大熔深激光焊氣孔抑制技術(shù)

宋 凡，潘 攀，陳曉江，唐 磊，劉生建

(1.上?？臻g推進研究所，上海 201112；2.上海空間發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

隨著深空探測技術(shù)的快速發(fā)展，空間發(fā)動機中的大熔深激光焊需求急劇增多(熔深h>1.5 mm)。氣孔是激光焊縫中最普遍存在的缺陷，而目前行業(yè)內(nèi)尚無系統(tǒng)性的控制理論基礎(chǔ)，因此激光焊技術(shù)的應(yīng)用瓶頸逐漸凸顯，導(dǎo)致在產(chǎn)品設(shè)計熔深較大時只能讓位于電子束焊。因此需要從空間發(fā)動機的典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)出發(fā)，探索研究有效的激光焊氣孔抑制技術(shù)，得到可以工程化使用的專門工藝方法，從而提高本單位激光焊的能力上限，降低生產(chǎn)成本和制造周期，擴寬設(shè)計人員的發(fā)揮空間。

1 技術(shù)要求

為明確焊接參數(shù)與焊縫內(nèi)部產(chǎn)生氣孔的定量化關(guān)系，引入氣孔率作為評估標的。定義氣孔率P為氣孔直徑Ap之和與焊縫全長Aw比值[1]，即

P=∑Ap/Aw×100%

(1)

空間發(fā)動機激光焊接頭的常用材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，其焊接簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。焊后需對焊縫進行多項質(zhì)量檢查，具體技術(shù)要求見表1。

圖1 大熔深激光焊接頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic structure diagram of the laser welding joint

表1 大熔深激光焊接頭技術(shù)要求

Tab.1 Technical requirements of the laser welding joint

熔深/mm氣孔率爆破性能/min耐壓性能/min氦氣漏率/(Pa·m3·s-1)1.5～4.0I級≤3%70 MPa53 MPa35 MPaII級≤5%≥5≥15≤10-7

2 工藝試驗

激光深熔焊氣孔按形成原因可分3類：①母材受污染而產(chǎn)生的成分性氣孔；②焊接過程中匙孔不穩(wěn)定而導(dǎo)致的工藝性氣孔；③保護氣或空氣卷入匙孔而形成的混入性氣孔。

對于成分性氣孔，需要通過焊前嚴格清理來減少和避免。對于工藝性和混入性氣孔，需要從焊接過程出發(fā)以分析。大阪大學(xué)Mizutani/Matsunawa、華中科技大學(xué)陳俐、哈焊所王威等人[2-5]的研究表明，在相對穩(wěn)定的激光深熔焊過程中，光束通過孔壁的多次反射到達匙孔底部，金屬蒸汽的周期性強烈噴發(fā)變化導(dǎo)致匙孔和熔池的高頻振蕩波動。當某個時刻孔底的波動超過一定限度后，若干個孤立的氣泡就會應(yīng)運而生，如果氣孔離熔池表面的距離過遠，或液態(tài)金屬的凝固速度過快，或氣泡上浮逸出的動力不足，則它們最終將殘留于固態(tài)焊縫中而形成氣孔。因此合適的工藝參數(shù)能減小匙孔的波動頻率或幅度，或形成較好的熔池環(huán)境以利于氣泡的逸出，從而可以抑制氣孔超標現(xiàn)象的產(chǎn)生[6]。

2.1 正向離焦焊思路

為了探究功率、速度、離焦量、入射角等因素對氣孔行為的影響規(guī)律，在固定其他參數(shù)的基礎(chǔ)上對這4種參數(shù)進行了正交試驗(定義焦點在工件上方時離焦量為正、光束向后仰時入射角為負)。焊后剖切檢測熔深并逐一進行射線拍片，最終所得熔深和氣孔率隨參數(shù)而變化的情況如圖2所示。

