應(yīng)漁鋒 朱楓江 孟洋

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激光深熔焊具有高精度、高能量密度、焊縫深、熱影響區(qū)較窄、焊縫美觀、高效率的特點(diǎn)，自1960 年由美國人提出后，至今在汽車和航空制造材料加工上應(yīng)用廣泛[1]。激光焊接中聚焦激光束于材料表面，以加熱融化，起到加工作用。其優(yōu)勢是集中激光光束于較窄區(qū)域，以高能量密度熱源快速作用于材料。

一、激光深熔焊原理及304 不銹鋼應(yīng)用

激光焊接按其匙孔（小孔）產(chǎn)生分為熱傳導(dǎo)焊接及深熔焊接。激光深熔焊本質(zhì)特征是有小孔效應(yīng)，在其焊機(jī)過程中，高能量密度激光照至待焊材料面上，部分被材料反射，部分被吸收，使材料的表面溫度迅速升高、融化產(chǎn)生汽化，金屬蒸汽膨脹壓力導(dǎo)致液體金屬面出現(xiàn)凹陷，進(jìn)而產(chǎn)生凹坑，其凹坑底部受激光束直射產(chǎn)生新蒸汽，加深凹坑，形成匙孔[2]。匙孔內(nèi)蒸汽受高密度激光產(chǎn)生電離，形成高溫等離子體。匙孔形成過程只需幾毫秒，匙孔及等離子體改變激光和材料的相互機(jī)理，深入材料內(nèi)部，使材料加大對激光束的吸收。

304 不銹鋼是奧氏體不銹鋼，其特點(diǎn)是塑性、韌性較高，耐蝕性好，無磁性，大量應(yīng)用在航空航天、核工業(yè)、常壓容器、生物化學(xué)領(lǐng)域。有關(guān)學(xué)者對304 不銹鋼MAG 焊接接頭及性能的研究顯示，其焊接接頭抗拉強(qiáng)度不低于母材，塑性較好。但因添絲、人工焊接，其線能量不是很穩(wěn)定，易出現(xiàn)焊渣、弧坑氣孔、裂紋缺陷，熱影響焊接變形大。M.T.Liao 研究顯示，保護(hù)氣體成分對焊接接頭及力學(xué)性能影響較大，當(dāng)CO2含量較大，飛濺嚴(yán)重，焊縫會出現(xiàn)鐵素體。杜偉哲對304 不銹鋼的激光深熔焊的工藝試驗(yàn)研究顯示，激光焊接工藝參數(shù)和焊縫成形的關(guān)系，得出了熔池形狀回歸方程，揭示了功率、速度及離焦量對焊縫成形的影響[3]。

二、激光深熔焊接304 不銹鋼的熔池溫度場研究

激光深熔焊過程較復(fù)雜，受多維、多參數(shù)影響，且是快速反應(yīng)過程，材料融化、汽化及焊縫凝固結(jié)晶都伴有不同的物理化學(xué)過程，包括傳熱傳質(zhì)、相態(tài)變化、小孔、等離子產(chǎn)生。所以，應(yīng)加大對激光熱源處理，根據(jù)熱傳遞機(jī)制，計(jì)算熔池及溫度場，尋找適宜的焊接形式，以確保有效的焊縫質(zhì)量。熔池、溫度場對焊接工藝參數(shù)、質(zhì)量都有較大的聯(lián)系，控制好焊接中熔池、溫度場能有效保證焊縫成形及質(zhì)量。一般采用圖像分析及數(shù)值模擬獲得熔池和焊接參數(shù)關(guān)系，通過試驗(yàn)和計(jì)算兩種方法研究熔池特征，以對焊接熔池進(jìn)行預(yù)測，建立溫度場數(shù)學(xué)模型。目前常用的數(shù)學(xué)模型是Rosenthal 熱源模型。因激光深熔焊的深度比為8:1，小孔呈細(xì)長型，能吸入全部射光能力，經(jīng)其內(nèi)壁熱傳導(dǎo)給金屬周圍，將激光束看為線熱源，對其進(jìn)行Rosenthal 熱源模型研究，能顯示焊接熱變化類型、范圍、對材料及各參數(shù)影響。

激光和材料相互作用時，兩者能量轉(zhuǎn)換為守恒定律，即材料入射激光能量=材料反射能量+被材料吸收能量+激光透過材料能量。不銹鋼對激光吸收率較高，若激光功率越大，材料溫度升溫越高，材料吸收率也越大。材料表面的狀態(tài)也會影響激光吸收，越粗糙，反射率越低，吸收率越大，且激光加熱材料時，會出現(xiàn)氧化及污染，會加大材料吸光。而小孔產(chǎn)生是激光吸收的分界線，一旦汽化出現(xiàn)小孔，激光吸收率會突變，受等離子體和激光作用，不再與激光波長、材料特性、表面狀態(tài)相關(guān)，小孔效應(yīng)可增加材料吸光率。激光焊接時，材料的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散、等壓比熱熔也會隨溫度發(fā)生變化。金屬受激光熱量體積會發(fā)生變化，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，這份熱量就是熔化熱。且在焊接過程中液態(tài)還會轉(zhuǎn)為氣態(tài)，整個過程中的熱物理參數(shù)變化較大，要利用Rosenthal 熱源模型進(jìn)行合理的計(jì)算，以控制焊縫成形。

三、激光深熔焊接304 不銹鋼的參數(shù)控制

激光深熔焊接有較大的熔深熱影響區(qū)，其焊接工藝參數(shù)對熔深有極大的影響，主要包括三個工藝參數(shù)：激光功率、焊接速度、離焦量[4]。

（一）激光功率

激光功率是沒有考慮導(dǎo)光或聚焦影響的、由激光發(fā)射出的功率，對焊接的熔深有較大的影響。而光斑直徑在不受其他條件影響下，焊接熔深會隨激光功率增大而增加。

（二）焊接速度

在激光功率條件不變下，提高焊接的速度，會使熱輸入密度值降低，焊接熔深隨之減小，所以，降低焊接速度可有效加大熔深。但若焊接速度過慢，會增加熔寬度，熔深反而不會增加。是因?yàn)榧す馍钊酆附舆^程中，金屬蒸汽反壓力是推動小孔的動力，當(dāng)焊機(jī)速度過低，熱輸入量增加，金屬熔化增多，其汽化反壓力無法維持小孔存在，小孔無法加深，甚至消失，無法保證及增加熔深。且金屬汽化的增加會使小孔溫度提高，等離子體濃度升高，增加激光吸收率。所以，焊接速度的有效控制對熔深影響較大，應(yīng)做好其控制，確保焊縫成形。

（三）離焦量

離焦量對焊接材料表面激光光斑的大小、光束射入方向都有較大的影響，進(jìn)而影響熔深、熔寬、橫截面。若離焦量較大時，熔深較小，出現(xiàn)傳熱焊接，當(dāng)離焦量降低至某值，熔深呈跳躍性增加，小孔產(chǎn)生，但此時的熔深并不穩(wěn)定，會隨離焦量的微小變化產(chǎn)生較大變化。熔深最大焦點(diǎn)位是焊接材料的表面下某處，即負(fù)離焦量，一般為表面下-1.5-1.5mm 位置，其焊縫成形最好。

四、總結(jié)

通過綜述可知，激光深熔焊中，熔池、等離子體、小孔等物理過程因素影響著焊縫成形及質(zhì)量。所以，應(yīng)加大計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，采用Rosenthal 熱源模型加大熱源控制，并根據(jù)材料選擇適宜的焊接方法、焊接工藝參數(shù)，以預(yù)防及減少焊接成形缺陷。