光纖型激光器在不銹鋼焊接中應用研究

姜吉臣，張占軍，李 張，孫 許，趙成亮，張洪濤

（中核控制系統工程有限公司，北京 102600）

0 引言

激光焊接在本質上是通過激光束來對物品進行焊接的方法，在激光生產加工過程中是一個重要的環節。在金屬加工領域中，尤其重點應用于不銹鋼、碳鋼等的生產中[1]。在金屬產品的密封焊接中，激光焊接工藝相對穩定，利用此焊接在生產過程中效率高且密封作用良好。

由于具有光電轉換效率高、光束質量好、生產效率高、光束發射后穩定等特點，光纖激光焊接被廣泛的關注。在歷史發展的長河中，焊接自始至終都被認為是制造業的基礎工藝。從19 世紀后期，焊接工藝技術都經歷了電弧焊、摩擦焊、電子束焊、離子束焊、激光焊等發展過程[2]。

在各個方面與其它類的焊接工藝技術相比，激光焊接具有相當多的優點，比如焊接速度快、自動化程度高、焊縫深、無需真空環境、熱輸入量少、柔性好等。因此，在核能、造船業、航空航天、國防武器、汽車制造和鐵路車輛制造等行業，激光焊接已被廣泛的應用，現在激光焊接技術已被認為是21 世紀的最具發展前景的先進連接技術之一[3,4]。

在現在的加工制造工藝中，激光焊接完成的組件連接，在焊縫工藝評定金相檢驗過程中，發現焊縫的表面熔透但深部出現未熔透等質量缺陷。根據設備說明的焦距進行焊接，調整好相應的焊接參數，理論值應達到焊接要求，但在實際操作中和檢驗中未達到預期的目標。根據發現的未熔透的質量缺陷問題，經過探索研究，現把焊接焦距作為研究點，展開激光焊接焦點的確定方式及與熔深的關系的探究。

1 激光焊接的原理

激光焊接是通過硬件和軟件裝置的共同配合來完成的。硬件裝置是實現激光焊接的物質基礎，硬件質量的優劣直接影響光束質量和焊接過程的完成質量。激光焊接設備由多部分組成，其中激光器、光束傳輸和聚焦系統、運動、控制和檢測系統最為重要[5]。

1.1 激光焊接原理的分類和特點

激光焊接的原理可以分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接，通過連續或脈沖的激光束實現。

1.1.1 熱傳導型焊接

熱傳導焊接為功率密度小于104～105W／cm2時，此時熔深淺、焊接速度慢，其中熱傳導型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、功率和頻率等參數，使工件熔化形成特定的熔池。

1.1.2 激光深熔焊接

激光深熔焊接為功率密度大于105～107W/cm2時，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，其具有焊接速度快、深寬比大的特點[6]。激光深熔焊接一般采用連續激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，能量轉換機制通過小孔完成。在高功率密度激光的照射下，材料蒸發形成小孔，這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光能量，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。在光束照射下的壁體材料連續蒸發產生高溫蒸汽，孔壁外液體流動形成的壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持并保持動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔始終處于流動的穩定狀態，圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進而向前移動，熔融金屬填充小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。

2 激光束聚焦的焦點確定

在激光焊接設備中，設置焊接功率且持續發射激光，當操作焊頭均勻從下向上移動時，在焊件表面會出現一道焊縫，表面焊縫會表現出寬窄不一且凹陷程度不一。由上述確定焊接時熔深不一，焊縫最窄處為焦點的位置。

2.1 選定焊接樣件并預處理

φ24mm 壁厚2.5mm，長300mm 的不銹鋼管作為此次的試驗樣件，先用去污劑在超聲波清洗機中整體清洗樣件的表面，包括浸泡一定的時長，用清洗刷刷凈表面的油污等，后用清水沖洗樣件的內外表面，達到表面不掛水珠的要求；用去離子水繼續清洗該樣件；然后，用無水乙醇浸泡樣件脫水，最后放到烘烤箱中將表面烘干備用。作為焊接樣件的不銹鋼管，在經過上述處理后，開展后續的操作時，一定要保持表面的整潔，尤其是要焊接的位置，不可用手直接觸摸。

2.2 焊接工藝參數設置

利用光纖型激光，經透鏡系統聚焦，獲得功率密度很高的光束進行焊接。其聚焦系統有如下關系：

式中：d——激光的光斑直徑；α——光束發散角；f——透鏡的焦距（mm）；D——透鏡的聚焦尺寸；b——焦深。

由上述公式可知，光斑直徑與激光焦距成正比。另外，當在透鏡焦距的基礎上偏離距離太大時，光斑直徑很大，影響聚焦效果，產生的能量密度下降。所以在使用透射聚焦鏡時，要綜合考慮各焊接因素。

根據上述內容綜合考慮，在使用2kW 的光纖型激光器時，用軟件裝置設置激光的輸出功率為1.5kW，保護氣的氣流量為18L/min，焊接時管道的轉速為80°/s，激光束水平發射至不銹鋼管表面。關于焊接時的調節數據暫設置如上，具體的操作過程如下：