在得到每個特定熔深的前提下，當速度和功率的搭配發(fā)生變化時，焊縫的氣孔率有所差別(熔深<1.85 mm時，慢速低功率的焊縫氣孔率更低；熔深≥1.85 mm時，快速高功率的焊縫氣孔率更低)。正向離焦和負角入射更有利于抑制氣孔生成，并且正向離焦的作用更明顯。通過實驗發(fā)現(xiàn)，離焦量增至8 mm及以上時，過大的熔寬和熱輸入對接頭成形和結(jié)構(gòu)精度造成了不利影響；此外負角過大時光束深熔轉(zhuǎn)變區(qū)間大幅延后，因此這兩項參數(shù)不宜設(shè)置過大。

圖2 工藝參數(shù)改變時焊縫氣孔率與熔深的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Relationship of the porosity and the welding depth by the change of process parameters

有研究做了匙孔振幅與激光功率/焊接速度的關(guān)系仿真[7]，計算表明當激光功率線性減小或焊接速度線性增大時，匙孔振幅也顯著減小。在以較小功率作低熔深焊接時，匙孔的振蕩已經(jīng)比較穩(wěn)定，此時即使提高焊接速度，其促進穩(wěn)定振蕩的作用相對不明顯。而提升速度會縮減光束在當前位置的加熱時長，即匙孔的存續(xù)時間更少，導(dǎo)致金屬蒸氣完全噴出的概率降低，因此從氣孔生成角度來說，提升速度起的消極作用更大。反之在以較大功率作高熔深焊接時，匙孔的振蕩非常不穩(wěn)定，高速促進穩(wěn)定振蕩的作用為主，最終表現(xiàn)為焊縫內(nèi)的氣孔更少。

正離焦時熔池表面的光斑比實焦時更大，并且光束呈圓錐形發(fā)散狀，功率不變時功率密度更低，即需要提高功率以造成相同的熔深。此外有研究[8]表明，光束在孔內(nèi)進行多次吸收和反射時，主要的光能都在1～3次的反射位置被吸收，而正離焦相較于實焦和負離焦來說，相同反射次數(shù)的位置更靠上[9]，即匙孔上沿的受熱比例更高。加上更高功率帶來更多的金屬氣化量，正離焦時匙孔的開口程度更大，熔池橫截面形狀趨于三角形而非丁字形，匙孔閉合所需的時間也更長，金屬蒸氣更容易完全噴出，即正離焦時焊縫氣孔數(shù)量更少。

理想的匙孔形態(tài)一般為倒直立的圓錐，然而在實際的焊接過程中，由于光束的連續(xù)移動和熔池的黏滯作用，匙孔會發(fā)生向后的彎曲變形[10]。當光束入射角為負時，光束相對于前進方向輕微后仰，導(dǎo)致匙孔下部的后彎程度有所減小，即匙孔的整體形狀更趨于豎直。此時激光功率和焊接速度不變，因此熔池匙孔的總長不變，即留給金屬蒸氣噴出的路程不變。考慮到越豎直的匙孔越利于蒸氣順暢地噴出，蒸氣越不易于殘留在焊縫內(nèi)，即最終焊縫內(nèi)部的氣孔更少。

綜上，第一種抑制氣孔的工藝思路為：常規(guī)激光焊接頭、稍快的焊接速度、正向大幅提高離焦量、負方向適當傾斜入射和輔以大功率補償熔深。

2.2 光斑掃描焊思路

前一節(jié)的焊接技術(shù)開發(fā)于某種功能單一的老式激光焊機，該焊機只具備單激光、單光束和固定光斑的硬件功能，而近年來通過改進設(shè)備來實現(xiàn)抑制氣孔的新方法日益增多，例如激光電弧復(fù)合法、雙光束法、光斑掃描法等[11-14]。上述方法的核心目的都在于通過改變光斑的作用形態(tài)，進而擴大匙孔的口徑和減緩孔口閉合的速度，創(chuàng)造有利于蒸氣逸出和氣泡上浮的環(huán)境，從而實現(xiàn)減少工藝性氣孔的目的[15]。

在光斑掃描焊模式下，可調(diào)整的掃描參數(shù)為波形S、頻率f和幅度A(半長)。在固定其他參數(shù)的基礎(chǔ)上對這3種參數(shù)進行了正交試驗，最終所得熔深和氣孔率隨參數(shù)變化的情況如圖3所示。

圖3 掃描參數(shù)改變時焊縫氣孔率與熔深的對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship of the porosity and the welding depth by the change of scan parameters

