激光焊接体能量及其对焊缝熔深的影响

0 前言

    激光焊接，特别是激光深熔焊接是一个非常复杂的物理化学过程，涉及到激光—材料—等离子体之间的相互作用。但是在激光焊接过程中影响并决定焊缝熔深等焊缝成型状况的是激光功率、焊接速度、离焦量及焦点尺寸等焊接规范参数，其中离焦量（在激光焊接中，一般用离焦量来表征激光光斑及焦点尺寸）是焊缝熔深的重要影响因素之一。

    在电弧焊中，人们常采用焊接线能量或热输入(二者的单位均为J·m^-1)来描述和评价焊接过程中电弧电压、焊接电流和焊接速度等焊接规范参数对焊缝熔深的影响，但是这两个参数都没有考虑电弧作用面积对焊缝熔深的影响。

    如果用电弧焊中的焊接线能量或热输入来综合评价激光焊接过程中焊接规范参数对焊缝熔深的影响，则不能反映离焦量及焦点尺寸对焊缝熔深的影响。若考虑离焦量的影响，用热输入来评价激光焊接过程中焊接规范参数对焊缝熔深的影响，则容易和电弧焊中的热输入在物理意义上混淆。

    目前，在激光焊接的研究中，还没有一个参数能够综合体现焊接规范参数对焊接过程的影响。为了综合评价激光焊接过程中焊接规范参数对焊缝熔深的影响以及区别电弧焊中的热输入，本文定义了焊接体能量，并研究了Nd:YAG激光深熔焊接过程中焊接体能量对焊缝熔深的影响。

1 焊接体能量的定义

    为了能够综合评价激光功率、焊接速度、激光辐照面积（离焦量）以及焦点尺寸等焊接规范参数对焊缝熔深的影响，引入焊接体能量的概念，并将焊接体能量qV的定义为：

     （1）

    式中：Q——激光功率；

    V——焊接速度。

    S——为辐照在小孔内的激光束光斑面积，实验用的Nd:YAG激光器经焦距为200 mm的透镜输出的激光光斑面积与离焦量关系的拟合关系式为：

     （2）

    式中：∆z——离焦量；

    R0——激光束焦点半径。

    因此，焊接体能量又可以表示为：

     （3）

    从焊接体能量的定义中可以看出，焊接体能量的物理意义为单位时间内的激光功率密度或单位面积内的焊接线能量，其单位为J·m-3，不同于电弧焊中焊接线能量和热输入的物理意义和单位J·m-1。

    从焊接体能量的定义可以看出，焊接体能量可由激光功率、焊接速度、及离焦量及激光束焦点半径计算得出。图1为焊接体能量随激光功率、焊接速度和离焦量等焊接规范参数的变化。从焊接体能量的定义及图1中可以看出，焊接体能量与激光功率成正比关系，与焊接速度成反比关系，与焦点尺寸成平方关系，而与离焦量成指数关系。焊接体能量的变化能够体现激光功率、焊接速度、离焦量等焊接规范参数的变化。

2 焊接体能量对焊缝熔深的影响

2.1 试验条件

    实验用的激光器为额定功率为2 kW的Nd:YAG固体激光器，输出波长为1.06 μm的连续波激光，激光束由内径为0.6 mm的光纤传输，经焦距为200 mm的透镜聚焦输出激光束焦点半径为0.3 mm，工件为250×100×1.8 mm 的Q235钢板，同轴保护气为Ar气。

(a) 激光功率

(b) 焊接速度

(c) 离焦量

图1 焊接体能量随焊接规范参数的变化

    本文的主要目的在于研究焊接体能量对焊缝熔深的影响，因此为了减少接头形式及其尺寸等因素的影响，实验采用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，并且只测量工件未焊透时的焊缝熔深。

    通过激光功率、焊接速度、离焦量的离散变化实现了焊接体能量的变化。实验过程中的焊接规范参数变化如表1所示。

表1 焊接规范参数的变化