1 引言

近20年来,高功率光纤激光器获得了快速发展。与CO₂激光器、Nd∶YAG激光器和碟片式激光器相比,光纤激光器具有更高的加工柔性、更高的功率、更好的光束质量和更低的运行成本等综合优势^[1-2],在焊接领域获得了广泛关注^[3-5]。羽辉是高功率光纤激光焊接中固有的物理现象,与焊接过程密切相关^[5]。有研究表明,在高功率光纤激光焊接中采用超音速横向气帘吹除羽辉,可明显提高焊接熔深和焊缝表面成形质量^[6]。因此,研究羽辉的形成原因便于理解羽辉对焊接过程的负面影响,对优化焊接工艺具有重要的指导意义。

目前,有关羽辉的研究主要包括羽辉的形态观测^[6-8]、羽辉温度诊断^[9-12]、羽辉对焊接过程的影响^[12-13]等。Shcheglov等^[8]发现羽辉有两个具有不同性质的部分:下部分高度约为5 mm,发光亮度很强,为小孔内喷出的金属蒸气形成的弱电离等离子体;上部分的光相对较弱,高度可以达到50 mm,该部分的几何形状类似于激光束的形态。Kawahito等^[11]指出,光纤激光焊接羽辉是周期性波动的,其波动周期约为0.5 ms。Wang等^[14]认为光纤激光焊接羽辉分为同步周期性波动的底部羽辉和浮动羽辉。Zou等^[15]发现在光纤激光深熔焊接中,激光束在小孔前壁表面作周期性向下打孔运动。哈纳^[16]发现小孔前壁角度发生剧烈变化时,羽辉也会发生剧烈变化,且二者的变化周期大致相同,故而推测羽辉是由小孔前壁表面与激光相互作用喷发所致。目前,高功率光纤激光深熔焊接羽辉的形成原因、羽辉的波动与激光束在小孔前壁表面周期性向下打孔行为之间的关系等尚不清楚。

本文采用光纤激光焊接低碳钢和“三明治”模型,利用高速摄像仪观察了羽辉的形貌特征;随后利用配置多重成像镜头的高速摄像仪同步观察了孔外羽辉的动态行为和小孔前壁表面激光致蒸发蒸气的特征;之后通过改变离焦量,研究了光斑大小对小孔口尺寸、羽辉的强度的影响以及羽辉对焊接熔深负面效应的影响;最后结合上述现象,初步分析了羽辉的形成原因。

2 实验方法

本文使用的激光器为IPG公司生产的YLS-6000光纤激光器,其额定输出功率为6 kW。激光的波长为1.07 μm,光束经过芯径为200 μm的光纤进行传输,采用焦长为300 mm的透镜聚焦后获得直径为0.32 mm的光斑。实验中激光器的输出功率固定为6 kW。激光器的光纤头配置于KUKA机械手上,采用DMCB140-M系统控制的移动平台作为运动系统,焊接速度固定为2 m/min。采用Photron公司生产的FASTCAM Mini UX100高速摄像仪拍摄羽辉和小孔形态,高速摄像仪的采集帧数设置为10000 frame/s。

本文采用的平板扫描焊接实验装置示意图如图1(a)所示。高速摄像仪平行于焊接试样拍摄羽辉形态。用波长为808 nm的照明激光照亮小孔口,用高速摄像仪(配置中心波段为808 nm的窄带滤波片)观察超音速横向气帘吹除羽辉前后深熔小孔口的大小。超音速横向气帘到板材表面的距离为5 mm。焊接材料为低碳钢Q235(化学成分为:0.12%C,0.33%Mn,≤0.30%Si,≤0.045%S,≤0.045%P,其余为铁;板材表面无涂层),其尺寸为100 mm×50 mm×10 mm。焊接前对低碳钢表面进行磨削处理,并用丙酮擦拭去除其表面的杂质。

图 1. 实验装置示意图。(a)平板扫描焊接实验;(b)“三明治”焊接实验

Fig. 1. Schematics of experimental devices. (a) Bead-on-plate welding experiment; (b) “sandwich” welding experiment

下载图片 查看所有图片

本文采用的焊接“三明治”试样的实验装置示意图如图1(b)所示。表面抛光的低碳钢与GG17玻璃放置在设计好的夹具上,使它们紧密贴合在一起,构成“三明治”焊接样件。实验中激光束沿玻璃与金属的连接界面进行焊接。采用多重成像方法^[16],利用高速摄像仪(配置自制的多重成像镜头)从玻璃一侧同步观察焊接小孔和羽辉。

3 实验结果

3.1 羽辉的动态特性行为

离焦量为0 mm时,观察到的典型的羽辉形态如图2所示。羽辉可分为两部分:底部摆动羽辉和类似于激光束聚焦形态的狭长形羽辉。底部摆动羽辉为亮白色,沿焊接方向周期性前后摆动,摆动周期约为0.5 ms,如图中直线所示。狭长形羽辉的亮度较底部摆动羽辉明显减弱,为黄橙色,狭长形羽辉的形态类似于激光束的聚焦形态,呈现为不连续的分布状态,且具有向上运动的特征。

