萬瓦級掃描激光焊接背面焊縫成形規律研究

李 林，雷 振，孫 謙，曹 浩，趙德民

中國機械總院集團 哈爾濱焊接研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001

0 前言

由于激光熱源相較傳統電弧焊接具有更大的深寬比、更窄的熱影響區和更高的自動化能力，所以激光焊接成為工業領域主要焊接方法之一[1]。隨著激光輸出能力的不斷提高，激光焊接技術已成功拓展至中厚板（3～25 mm）焊接領域，尤其以萬瓦級為代表的高功率（10～100 kW）激光焊接技術已經成為該領域技術突破的一個重要解決途徑[2]。中厚板主要應用于船舶、發電廠、壓力容器、高速列車、起重設備、天然氣管道等[3-4]。由于萬瓦級高功率激光在高能量源多物理場耦合機制作用下，焊接過程不穩定，中厚板單道全熔透焊接背面較難得到穩定均勻成形的焊縫，極易出現駝峰、飛濺、表面不均勻等缺欠[5-6]。所以，尋找一種高效、穩定的萬瓦級激光單面焊背面成形方法迫在眉睫。

國內外研究學者采用多種方式改善中厚板單面焊背面成形。大連理工大學周彥彬[7]采用MAGTIG 雙電弧熱源復合，實現了24 mm 厚鋼板單面焊背面自由成形。Turichin等人[8]利用激光-電弧復合焊接技術實現了14 mm 厚X80 管線鋼一次焊接成形。Yamane 等人[9]開發了一種“變速擺動焊接”的焊接方法，通過MIG/MAG 電弧沿著坡口前后變速擺動來實現中厚板打底焊接單面焊雙面成形，其平均焊接速度為1.7 mm/s。還有學者針對12 mm厚不銹鋼通過背面加陶瓷襯墊的熔化極電弧打底焊工藝獲得了成形美觀、性能良好的接頭，焊前在焊縫背面粘貼陶瓷襯墊以強制成形[10]。

以上方法均是采用外加熱源復合、添加襯墊、開坡口的形式實現中厚板單面焊背面成形，焊接過程繁瑣、焊接效率低、成形質量不穩定，且焊接過程易產生飛濺、氣孔、駝峰等缺欠。掃描激光焊接技術可通過不同路徑改變激光能分布的方式，對促進熔池流動[11-12]、改善焊縫成形[13]、減少氣孔率[14]、減少飛濺[15]等方面有顯著作用，而目前該方法對于解決萬瓦級激光焊接背面成形問題國內外文獻中鮮有報道，屬于基礎前沿技術研究。因此本文提出通過采用萬瓦級掃描激光進行Q235 低碳鋼板單面焊雙面成形試驗，研究各焊接參數對焊縫背面成形的影響，對中厚板的高效、優質焊接具有重要意義。

1 試驗設備及方法

試驗用激光器為IPG-Photonics 公司的YSL-30000 型光纖激光器，最大輸出功率30 kW，試驗用激光槍為IPG-D50-Wobble 掃描激光槍，最大輸出功率12 kW，試驗用機器人為KUKA機器人。材料為8 mm 厚Q235 低碳鋼，尺寸150 mm×50 mm×8 mm。通過掃描激光平板堆焊進行試板單面焊雙面成形試驗，并通過改變單一參數的方法進行工藝參數波動試驗，萬瓦級掃描激光單面焊接雙面成形工藝參數見表1，試驗裝置如圖1所示。

表1 萬瓦級掃描激光焊接單面焊雙面成形工藝參數Table 1 Technological parameters of single-sided welding and double-sided forming for ten thousand watt scanning laser welding

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the testing device

激光光束在焊接過程中始終與焊接方向呈鈍10°角。焊前對試板進行處理，用機械打磨方式去除試板表面氧化膜，之后用無水乙醇溶液擦拭試板表面去除油污。利用線切割取20 mm×10 mm×8 mm金相試樣，用4%硝酸溶液腐蝕試樣，在光學顯微鏡下觀察宏觀組織形貌，最后用Image-Pro Plus 軟件定量測量背部余高的數值大小。

2 試驗結果及分析

2.1 激光功率和焊接速度對焊縫成形的影響

焊縫背面余高在一定程度上可反應焊縫正面的塌陷程度，背面余高與背面熔池重力表面張力平衡狀態密切相關，所以背部余高可以側面反映焊縫熔池內部受力以及表面成形狀態。因此，本研究將余高作為重要評價依據來優化調整焊接參數（對于8 mm碳鋼板來說，一般等級余高≤2.6 mm），控制單面焊背面成形。

經過課題組前期正交試驗設計，在固定離焦量-5 mm、掃描頻率200 Hz、掃描幅度2 mm 的情況下對8 mm試板進行試驗，研究焊接速度為0.3 m/min、0.6 m/min、0.9 m/min、1.2 m/min、1.5 m/min 時焊縫背面的成形情況。受激光器功率限制，焊接速度為1.5 m/min 時均未熔透，故不對速度速度1.5 m/min的焊縫成形情況進行分析。

