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    304不鏽鋼光纖激光焊接模式影響因素的研究

    作者:admin 來源: 日期:2018/12/9 13:56:33 人氣:9

    為了研究304不鏽鋼光纖激光焊接模式的影響因素,參考均勻試驗設計的思路,以激光功率、焊接速度、離焦量為變量,設計了一組試驗。通過對試驗結果中焊縫成形的分析,獲得光纖激光焊接熱導焊和深熔焊的特征形式;通過定量計算,對焊接模式與各焊接參數及其交互作用之間關係進行分析,確定焊接模式的影響因素。結果表明:304不鏽鋼光纖激光焊共有四種焊縫成形形式,其由熱輸入密度(激光功率、焊接速度、離焦量三者的交互作用)決定。當熱輸入密度小於43.04 J/mm3時,焊縫為圓弧形,對應的焊接模式為熱導焊;當熱輸入密度大於66.82J/mm3時,焊縫為釘頭形或釘狀,對應的的焊接模式為深熔焊。除此之外,還存在一種中間過渡狀態,其所對應的熱輸入密度也處於兩種焊接模式之間。

    激光焊接模式可分為熱導焊和深熔焊兩種。其中熱導焊的熔池金屬沒有氣化,而是通過攪拌運動形成焊縫;深熔焊也稱為小孔焊,是在熔池金屬氣化所產生的金屬蒸汽壓力下形成的[1]。兩者的區別在於激光能量能否引起金屬的氣化。

    現有文獻對CO2激光器的焊接模式進行了定性的研究,結果表明:即使激光功率密度足夠大,能夠使金屬發生氣化,但在一定的工藝條件(一定母材、激光功率、離焦量、焊接速度等)下,激光焊接會從穩定的熱導焊變為穩定的深熔焊;除了激光功率密度之外,焊接速度也是決定激光焊接模式的重要因素。 激光焊接模式對於激光製造具有非常重要的意義。比如對於低熔深的焊接,有時需要熱導焊來增加焊縫寬度從而提高對接焊縫的容錯率;對於超薄材料的封頭焊,有時又需要用盡量小的功率來獲得盡量大的熔深。另一方麵,目前正迅速發展的激光填絲焊[3]、激光粉末焊[4]、激光表麵改性[5]等技術也需要對焊接模式進行精準控製。

    目前廣泛應用的光纖激光和碟片激光等固體激光器與CO2激光的差別較大。筆者之前的研究表明,CO2激光對焊接速度的改變較為敏感,而光纖激光對激光功率的改變較為敏感。

    由於目前對光纖激光焊接模式的研究較少,且缺乏定量的研究。因此,本文研究的主要內容對為304奧氏體不鏽鋼光纖激光焊接的功率密度以及焊接速度對於光纖激光焊接模式的影響及其定量計算。

    2試驗方法及內容

    2.1  激光焊接模式的影響因素

    眾所周知,激光焊接模式的主要影響因素為激光功率、作用於304不鏽鋼的光斑直徑和焊接速度。其中激光功率和焊接速度均可直接獲得,而光斑直徑由離焦量決定。 作用於304不鏽鋼的光斑直徑與離焦量的關係可由下式[1]計算: 21/220041zzMDDDλπéùæöêúç÷=+ç÷êû

     1) 式中  z—— 離焦量,mmDz—— 離焦量為z處的光斑直徑,mmD0—— 聚焦鏡焦點處光斑直徑,0.7 mmM2—— 激光光束質量,31.6; λ—— 激光波長,1.07×10-3mm。 除了上述三種單一因素外,還可以考慮它們之間的交互作用對激光焊接模式的影響。常用的交互作用有激光功率密度、焊接熱輸入等。 計算功率密度時,還需要計算光斑的麵積,其計算公式為: 2zSDπ=

     2) 式中  S—— 光斑麵積,mm2; 激光功率密度表示單位麵積內的激光功率,其計算公式為: 52410zPQDπ=×

     3) 式中  Q——304不鏽鋼表麵的激光功率密度,W/cm2P——激光功率,kW。 焊接熱輸入表示單位長度上304不鏽鋼接受到的總能量,其計算公式為: 310PEv=×

     4) 式中 E——熱輸入,J/mmv——焊接速度, mm/s。 上述激光功率密度和焊接熱輸入均為兩個單一參數之間的交互作用。另外,本文還引入了三種單一參數之間的交互作用——熱輸入密度來表示單位長度上光束作用於304不鏽鋼的激光能量密度,其計算公式為: 32410zQPevvDπ==×

