 mm 時(shí)，形成的拉長(zhǎng)形狀匙孔的穩(wěn)定性有一定提升，平均面積約為6 932 像素，增加了29%；隨光斑間距增大到1.2 mm，分離的光束各自形成的匙孔開(kāi)口面積較小，但穩(wěn)定性有較大提升，開(kāi)口面積波動(dòng)較小且沒(méi)有觀察到匙孔閉合的現(xiàn)象，兩個(gè)匙孔面積之和的平均值約為1 828 像素，為常規(guī)焊接匙孔面積的34%左右。

圖7 不同光斑間距下匙孔開(kāi)口面積變化規(guī)律Fig.7 Variation principle of the keyhole opening area with different spot spacing

根據(jù)上文研究?jī)?nèi)容分析，在不同光斑間距下可獲得不同的匙孔模式與熔池形狀，總結(jié)規(guī)律如圖8 所示。當(dāng)光斑間距較小時(shí)（0.9 mm），兩束激光之間仍有較強(qiáng)的耦合作用，與母材的相互作用方式和單光束相似，仍形成一個(gè)較深的匙孔，熔池深度也較深；當(dāng)光斑距離足夠大時(shí)（1.5 mm），兩束激光之間的相互耦合作用足夠弱，可以分別和母材相互作用，而由于分開(kāi)的能量與能量密度均為總量的一半，各自形成的匙孔深度與寬度均較小，最終形成的熔池形狀也呈寬而淺；若光斑距離介于兩者之間，雖然光束之間的耦合作用減弱，但由于距離不夠遠(yuǎn)，各自與母材相互作用而產(chǎn)生的熱、力效應(yīng)仍在相互影響，因此，形成的匙孔沒(méi)有完全分離，呈現(xiàn)一個(gè)在垂直方向拉長(zhǎng)的匙孔，熔池形狀也在垂直方向有所變寬，深度方向有所減弱。

圖8 不同光斑間距下匙孔與熔池形態(tài)變化規(guī)律Fig.8 Variation principle of the morphology of keyhole and molten pool with different spot spacing

2.2 雙光束激光填絲焊接焊絲熔化特征

在自熔焊接熔池特征分析的基礎(chǔ)上，對(duì)填絲焊接過(guò)程中焊絲熔化特征進(jìn)行了研究，相關(guān)研究也顯示，激光填絲焊接過(guò)程中焊絲以液橋過(guò)渡的形式熔化過(guò)渡進(jìn)入熔池是最為穩(wěn)定的［12］，單光束激光填絲焊接試驗(yàn)過(guò)程如圖9 所示。

圖9 單光束激光填絲焊接焊絲熔化過(guò)渡行為Fig.9 Melting transition behavior of single-beam laser filler wire welding

由圖9 可以看到：熔化的焊絲以液橋的形式在匙孔邊緣流入熔池，對(duì)熔池的沖擊較小。但單光束激光在熔化焊絲后仍有較高能量密度，這部分能量在母材表面可以形成一個(gè)尺寸較大的匙孔。同時(shí)也觀察到匙孔及熔池的后方存在一定的波動(dòng)，有較大數(shù)量的飛濺產(chǎn)生，對(duì)焊絲熔化過(guò)渡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

當(dāng)采用雙光束并行排布方式進(jìn)行激光填絲焊時(shí)，由于光斑間距不同時(shí)所對(duì)應(yīng)的匙孔與熔池形狀有較大區(qū)別，因此，對(duì)不同匙孔模式下對(duì)熔絲特性的影響進(jìn)行分析。如圖10 所示，當(dāng)光斑間距較小時(shí)（0.9 mm），所形成的匙孔特征與單光束時(shí)類(lèi)似，但由于降低了能量密度，焊接過(guò)程中飛濺減少，熔池及匙孔的波動(dòng)性降低，焊接過(guò)程較為穩(wěn)定。

圖10 光斑間距為0.9 mm 時(shí)熔絲過(guò)渡及熔池流動(dòng)行為Fig.10 Behaviors of melting transition and molten bath flow when the spot spacing is 0.9 mm

光斑間距增大后（1.2 mm），因激光束作用區(qū)域的增加，匙孔形狀在垂直方向有一定的拉長(zhǎng)，焊絲受熱熔化區(qū)域也隨之增大，焊接過(guò)程中，液態(tài)金屬以穩(wěn)定的液橋形式流入熔池。同時(shí)，直接作用在母材表面上的能量密度會(huì)有一定的下降，到匙孔后方區(qū)域熔池表面流動(dòng)平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的飛濺產(chǎn)生，如圖11所示。

圖11 光斑間距為1.2 mm 時(shí)熔絲過(guò)渡及熔池流動(dòng)行為Fig.11 Behaviors of melting transition and molten bath flow when the spot spacing is 1.2 mm

當(dāng)光斑間距足夠大時(shí)（1.5 mm），兩束激光在焊接區(qū)域形成兩個(gè)獨(dú)立的匙孔，由于相同激光功率下，兩束激光各自的能量密度僅為單光束時(shí)的一半，因此，形成了更穩(wěn)定、尺寸波動(dòng)更小的匙孔。焊絲末端的兩側(cè)各自存在一個(gè)較小的匙孔，形成了兩個(gè)獨(dú)立的液橋且沒(méi)有明顯的相互作用，熔化的焊絲通過(guò)這兩個(gè)液橋平穩(wěn)地過(guò)渡到熔池中，焊接過(guò)程平穩(wěn)，沒(méi)有觀察到因匙孔波動(dòng)而導(dǎo)致液橋不穩(wěn)定的現(xiàn)象，如圖12 所示。綜合不同光斑間距下的熔絲特征，在這種雙匙孔模式下焊絲熔化最為穩(wěn)定。