在得到每個特定熔深的前提下，對于幾種常見的掃描波形來說，O形掃描的焊縫氣孔率更低；最優(yōu)的掃描頻率范圍為100～150 Hz，過高或過低的頻率都會減弱氣孔抑制效果。掃描幅度越大氣孔率越低，但考慮到幅度較大時頻率會受影響，而且焊縫表面寬度不宜過大，因此最優(yōu)幅度范圍為0.4～0.6 mm。

在光斑掃描激光焊中，光束按照一定的波形、幅度和頻率做規(guī)律性擺動。首先光束的橫向運動減少了縱深向的熱輸入，即減小了匙孔熔池的深寬比；其次掃描導(dǎo)致光斑附近的焊縫發(fā)生反復(fù)重熔，即延長了液態(tài)熔池的停留的時間；最后光束的擺動導(dǎo)致匙孔隨之擺動，可以對液態(tài)熔池起到一種規(guī)律性的攪拌的作用，從而改變了熔池內(nèi)溫度場和流體場的分布狀況，重塑了液態(tài)金屬傳熱和對流的模式。以上幾種作用都會形成有利于氣泡浮出的熔池形態(tài)，從而對抑制甚至消除氣孔起到了明顯的作用[16]。在幅度一定的情況下，頻率決定了光斑對熔池的攪拌程度；在頻率一定的情況下，幅度決定了光斑對熔池的攪拌面積；而波形的區(qū)別在于根本上改變傳熱和傳質(zhì)的形式，例如1形是橫向重熔攪拌；一形是縱向重熔攪拌，O，8及∞形是橫縱向兼有但側(cè)重度不同。這些攪拌參數(shù)都直接決定著匙孔的形態(tài)和穩(wěn)定性，從而對氣孔傾向產(chǎn)生不同程度的影響。

綜上，第2種抑制氣孔的工藝思路為：振鏡擺動激光頭、普通的焊接速度、正向少許提高離焦量、垂直入射、O形掃描波形、100～150 Hz掃描頻率、0.4～0.6 mm掃描幅度。

2.3 穩(wěn)定熔透焊思路

前兩節(jié)的焊接模式為非熔透焊模式，即整條焊縫的最大熔深小于工件的壁厚。隨著激光焊的線能量逐漸增大，熔池和匙孔會向縱深處發(fā)展，當熔池剛好穿透而匙孔尚未穿透時，匙孔前壁高速向下流動的熔融金屬克服表面張力流出工件背面，該金屬液柱在冷卻時凝固成明顯的背面余高，此時的焊接模式為臨界熔透焊。當熔池和匙孔都穿透工件時，大部分金屬蒸氣在高壓的作用下從下孔口噴出，同時匙孔周圍的熔融金屬在蒸汽反沖力的驅(qū)動下向下流動，并在克服表面張力的作用后脫離熔池形成背面飛濺，直接導(dǎo)致焊縫背面不再有明顯余高，此時的焊接模式為穩(wěn)定熔透焊。

為了探究熔透程度因素對氣孔行為的影響規(guī)律，在固定其他參數(shù)的基礎(chǔ)上進行了對比試驗(以背面熔寬/正面熔寬即“背寬比”來區(qū)分熔透程度)。焊后剖切檢測熔深并逐一進行拍片，最終所得熔深和氣孔率隨參數(shù)變化的情況如圖4所示。

圖4 背寬比不同時焊縫氣孔率與熔深的對應(yīng)關(guān)系Fig.4 Relationship of the porosity and the welding depth by the change of back-width ratio

在同樣熔透試件壁厚(h=2/4 mm)的前提下，當背寬比小于0.4(h=2 mm)或0.45(h=4 mm)，即處于臨界熔透焊模式時，焊縫內(nèi)部氣孔數(shù)量較多，氣孔率明顯超過標準要求；當背寬比大于0.4(h=2 mm)或0.45(h=4 mm)，即處于穩(wěn)定熔透焊模式時，焊縫內(nèi)部氣孔急劇減少至3%以下，且當背寬比處于0.6～0.7范圍內(nèi)時氣孔基本消失。考慮到焊縫寬度和熱變形量的結(jié)構(gòu)相性，不建議背寬比大于0.65。