     5) 式中 e——熱輸入密度,J/mm3

    2.2  試驗參數選擇

    本文采用均勻設計法來設計試驗參數,這樣可以通過較少且分布較為均勻試驗參數點來覆蓋較大的焊接參數範圍。

    需要注意的是,均勻設計試驗的試驗參數隻能在單一因素中選擇。對於這些因素間的交互作用可以通過試驗後的回歸計算等方法進行分析,但是其前提是各單一因素對試驗結果的影響是線性的。由於焊接模式的變化是非線性的,故本文在試驗參數設計時還需要考慮各交互作用對激光焊接模式的影響。 首先需要確定所使用的均勻設計表。根據均勻設計使用表可知,考慮三個單一因素時,U*10108)均勻設計表的均勻度的偏差較小,此時的試驗次數為10次,每個因素需要取10個參數點。 由於激光熱導焊需要較小的激光功率密度,故激光功率應在較小的範圍內選擇,本文在0.8~1.7kW(設置值,受到焊機自身配置的影響,實際輸出功率高於設置功率,下文所述的均為實際輸出功率)的範圍內選擇了10個參數,每個參數間隔約為0.1kW。 焊接速度對激光模式的影響未知,故選擇範圍應較大,但是為了避免焊接速度過慢使激光作用時間過度增加造成對激光焊接模式的影響,故在40mm/s~85mm/s的範圍內選擇了10個數據點,每個數據點間隔5mm/s。 離焦量絕對值相同時,正離焦與負離焦的光斑直徑相同,正離焦與負離焦的區別有時並不明顯[2],但負離焦時焊縫內部的功率密度大於焊縫表麵,不能直接反應光斑直徑對焊縫的影響,故本文試驗均采用正離焦。均勻試驗每種因素的試驗點數量相同,故本文離焦量也有10個數據點,分別為09mm(間隔1mm),並計算出相應的光斑麵積。 綜上所述,本文單因素焊接試驗方案如表1所示,為了方便後續說明,表中同時列出了每組試驗參數對應的三種交互作用的計算結果。

    如前所述,設計試驗參數時還需要考慮交互作用的影響。分別將表1所列的10組試驗參數所對應的功率密度和熱輸入按大小進行排序形成新的兩組因素,再將它們分別和對應的焊接速度、離焦量進行比較,此時的試驗點如圖1中的圓點(“●”)所示。

    由圖1可知,兩種試驗點分布較不均勻,如在左圖中,激光功率密度較小時,低焊接速度沒有覆蓋;激光功率密度較大,高焊接速度沒有覆蓋。 故在圖1的兩組試驗點分布中各增加了5個試驗點來提高試驗的均勻性。新增的試驗點在圖1中用三角(“▲”)表示,試驗參數如表2所示。  通過對表1和表2的比較可以發現,表2的焊接參數除了增加試驗的均勻性之外,還填補了表1熱輸入密度4367之間的空白區域。

    2.3 試驗方法

    本研究使用的母材是304不鏽鋼,厚度為6mm;為了排除焊縫間隙的影響,所有試驗直接在平板上進行; 為了避免熔池重力的影響,焊接位置為橫焊,光束垂直於試件表麵。 按試驗方案完成焊接後,在試樣中心取樣並拍攝宏觀金相照片,確定焊縫的焊接模式。

    3試驗結果及分析

    3.1  試驗結果

    20條試驗焊縫中共有4種焊縫類型,如圖2所示,圖2-1a)中的焊縫為圓弧形;圖2-1b)中的焊縫呈三角形,底部沒有明顯的突出部;圖2-1c)中的焊縫呈釘頭狀,底部開始有明顯的突出;圖2-1d)焊縫上部也呈釘頭狀,但底部突出較長,總體呈釘狀。

    3.2  焊縫成形的直觀分析

    如圖2a)所示,焊縫呈典型的熱導焊特征,這可能是由於304不鏽鋼此時已熔化但尚未沸騰,很大一部分激光被反射,激光的吸收率較低; 圖2b)尚未出現深熔焊的特征,但已與熱導焊明顯不同。這一方麵說明此時的“小孔”尚未形成;另一方麵此時的304不鏽鋼可能已經沸騰,一定程度的氣化使熔池的攪拌變得更為劇烈; 圖2c)的焊縫已經具有較為明顯的深熔焊特征,說明此時的“小孔”已經形成; 圖2d)的焊縫除了小孔深度較深以外,“釘頭”部分的形狀並未出現明顯的變化,這說明在“小孔”形成後,很大一部分激光能量被小孔吸收,使小孔深入到焊件內部。 綜上所述,焊接模式從熱導焊變為深熔焊(即小孔的形成),並非一個突變過程,而是存在一個介於兩者之間的中間狀態。

