一、激光焊側吹氣介紹

激光深熔焊接過程中,當激光功率密度達到 106Ｗ/㎝ 2 以上時，工件表面溫度隨加熱時間的延長而迅速上升，產生熔化、氣化。蒸汽壓力和強烈蒸發現象導致的反沖壓力能夠克服熔 化金屬表面張力和液體金屬壓力而在工件內部形成一個“匙孔”，“匙孔”形成后發生壁聚焦 效應使得對激光的吸收率大大增加。“匙孔”內金屬蒸汽會以很高的速度從“匙孔口”噴出。蒸汽中的起始自由電子通過逆韌致輻射吸收激光能量而被加速，直至有足夠的能量碰撞電離材料和周圍氣體，使電子密度雪崩般增長，在小孔的內部和上方形成高溫高密度的等離子體。在高功率密度的激光焊接過程中，等離子體的溫度高度 10000K左右，致密的等離子體會對入射激光束產生強烈的吸收、散射和折射作用，使激光能量受到極大的損失。因此在高功率密度激光焊接過程中，對光致等離子體的控制非常必要。從光束軸向和側向吹輔助氣體不僅可以抑制周圍環境氣體對焊縫附近區域的污染、改善激光能量的耦合和傳輸過程，而且這種方法較為靈活，比較有效和實用，所以在實際應用中普遍采用。通過沿激光束軸向或側向吹輔助氣體，可以削弱等離子體，使焊縫熔深增大、焊接過程穩定。側吹工藝效果的影響因素較多，本文結合激光焊接等離子體高速 CCD攝影的方法研究了側吹噴咀高度、側吹角度、側吹氣體流速對激光焊接過程的影響。

二、實驗設備

試驗中使用的焊接設備是方圓FWK50 型YAG 激光器，最大功率 500Ｗ。試驗中同時采用頂吹和側吹兩種保護氣流，保護氣為氬氣。頂吹噴咀內半徑為 4 ㎜，側吹噴咀內半 徑 2.5 mm。試驗材料是厚度為 2mm的 SUS304 不銹鋼平板，焊前用丙酮對試板進行清洗。試驗為激光束平板掃描。

實驗過程中側吹氣體采用前保護方式， “a”表示送氣距離，是光軸和側吹噴咀下端的距離；“h”表示側吹噴咀高度，是側吹噴咀下端和工件上表面之間的距離； “α”表示側吹角，是側吹噴咀軸線和水平方向之間的夾角；“H”表示頂吹噴咀高度，是頂吹噴咀下沿和工件上表面之間的距離。

在焊接過程中使用 Phantom590 高速攝影機沿垂直焊縫對稱面的方向對等離子體的動態行為進行拍攝。拍攝頻率為 1000 幅/秒。

三、實驗結果

側吹噴咀高度的影響

1、在其它試驗條件分別保持不變，側吹噴咀高度為 1 ㎜、3 ㎜、4.3 ㎜、5.5 ㎜、7 ㎜時焊縫的熔透情況、表面熔寬和等離子體的形態。焊縫熔透率表示焊縫中熔透部分的累計長度和焊縫總長度的比值。

2 側吹保護氣流速的影響

比較研究了側吹保護氣流速為 0L/min、5L/min、10L/min、15L/min 時焊縫的熔透情況、 表面熔寬和等離子體的形態，其它試驗條件分別保持不變

3 側吹角度的影響

當側吹角度為 0°、20°、45°時焊縫的熔透情況、表面熔寬和等離子體的形態，此時其它試驗條件分別保持不變。

四、試驗結果分析

對噴咀高度取不同值進行比較研究的結果，可以看出側吹噴咀高度 對焊接結果的影響十分顯著。隨著側吹噴咀高度值由小到大的變化，熔透率由幾乎為 0 迅速上升，試驗中當噴咀高度為 5.5 ㎜時熔透率達到 100﹪，繼續增大噴咀高度到 7 ㎜，熔透 率仍為 100﹪，同時焊縫背面熔寬略有增大，說明在試驗條件下，隨著側吹噴咀高度值由小到大變化，激光能量和工件的耦合在不斷增強。隨著側吹噴咀高度值由小到大變化，正面焊縫熔寬逐漸減小、背面熔寬逐漸增大，表明增大側吹噴咀高度將能夠得到更大的熔深。