在非熔透和臨界熔透模式下，匙孔直徑較小且只有上部一個開口，在高頻振蕩的熔池內(nèi)部，匙孔中部的提前聚合會將氣體封閉形成氣泡。有研究[4]稱由于穩(wěn)定熔透模式下的匙孔底部也有開口，因此金屬蒸氣逸出的通道數(shù)翻倍且路程縮短，同時較高的熔透功率增大了匙孔的束腰直徑，導(dǎo)致匙孔四壁液態(tài)金屬提前聚合成孔的概率大大減小。

綜上，第三種抑制氣孔的工藝思路為：常規(guī)激光焊接頭、稍慢的焊接速度、表面聚焦、垂直入射、調(diào)整功率保證焊縫背寬比介于0.45和0.65之間。

3 產(chǎn)品模擬件驗證

焊接設(shè)備采用德國通快公司生產(chǎn)的Nd:YAG固體激光器，最大功率為3 kW。焊接過程保護氣為高純氬，吹送方式為旁軸45°后吹。

零件在焊前先用溫?zé)嵛⑸锵匆撼?，后用HF/HNO3/H2SO4混合劑除去氧化膜，再用酒精將除油液和酸洗劑沖凈，最后經(jīng)過80°和1 h的烘干以除去酒精。清理好的零件按圖進行裝配和定位，并裝夾到激光焊機的卡盤上。對焊縫進行回轉(zhuǎn)檢測校調(diào)，保證錯邊不超過0.05 mm，間隙不超過0.01 mm。

焊前須重新標定焦點和叉線，成功后方可編輯參數(shù)開始焊接。3種思路下的具體參數(shù)如表2所示。

表2 產(chǎn)品模擬件激光焊接工藝參數(shù)

第2組橫掃描參數(shù)為：O型波/120 Hz/0.5 mm，焊后對所有焊縫進行無損檢測，同時記錄氣孔和裂紋的數(shù)量與尺寸。對金相試件進行有效熔深檢測記錄，對性能試樣進行爆破強度、耐壓強度和氦氣漏率檢測記錄，最終所得測試結(jié)果如表3所示。

表3 產(chǎn)品模擬件焊縫性能測試結(jié)果

表3顯示所有試件的焊縫質(zhì)量都滿足相關(guān)標準的I級要求，證明3種工藝思路均可有效地抑制激光焊工藝性氣孔。

上述氣孔抑制技術(shù)已應(yīng)用于百、千牛級單、雙組元姿軌控發(fā)動機中，相關(guān)運載、載人和探測動力系統(tǒng)均已經(jīng)過試車和飛行考核。

4 結(jié)論

基于空間發(fā)動機常用的不銹鋼材料，其大熔深激光焊接頭氣孔抑制技術(shù)一般有以下3種：

1)在相同的特定熔深下，隨著焊接速度、正向離焦量和負向入射角的增大，激光焊縫內(nèi)部的氣孔相應(yīng)減少。因此第一種抑制氣孔的工藝思路為：稍快的焊接速度、正向大幅提高離焦量(+4～+8 mm)、負方向適當傾斜入射(-10°)和輔以大功率補償熔深。

2)在相同的特定熔深下，恰當?shù)膾呙璨ㄐ巍⒑线m的掃描頻率和更大的掃描幅度，都會減少激光深熔焊縫的氣孔率。因此第2種抑制氣孔的工藝思路為：普通的焊接速度、正向少許提高離焦量、垂直入射、O形掃描波形、100～150 Hz掃描頻率、0.4～0.8 mm掃描幅度。

3)前兩種非熔透焊模式下抑制氣孔的工藝思路需要大功率激光器或掃描式激光頭，并不適用于功率較低且功能簡單的激光焊機。若產(chǎn)品結(jié)構(gòu)允許背面機械加工，則可采用穩(wěn)定熔透焊模式以替代。因此第3種抑制氣孔的工藝思路為：稍慢的焊接速度、表面聚焦、垂直入射、調(diào)整功率保證焊縫背寬比介于0.45～0.65之間。