中厚鋼板萬瓦級光纖激光焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　摘要： 文中從萬瓦級光纖激光深熔焊接熔池行為及羽輝特性、焊接缺欠的抑制、焊接工藝的開發(fā)及工程應(yīng)用等方面，對相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及存在的問題進行了比較系統(tǒng)地闡述和分析。其中，對于中厚鋼板的激光焊接，在功率達到萬瓦以上時，如何保證焊縫質(zhì)量是目前萬瓦級激光焊接技術(shù)能否獲得應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一，而羽輝的存在是影響萬瓦級激光焊接穩(wěn)定性的一個主要因素，利用側(cè)吹法、局部負壓法和真空法可以在很大程度上降低羽輝對激光能量的影響;此外，焊縫塌陷和底部駝峰的產(chǎn)生也是阻礙萬瓦級激光焊接技術(shù)應(yīng)用的主要技術(shù)難題，通過改變焊接姿態(tài)、采用電磁支撐系統(tǒng)、底部氣壓法或焊縫背面強制成形的方法有助于獲得良好的焊縫成形。

　　關(guān)鍵詞： 萬瓦級光纖激光; 焊接; 中厚鋼板; 研究現(xiàn)狀; 發(fā)展趨勢

　　0前言

　　隨著船舶、核電等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對中厚鋼板的焊接提出了更高的要求。目前國內(nèi)中厚鋼板的焊接主要采用窄間隙弧焊，其中以窄間隙埋弧焊和窄間隙TIG為主，也有窄間隙激光焊的應(yīng)用探索[1]。相對于傳統(tǒng)弧焊方法，窄間隙弧焊可明顯地減少焊接道數(shù)，能在一定程度上減小焊接變形并提高焊接效率;此外，窄間隙激光填絲焊[2]和窄間隙激光電弧復(fù)合焊[3]也是中厚鋼板焊接的重要研究方向。但無論是窄間隙弧焊還是窄間隙激光焊，由于需要多層填充，均難以滿足更高效率的焊接需求。

　　近年，萬瓦級高功率激光焊接已成為國際上熱門的前沿焊接技術(shù)之一，利用萬瓦激光的超高功率密度，可獲得具有更大深寬比特征的焊縫，相同板厚條件下，采用萬瓦級激光焊接可在很大程度上減少焊道層數(shù)，從而降低層間清理次數(shù)并減少不必要的坡口加工等，可極大提高焊接效率，特別是在中厚鋼板的焊接中具有高效優(yōu)質(zhì)焊接技術(shù)優(yōu)勢。因此，萬瓦級激光焊接技術(shù)的研究，對于解決國內(nèi)艦艇、核電等重大領(lǐng)域中厚板優(yōu)質(zhì)高效加工具有重要的科學意義及應(yīng)用價值。文中對相關(guān)萬瓦級光纖激光焊接技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了匯總分析，主要涉及相關(guān)技術(shù)特點、熔池行為特征、羽輝物理特性、焊接缺欠的抑制以及焊接工藝的開發(fā)應(yīng)用。

　　1萬瓦級激光焊接技術(shù)特點

　　萬瓦級激光焊接工藝窗口更窄，因為相比千瓦級激光焊接，萬瓦級激光功率密度更高(其激光束功率密度可達1×107～1×108 W/cm2)，焊接熱過程更加復(fù)雜，極高的激光功率使得材料在極短的時間內(nèi)被加熱、熔化并發(fā)生劇烈的汽化，焊縫熔池金屬蒸發(fā)更加劇烈，焊接過程不易控制，特別是熔透時很難達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，易出現(xiàn)表面塌陷及底部駝峰。萬瓦激光焊縫成形及常見缺陷[4]，如圖1所示。此外，由于焊接羽輝對激光的屏蔽作用會隨激光功率的增大而急劇增強，因此萬瓦激光焊接過程中產(chǎn)生的大量羽輝，會對入射激光產(chǎn)生強烈干擾，降低激光能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性，進而導(dǎo)致焊接過程穩(wěn)定性變差。

　　2萬瓦級激光焊接熔池行為及羽輝特性研究進展

　　2.1萬瓦級光纖激光焊接熔池行為研究現(xiàn)狀

　　萬瓦級激光焊接過程中，飛濺等焊接缺欠的產(chǎn)生與焊接熔池的行為密切相關(guān)，特別是激光匙孔的劇烈波動直接影響到焊接過程的穩(wěn)定性。激光匙孔縱截面形態(tài)，如圖2所示。因此，國內(nèi)外學者對匙孔的動態(tài)行為作了較多研究，常用方法包括高速成像技術(shù)、實時X射線檢測及“三明治”觀測法，其中三明治法能夠比較直觀的觀測到匙孔內(nèi)部狀態(tài)，是匙孔特性研究的主要手段之一。