側吹噴咀高度對激光焊接過程的顯著影響與其對激光焊接等離子體的控制作用有關。通過高速攝影得到的不同側吹噴咀高度下的等離子體形態。在薄板激光焊過程中工件表面上方的等離子體云團有兩種典型的形態：焊透時出現的體積較小的等離子體云團；未焊透時出現的體積較大的等離子體云團。熔透率不等于 100%時，焊接過程中等離子體云團在兩種典型形態之間變換，同時在每一種典型形態下等離子體體積又做著幅度 很小的波動。熔透率等于 100%時，焊接過程中等離子體云團始終呈現較小的體積，同時做幅度很小的波動。在本試驗條件下，隨著側吹噴咀高度值由小到大變化，等離子體呈現較小體積形態的幾率在不斷增大，當噴咀高度取 5.5 ㎜時，這一幾率增大到 100%。

對側吹保護氣體流速取不同值進行比較研究的結果。可以看到，當側吹保護氣體流速為 0 時，工件上方的等離子體云團尺寸十分大，強烈的屏蔽效應使得工件上沒有形成明

顯的熔池。當側吹保護氣體流速增加到 5L/min 時，等離子體在兩種典型形態之間變換，但其未焊透時的體積比側吹流速為 0 時小。當流速增大到 10L/min 后，等離子體始終呈現體積較小的形態并且作幅度很小的波動，此時熔透率為 100%，并且焊縫正面熔寬減小，背面熔寬增大。當流速增大到 15L/min 時，等離子體始終呈現體積較小的形態、作幅度很小的波動，并且等離子體平均體積比流速 10L/min 時小。此時熔透率仍為 100%，與流速為 10L/min 時相比較，焊縫正面熔寬變大，背面熔寬基本相同。但是，由于側吹流速較大，熔池表面的成形變差，焊接過程中飛濺嚴重。

對側吹角度取不同值進行比較研究的結果。試驗條件下，側吹角為 0°、20°時 等離子體均呈現體積較小的形態，熔透率均為 100%，但側吹角為 20°時焊縫正面熔寬略有 減小、背面熔寬明顯增大。當側吹角為 45°時，等離子體在兩種典型的形態之間變換熔透率下降到約 50%，背面熔寬和正面熔寬較側吹角為 20°時均有所減小。

流速為 10L/min側吹角為 20°時的試驗條件下合流角均約為 40°， 這兩種情況下焊縫背面熔寬值都是其同組實驗中的最大值，論證了文獻中合流角 40°時增大熔深最強”的結論。試驗中的合流角都是 40°，可見在最佳合流角度下側吹噴咀高度對焊接過程有著顯著的影響。

五、結論

利用 CCD 高速攝影試驗研究了側吹保護氣流在不同側吹流速、側吹角度和側吹噴咀高度對不銹鋼薄板的 激光焊接過程中等離子體形態、焊縫熔透率和熔寬的影響。實驗結果表明，側吹噴嘴高度對激光焊接過程有顯著的影響；頂吹氣流和側吹氣流的合流角約為 40°時焊縫背面熔寬最大；正確的選擇側吹工藝可以使等離子體云團的平均體積、平均高度趨向減小，從而使焊縫的熔透率增大，背面熔寬增大。

（1） 正確的選擇側吹工藝可以使等離子體云團的平均體積、平均高度趨向減小，從而使 焊縫的熔透率增大，背面熔寬增大。

（2） 側吹噴咀高度對焊接過程有顯著的影響，本文試驗條件下，隨著側吹噴咀高度增大， 等離子體云團的平均體積、高度減小，焊縫熔透率和焊縫背面熔寬增大，正面熔寬減小。

（3） 頂吹氣流和側吹氣流的合流角約為 40°時焊縫背面熔寬最大。

（4） 在薄板激光焊過程中工件表面上方的等離子體云團有兩種典型的形態，熔透率不等于 100%時，等離子體云團在兩種典型形態之間變換，同時在每一種典型形態下體積做幅度很小的波動。熔透率等于 100%時，焊接過程中等離子體云團始終呈現較小的體積，同時做幅度很小的波動。

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2015-0423