不同速度下隨著功率變化的焊縫背面形貌如圖2 所示。可以看出，激光功率和焊接速度對焊縫背面成形影響較大。在4 種焊接速度下，焊縫熔透出現臨界功率值分別為4.7 kW、7.3 kW、9.5 kW、10.2 kW時，隨著功率的增加，焊縫均得以實現單面焊背面成形。

圖2 不同焊接速度、不同激光功率下的焊縫背面成形Fig.2 Weld back formation under different welding speeds and laser powers

激光功率和焊接速度對背面余高的影響變化如圖3所示。可以看出，焊速為0.3 m/min時余高變化幅度較大，余高最高能達到2.4 mm 以上，整體呈現不穩定、不連續、不均勻狀態，焊速為0.6 m/min、0.9 m/min、1.2 m/min 時最大余高分別為1.85 mm、1.4 mm、1.94 mm，焊速為0.6 m/min和1.2 m/min時，未達到峰值前，0.6 m/min 背部余高大于1.2 m/min，達到小高峰時，1.2 m/min 背部余高大于0.6 m/min焊速，總體上這兩種焊速下背部余高變化基本一致，而焊速為0.9 m/min時余高一直減小。背面余高最值之差如圖4 所示，0.9 m/min、1.2 m/min 的余高最值之差接近，均能得到背面均勻穩定連續的焊縫成形。

圖3 焊接熱輸入對背面余高變化影響Fig.3 Effect of welding heat input on back reinforcement change

圖4 不同焊接速度的背面余高最值之差Fig.4 Difference between the maximum values of rear reinforcement

上述現象主要與激光能量分布有關。焊接速度較小時，母材受到激光能量密度增大，焊縫的激光能量集中，焊縫冷卻及熔池凝固較慢，熔池金屬堆積，使得焊縫成形較寬，余高較高，在掃描激光作用下背部熔池受力不平衡，使得成形不均勻，且金屬熔化量較多，使得背面成形較寬，背面余高較高，正面塌陷嚴重，焊速為0.9 m/min、1.2 m/min 時激光作用下熔池受力平衡，均能形成均勻穩定的焊縫成形，但是0.9 m/min 焊速背部余高變化浮動更小，工藝更穩定。

2.2 掃描頻率對焊縫成形的影響

在固定焊接速度1.2 m/min、焊接功率11.4 kW、離焦量-5 mm、掃描幅度2 mm 的情況下，對8 mm試板進行試驗，研究掃描頻率在0～400 Hz時焊縫背面成形情況。圖5 為不同掃描頻率下焊縫背面形貌，可以看出，隨著掃描頻率的增大，焊縫成形趨于均勻穩定，功率為150～200 Hz時，成形最穩定，達到穩定成形頻率區間繼續增大頻率，焊縫會出現未熔透或不完全熔透。

圖5 不同掃描頻率下焊縫背面成形Fig.5 Weld back forming at different scanning frequencies from top to bottom

掃描頻率對背面焊縫余高的影響如圖6 所示。由圖可知，隨著掃描頻率的增大，背面余高逐漸增大，最高可達1.6 mm，達到最大值之后，繼續增大掃描激光頻率，會出現未熔透的狀況。

圖6 背面余高隨頻率的變化Fig.6 Change of rear reinforcement with frequency

分析原因為：掃描頻率變化會影響激光光束攪拌熔池的速度以及焊接過程穩定，從而影響焊縫背面成形狀態。掃描頻率較低時，焊接狀態接近單激光，激光行走速度低，穿透性較強，表面凹陷，匙孔深度不穩定，使得背面成形不穩定；當掃描頻率增大到200 Hz 時，焊縫余高約為1.2 mm，此時焊縫表面成形穩定，均勻性也較好；掃描頻率增至250 Hz以上時，背部余高繼續增加直至1.6 mm 以上，之后繼續增加頻率，背部余高降低，甚至出現未焊透情況。掃描激光光束攪動熔池定向旋轉流動，可增加熔池的穩定性，同時增大背面熔池開口使余高增大，但是攪動越快匙孔深度越小，不利于激光的穿透性，所以背面余高下降，甚至未焊透。

2.3 掃描幅度對焊縫成形的影響

在固定焊接速度1.2 m/min、離焦量-5 mm、掃描頻率200 Hz 的情況下，對8 mm 試板進行試驗。改變掃描幅度（1 mm、2 mm、3 mm、4 mm）并調整焊接功率，觀察焊縫背面成形情況。圖7 為不同掃描幅度下焊縫背面成形狀態。

圖7 不同掃描幅度下焊縫背面成形狀態Fig.7 Forming state of the weld back under different scanning amplitudes