    3.3  試驗結果的直觀分析

    為了更直觀地了解各單一因素以及交互作用因素對焊接模式的影響,將每個因素的參數點按從小到大的順序排列後,其對應的焊接模式列於圖3a-f)中。 由圖3-a-e)可知,單一因素和雙因素的交互作用對激光焊接模式的影響均不明顯。

    3.3.1 激光功率密度的影響

    由圖3-b)可知(需結合表3數據,下同),當焊接速度相同時,經常出現不同的焊接模式,而其中無一例外的,更大的激光功率密度得到的焊接模式更偏向於深熔焊。 由圖3-d)可知,當功率密度較小時,激光焊接模式偏向於熱導焊,當功率密度較大時,激光焊接模式偏向於深熔焊。 進一步分析可知,隨著焊接速度的增加,深熔焊所需的功率密度也相應增加。

    3.3.2 熱輸入的影響

    由圖3-c)可知,當光斑麵積相同時,更大的熱輸入(即線能量)得到的焊縫更偏向於深熔焊。 由圖3-e)可知,當熱輸入較小時,激光焊模式偏向於熱導焊,當熱輸入較大時,激光焊模式偏向於深熔焊。 進一步分析可知,隨著光斑麵積的增加,深熔焊所需的線能量也相應增加。

    3.3.3 熱輸入密度的影響

    如前所述,激光功率密度和熱輸入無法完全決定焊接模式,還需要分別考慮焊接速度或光斑麵積的影響,這恰恰符合熱輸入密度的定義。 而由圖3-f)可知,隨著熱輸入密度的增加,激光焊接模式逐漸由熱導焊向深熔焊改變。  綜上所述,熱輸入密度是可以決定激光焊接模式的因素。當熱輸入密度小於43.04 J/mm3時,304不鏽鋼的焊接模式為熱導焊;熱輸入密度大於66.82J/mm3時,304不鏽鋼的焊接模式為深熔焊。

    3.4  試驗結果的理論分析

    由圖3-d)可知,當功率密度達到2.87×105W/cm2後(試驗號6,11),焊接速度為75mm/s時(試驗號6,焊縫類型“a”)焊縫為熱導焊,焊縫尚未沸騰(部分氣化);而當焊接速度為40mm/s時(試驗號11,焊縫類型“c”)焊縫已經呈較為明顯的深熔焊特征,此時焊縫不僅出現了沸騰,而且已經形成了小孔; 同樣的,當功率密度達到4.02 W/cm2後(試驗號7,14),焊接速度為75mm/s時(試驗號14,焊縫類型“b”) 焊縫已經開始沸騰但尚未形成小孔;而當焊接速度為40mm/s時(試驗號7,焊縫類型“d”)焊縫不僅已經形成了小孔,而且小孔已經開始深入到304不鏽鋼內部; 上述兩個現象說明:功率密度越大,焊縫吸收到的激光束能量越多;而在相同的功率密度下,激光束作用的時間越長,熔池的氣化程度越強。 從能量的角度分析,熱輸入密度決定了單位長度以及單位麵積上304不鏽鋼材料接收到的總能量,能量越大,金屬材料的溫度越高,熔池的氣化程度越強。 而如3.2節所述,隨著熔池氣化程度從無到有到逐漸增強,焊縫依次發生熔化、沸騰、小孔形成以及小孔深入。 綜上所述,熱輸入密度決定了熔池的氣化程度,從而決定了焊縫的焊接模式。

    4結論

    綜上所述,可以獲得以下結論:

    1. 304不鏽鋼光纖激光焊接的典型焊縫形狀為圓弧形、三角形、釘頭形和釘狀;

    2. 上述四種焊縫形式由熱輸入密度(單位長度上光束作用於304不鏽鋼的激光能量密度),即激光功率、焊接速度和光斑麵積三者共同決定;

    3. 當熱輸入密度小於43.04 J/ mm3時,焊縫為圓弧形,對應的焊接模式為熱導焊;當熱輸入密度大於66.82 J/ mm3時,焊縫為釘頭形或釘狀,對應的的焊接模式為深熔焊;當熱輸入密度介於兩者之間時,焊縫為三角形,為熱導焊和深熔焊之間間的一種過渡模式;

    4. 激光焊接模式由熔池的氣化程度決定,而氣化程度則由熱輸入密度決定。

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