　　有關(guān)研究指出，在非穿透狀態(tài)下，當激光功率相對較低時(20 kW以下)，飛濺主要在匙孔后沿產(chǎn)生，且其前期形態(tài)主要為后沿隆起的金屬液柱[5-6]，形貌如圖3所示。

　　圖3匙孔后沿液柱形貌對于匙孔后沿液柱的產(chǎn)生，Li等人[7]通過“三明治”觀察方法分析了其形成過程，如圖4所示。作者指出，后沿液柱的產(chǎn)生主要與匙孔內(nèi)壁形成的“凸臺”有關(guān)，其中后壁“凸臺”在粘性摩擦力的作用下不斷向上轉(zhuǎn)移，當其轉(zhuǎn)移至匙孔開口處時向上隆起并形成液柱。此外，李時春還指出，由于凸臺下面壓力較低且不受激光直接照射，部分蒸氣沿著匙孔前沿向下流動，在匙孔底部遇到向上噴發(fā)的蒸氣時便會產(chǎn)生蒸氣渦流，而這會導(dǎo)致熔池金屬的不規(guī)則運動，同時會在匙孔后壁產(chǎn)生氣化波，當氣化波在小孔開口處破裂后，往往會伴隨有飛濺、液柱產(chǎn)生。

　　也有報道指出，當激光功率超過20 kW后，飛濺主要產(chǎn)生位置會有所改變。比如，馮立晨[8]在激光功率增加到30 kW時觀察到匙孔前沿區(qū)域產(chǎn)生液柱及飛濺的概率明顯增加。但是，作者并沒有對匙孔邊沿不同區(qū)域產(chǎn)生金屬液柱概率不同的原因、液柱演變規(guī)律等給出規(guī)律且詳細的認識。

　　同樣基于“三明治”觀察法，Zhang等人[9]從匙孔內(nèi)部受力角度，對全熔透焊接時焊縫下表面飛濺的形成原因進行了研究，如圖5所示。研究指出，底部飛濺產(chǎn)生的關(guān)鍵驅(qū)動力是蒸氣流的高速運動所產(chǎn)生的粘性摩擦阻力。基于上述分析，Zhang等人[10]指出焊縫上下表面產(chǎn)生的較多飛濺，從而造成焊縫填充不足是焊縫表面產(chǎn)生凹陷的原因之一。

　　對于焊縫底部駝峰的產(chǎn)生，陳根余等人[11]認為匙孔前壁產(chǎn)生的“凸臺”對底部駝峰的形成有重要影響。此外，有研究指出，通過施加電磁場可在一定程度上減少背面駝峰的產(chǎn)生，而Qi等人[12]從熔池金屬流動方面解釋了中厚板萬瓦級激光焊接過程中，外加電磁場如何防止焊縫根部下垂和脫落，研究指出電磁力通過減弱對焊縫背面液體的靜壓力來補償表面張力的不足，從而改變?nèi)鄢亟饘俚牧鲃有裕诒砻鎻埩碗姶帕Φ墓餐饔孟拢吖β始す馊弁负附訒r的穩(wěn)定性得以提高。然而，采用“三明治”也有一定的局限性，因為是與高溫玻璃貼合，匙孔沒有形成完全的閉環(huán)，其受力狀態(tài)也會與實際焊接時的狀態(tài)存在一定差異。

　　2.2萬瓦級光纖激光焊接羽輝特性研究現(xiàn)狀

　　高功率激光焊接時，焊接羽輝會對入射激光產(chǎn)生折射和散射等作用，大幅降低到達工件表面的激光能量，導(dǎo)致焊接熔深無法達到預(yù)期的深度，且對焊接過程的穩(wěn)定性以及焊縫質(zhì)量有著較大影響。因此深入了解萬瓦級激光焊接時羽輝特性及其對焊接過程的影響機制具有重要意義。目前，對羽輝的研究主要是利用光譜儀、激光探針及高速成像技術(shù)等手段、并從羽輝溫度、電子密度及其對入射激光的折射率和衰減系數(shù)等方面[13-14]進行分析，常用方法如圖6所示。

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