采用不同光束模式得到的焊縫成形如圖13 所示?？梢钥吹?，單光束激光填絲焊接得到的焊縫邊緣較為粗糙，表面為不均勻的魚(yú)鱗紋，可以明顯觀察到咬邊缺陷的存在，如圖13（a）所示。而在雙光束模式下，焊縫表面均勻平整，焊縫邊緣光滑，沒(méi)有觀察到明顯的表面缺陷，如圖13（b）所示。

圖12 光斑間距為1.5 mm 時(shí)熔絲過(guò)渡及熔池流動(dòng)行為Fig.12 Behaviors of melting transition and molten bath flow when the spot spacing is 1.5 mm

圖13 不同光束模式下激光填絲焊縫成形Fig.13 Welded seams formed by laser filler wire welding under different beam modes

2.3 光絲間距對(duì)雙光束激光填絲焊接的影響

對(duì)于激光填絲焊接，光絲間距也是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，因此，以液橋過(guò)渡形式，采用不同的光絲間距進(jìn)行了雙光束激光填絲焊接試驗(yàn)，對(duì)其焊接過(guò)程中焊絲熔化過(guò)渡形式進(jìn)行拍攝，分析熔化過(guò)渡特征與熔池流動(dòng)規(guī)律。為量化分析光絲間距影響，設(shè)定焊絲及其延長(zhǎng)線在母材表面的接觸點(diǎn)為原點(diǎn)，激光束作用在此位置時(shí)為光絲部分重疊狀態(tài)，也是前述研究中采用的狀態(tài)，激光束沿焊接方向分別向前后各自偏移1 mm 的兩個(gè)位置為光絲完全分離與完全重疊狀態(tài)，條件如圖14 所示。

圖14 不同光-絲間距示意圖Fig.14 Schematic diagram of different light-wire spacing

光絲完全分離時(shí)焊絲的熔入行為特征如圖15所示。此時(shí)可以看到，焊絲末端與母材表面的接觸點(diǎn)位于激光束作用點(diǎn)的前部，并未受激光束的直接作用，焊絲末端形成的液橋并非完整的雙液橋形式，焊絲主要由熔池和等離子體的熱作用而熔化。在這種條件下，焊絲熔化并不充分，焊絲末端更容易以軟化的熔融態(tài)形式進(jìn)入熔池，接著在匙孔區(qū)域受激光束作用而完全熔化，對(duì)匙孔穩(wěn)定性有一定的影響。因此，可以觀察到有少量飛濺產(chǎn)生，但整體的焊接過(guò)程仍保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖15 光絲完全分離狀態(tài)下的熔池動(dòng)態(tài)行為Fig.15 Dynamic behavior of the molten pool when the light and welding wire are completely separated

在光絲完全重疊條件下，焊絲熔化過(guò)渡特征如圖16 所示。此時(shí)焊絲末端與母材表面的接觸點(diǎn)已在激光作用點(diǎn)之后，遮擋了激光束能量傳輸?shù)墓饴罚虼耍す馐芰繒?huì)先使焊絲熔化，而后才作用在母材上。在焊絲末端，熔化形成的液滴并不能直接進(jìn)入到熔池當(dāng)中，而是在試件表面上方一定高度位置，與熔池之間形成了一個(gè)拉長(zhǎng)的“液橋”，液滴由此在進(jìn)入熔池，同時(shí)也對(duì)熔池有一定的沖擊作用，使得匙孔與熔池的穩(wěn)定性受到影響，波動(dòng)劇烈，焊接過(guò)程中可以觀察到較多飛濺的產(chǎn)生。

圖16 光絲完全重疊條件下的熔池動(dòng)態(tài)行為Fig.16 Dynamic behavior of the molten pool when the light and welding wire are completely overlapped

3 結(jié)束語(yǔ)

1）對(duì)于并行雙光束激光焊接，光斑間距在0.9 mm 內(nèi)時(shí)匙孔形態(tài)與單激光焊接類(lèi)似；間距增大到1.2 mm 時(shí)，匙孔開(kāi)口面積增加29%，匙孔閉合頻率降低；間距增加到1.5 mm 時(shí)，可以形成相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)小匙孔，開(kāi)口面積總和僅為單激光焊接時(shí)的34%，匙孔無(wú)閉合現(xiàn)象且熔池穩(wěn)定。

2）在進(jìn)行填絲焊接時(shí)采用并行雙光束模式，焊絲末端兩側(cè)受兩個(gè)獨(dú)立匙孔的作用，形成了兩個(gè)穩(wěn)定的液橋，同時(shí)由于能量密度的降低，各自對(duì)母材的作用減弱，熔池的表面流動(dòng)更加穩(wěn)定，顯著提高了焊絲熔化過(guò)渡的穩(wěn)定性。

3）對(duì)于并行雙光束激光填絲焊接，焊絲與光束部分重疊時(shí)熔化過(guò)渡過(guò)程最為穩(wěn)定，在光絲分離間距1 mm 范圍內(nèi)焊接過(guò)程較為穩(wěn)定；光絲重疊范圍達(dá)到1 mm 時(shí)焊接過(guò)程不穩(wěn)定。