由圖7 可知，在掃描幅度為1 mm 的情況下，功率為10 kW時，焊縫成形均勻穩定，隨著功率增大至10.6 kW時焊縫成形不均勻，飛濺較大，部分位置出現焊穿焊漏，未能成形；掃描幅度為2 mm 時，功率低至10 kW時，焊縫未熔透，背面不能成形，隨著功率的增大到10.6 kW，焊縫成形穩定均勻連續，表面光滑，飛濺量少。因此擺動幅度1 mm、2 mm時均能得到單面焊背面成形穩定均勻的焊縫。由圖8 可知，掃描幅度繼續增大到3 mm、4 mm，熔池流動劇烈，熔池流動面積增大，焊縫均未熔透。

圖8 掃描幅度為3 mm-10 kW、4 mm-10.2 kW時焊縫背面成形狀態Fig.8 Forming status of weld back surface at scanning amplitudes of 3 mm-10 kW and 4 mm-10.2 kW

圖9為不同掃描幅度的焊縫背部余高變化。掃描幅度為1 mm、2 mm 時，背面余高的最大值均在1.3 mm左右。

圖9 不同掃描幅度下焊縫背面余高變化Fig.9 Change of weld back reinforcement under different scanning amplitudes

2.4 離焦量對焊縫成形的影響

在固定焊接速度1.2 m/min、掃描頻率200 Hz、掃描幅度2 mm 的情況下，改變離焦量和焊接功率對8 mm 試板進行試驗。研究了離焦量在-10 mm、-5 mm、0、+5 mm、+10 mm 情況下焊縫成形的變化規律，如圖10 所示。由圖可知，不同離焦量均能得到均勻、穩定成形的焊縫，負離焦量時隨著激光功率的增大，焊縫成形更加均勻穩定，達到激光器限定功率12 kW時也成形良好；離焦量為0 mm時，有部分未熔透情況；正離焦量時成形有不連續、部分熔透、成形表面不光滑的情況，因此負離焦成形優于零離焦優于正離焦。

圖10 不同離焦量的焊縫背面成形狀態Fig.10 Forming state of the back of the weld seam with different defocusing amounts

離焦量對背面余高的影響如圖11所示，均在完全熔透的情況進行背部余高測量。由圖可知，零離焦時背部余高整體表現為上升，負離焦時背部余高開始為下降，隨著激光功率的增加而增加，增加到一定值時又一次下降，負離焦背部余高達到峰值的激光功率為11 kW，正離焦背部余高達到峰值的激光功率為11.2 kW，零離焦背部余高達到峰值的激光功率為11.8 kW。-10 mm 離焦量起始背部余高是1.5 mm，-5 mm離焦起始背部余高是1.95 mm；零離焦和正離焦起始余高數值相近，約為1.1 mm。如圖12所示，-5 mm離焦量最值之差最大，-10 mm離焦量最值之差次之，其他零離焦及正離焦最值差數值較小，與成形規律相符合。

圖11 離焦量對焊縫背面余高影響Fig.11 Effect of defocus amount on weld back reinforcement

產生上述的原因可能是與激光能量密度有關，激光功率最高為12 kW，無論激光束焦點在試板中間還是試板下方，均能保持匙孔穩定，熔池穩定流動，正離焦時激光的穿透能力與光束質量有關，當激光束達到焦點以后，激光能量會出現“散焦”現象，能量分布不再集中，穿透力下降，熔池作用復雜劇烈，受到等離子體、金屬蒸汽的影響更大，能量波動導致熔池極不穩定產生脈沖涌動；負離焦時激光匙孔表面開口能量作用較低，金屬波動不劇烈，導致與大氣中的氧反應程度有所變化，因此負離焦相對于正離焦成形更連續均勻，熔池內部所受重力與表面張力平衡，能形成均勻、穩定的背面成形。

圖12 不同離焦量的背面余高最值之差Fig.12 Difference between the maximum back reinforcement of defocus amount

不過離焦量對掃描激光焊接單面焊背面成形的影響原因，涉及到流體力學、熱場、光學，對于背面成形機制、熔池流動狀態、熔池受力情況、等離子體吸收激光能量作用機制也有待于進一步研究。

3 結論及展望

（1）掃描激光可有效改善8 mm 碳鋼單面焊背面成形質量，通過liner（垂直）掃描，200 Hz 掃描頻率，掃描幅度1 mm或者2 mm可實現均勻、連續、根部熔合良好的單面焊背面成形焊縫。

（2）8 mm 碳鋼板萬瓦級掃描激光焊接中，焊接熱輸入對焊縫成形影響較大，通過提高焊接速度至0.9 m/min以上可得到背面成形良好的焊縫。

（3）在掃描激光作用下負離焦、正離焦、零離焦均可得到均勻成形的焊縫，但選用-10～0 mm 之間離焦量，焊縫成形更加穩定連續。

本研究僅從工藝角度探索了掃描激光功率對Q235低碳鋼單面焊背面成形的影響，對掃描激光影響單面焊背面成形的作用機理尚不明確，未來研究方向應從熔池流動在狀態，匙孔形貌，等離子體形態，熔池受力四個方面來研究掃描激光對單面焊背面成形影響機制。