2.2.1 焊接具體操作流程

開啟激光焊接設備（激光器主設備、顯示焊接情況的電腦1、控制激光發射器的電腦2、水冷機）。

將不銹鋼管豎直裝配在卡槽中。

在電腦2 中控制激光發射為點焊模式，進行點焊，調節電腦1 顯示屏中“十字絲”的中心與該焊點對中。

調節電腦2 中的焊接程序和參數，開啟保護氣。

點擊“開始”按鈕，控制激光發射器槍頭處由低到高移動。

完成焊接。

2.2.2 焊前焦點校準

選用斜面掃描焊的方法，控制激光一直出光，使其對樣件從一端至另一端持續激光焊接，由此對激光焊接設備的焦點進行校準。

對焊接后的樣件進行觀察，焊接的焊縫呈現逐漸減小又逐漸增大的形態，焊接過程中，經過一個小于焦距至焦距處至大于焦距的過程，激光束在聚焦點處聚焦使焊縫達到最窄，此時為焦點的位置。量取從激光器根部至樣件中焊縫最窄處的水平距離，此距離為該激光焊接設備的焦距L，具體為154 mm。

2.2.3 理論值焦距與實際值對比

根據廠家提供的激光焊接設備焦距為157mm，激光焊接時根據說明采用的距離為159mm，離焦量正離焦2mm，但此種情況下焊接的樣件在工藝評定中未能滿足熔深要求。通過所確定焦距來看，上述理論焦距與實際的焦距比較，已經為正離焦量3mm，再加上說明要求的正離焦2mm 焊接，即在實際焦距正離焦5mm 的條件下進行焊接，焦點已經遠離焊接樣件，遠離焦點的位置處。根據所設定的焊接功率，激光所產生的能量達不到要求，焊接過程中導致焊接熔深未達標。

3 不同離焦量對熔深的影響

在焦點或其附近處，激光發射在樣件所產生的能量最高。當超出能量所能熔透焊接樣件的范圍時，激光焊接所能達到的效果就會大大降低。在焦距的偏差中，正負偏差過大都不利于焊接達到最優效果。通過下文研究不同的離焦量對熔深的影響，得出最優的焊接焦距偏差量，同時得出同功率下的最大熔深值。

3.1 離焦量定義

離焦量m 是焦距L 為154mm 的基礎上正負離焦量，即在焦距L 為154mm 的基礎±m。

3.2 試驗方法

將被試焊樣件裝配在小轉盤卡槽中，在固定功率的情況下，調整激光焦點與待焊位置的距離，采用掃描焊，從樣件的端部開始，每間隔10mm 的距離焊接一道焊縫。對不同焦距的焊縫通過金相檢驗，觀察熔深。

3.3 試驗過程

在試驗中按照調節離焦量——激光焊接樣件——已焊接樣件加工處理——金相檢測焊縫的過程進行，具體操作如下：

利用上述已找到的激光焦距L，調節焦點與待焊位置的偏離距離分別為-6mm、-4mm、-2mm、0mm、2mm、4mm，對待焊位置進行焊接，焊接功率為1.5kW。

對不同焦距偏離情況下的焊縫進行標記。

對不同焦距偏離情況下的焊縫，采用線切割方式切割取樣。

對所取樣用240 目、400 目、600 目、1000 目、1500 目進行打磨。

對精打磨后的樣件，采用“王水”進行腐蝕。

對處理后的樣件在手動影像測量儀1.0 倍下，進行觀察和測量。

3.4 試驗數據及分析

3.4.1 熔融深度

通過金相觀察，焊縫的熔深測量數據見表1。

表1 激光焊接偏焦距-熔深對應關系表Table1 Laser welding offset focal distance -fusion depth corresponding relational table

通過表1 和圖1 得出，焦點在偏離-4mm～-2mm 的情況下，熔深超過2mm；焦點在偏離-2mm～2mm 的情況下，熔深1.5mm～1.8mm。

圖1 偏焦距-熔深對應關系Fig.1 Offset focal distance

3.4.2 金相圖

在鏡下觀察經過處理的樣件，通過鏡像看到焊縫的形態如圖2 所示。

4 結術語

光纖型激光焊接設備可采用斜面掃描焊確定激光束焦點，在開始生產前應首先對焦點進行校準，確認焦點位置后方可進行產品的焊接。

激光焊接偏焦距在-6mm～0mm 的范圍內可使焊接熔深大于1.5mm，滿足產品焊接要求；-4mm～-2mm 的偏焦距范圍內，可得到最大熔深。采用負離焦的方式更容易得到較大的熔深；正離焦距離越大得到的焊縫熔深越淺。

圖2 離焦量為-6mm/-4mm/-2mm/0mm/+2mm/+4mm的金相圖Fig.2 The phase diagram of the -6mm/-4mm/-2mm/0mm/+2mm/+4mm phase