图 2. 典型的羽辉形态

Fig. 2. Typical plume shape

下载图片 查看所有图片

由于底部羽辉呈现前后摆动的特征,故定义底部摆动羽辉向左摆动时,其偏离光束方向的角度为负;向右摆动时,偏离光束方向的角度为正。测量连续50张照片中底部摆动羽辉的摆动角度,获得了摆动角度随时间的变化规律,如图3所示。可以发现,底部摆动羽辉的摆动呈现出明显的周期性变化规律,摆动角度在-40°~40°之间,摆动周期为0.5~0.7 ms。

图 3. 底部摆动羽辉摆动角度随时间的变化

Fig. 3. Variation of swing angle of the bottom swing plume with time

下载图片 查看所有图片

选取连续50张羽辉形态图片,利用ImageJ软件测量狭长形羽辉中某一特征亮斑的高度,用连续两帧照片中亮斑高度的差值除以连续两帧照片间的时间,就可以获得狭长形羽辉向上运动的上升速度随时间的变化,如图4所示。当狭长形羽辉的高度从16 mm增加至26 mm时,狭长形羽辉逆着光束方向运动的速度从15 m/min减小至6 m/min。可见,随着狭长形羽辉高度增加,其上升速度呈现出逐渐下降的趋势。

图 4. 狭长形羽辉向上移动速度随时间的变化规律

Fig. 4. Variation of narrow plume rising speed with time

下载图片 查看所有图片

3.2 底部羽辉摆动与小孔波动的关系

在离焦量为0 mm的条件下,采用激光焊接“三明治”试样,并采用配置了多重成像镜头的高速摄像仪进行观察,获得了深熔小孔和羽辉的同步观察结果,如图5所示。可见,实验中获得了清晰的两重像,第一重像中的红色箭头指向底部羽辉的摆动方向,第二重像中的白色箭头则指向小孔前壁表面激光致亮斑的位置。根据第一重像与第二重像,可以同时获得底部羽辉摆动角度与小孔前壁亮斑向下移动随时间的变化规律。但是,与图2所示的典型的羽辉形态不同,在“三明治”焊接实验中,底部摆动羽辉仅沿焊接的反方向摆动,并且由于光强相对较弱,在图片中并未观察到狭长形的羽辉。

图 5. 不同时刻下小孔和羽辉的形态

Fig. 5. Morphology of keyholes and plumes at different time

下载图片 查看所有图片

用底部羽辉偏离竖直方向角度的变化表征底部羽辉的摆动行为,采用小孔前壁表面亮斑到孔口的深度来表征小孔动态行为的变化^[15]。抽取连续的50张图片,同时测量底部摆动羽辉的倾斜角度和小孔前壁激光致亮斑的深度,结果如图6所示。可以看出,小孔前壁亮斑深度越浅,对应的底部摆动羽辉的倾斜角度越大,反之越小。即,底部羽辉的倾斜角度和小孔前壁亮斑深度均呈周期性变化,且两者的变化是一一对应的。

图 6. 羽辉倾斜角度和小孔前壁亮斑深度随时间的变化关系

Fig. 6. Variation of plume tilt angle and bright spot depth of the front wall of the keyhole with the time

下载图片 查看所有图片

未采用多重成像镜头时,通过调节高速摄像仪的感光度获得了焊接小孔和熔池的形态,如图7所示。图中的红线即为小孔的轮廓。可以发现,在激光焊接“三明治”试样中,小孔仅在底部呈细长形,其上部宽度急剧增大。这可能与玻璃、金属间的弱桥联性有关。测量图中小孔口沿焊接方向上的长度,发现其长度大于6 mm。

图 7. “三明治”焊接实验中的小孔形态

Fig. 7. Keyhole shape in “sandwich” welding experiment

下载图片 查看所有图片

3.3 狭长形羽辉的影响因素

上述研究表明底部摆动羽辉的形成与深熔焊接中激光束在小孔前壁表面的激光致强蒸发蒸气有关。为了揭示狭长形羽辉的形成原因,将离焦量分别设置为-15,-10,-5,0,5,10,15 mm,采用高速摄像仪观察了不同离焦量下焊接时羽辉的形貌,结果如图8所示。可以看出:离焦量为0 mm时,羽辉的形态(亮度或大小)最小;随着离焦量增加,羽辉的形态(亮度或大小)增强。该现象表明,从形态上判断,增加离焦量能够使羽辉得到明显增强。

图 8. 不同离焦量下的羽辉形态

Fig. 8. Plume shape under different defocusing amounts

下载图片 查看所有图片

采用超音速横向气帘贴近板材表面吹除羽辉并改变离焦量,对比了吹除羽辉前后深熔小孔口形貌的变化,结果如图9所示。可见,小孔口的直径在1 mm量级。零离焦量焊接时,小孔口的面积最小;随着离焦量增加,小孔口的尺寸逐渐增大。此外,吹除羽辉后的小孔口较未吹除羽辉的小孔口明显减小。

图 9. 不同离焦量下吹除羽辉前后的小孔口尺寸

Fig. 9. Keyhole size before and after plume removal under different defocusing amounts

下载图片 查看所有图片

在不同的离焦量下进行焊接时,测量了吹除羽辉前后的熔深,结果如图10所示。可以发现:离焦量为0 mm时,吹除羽辉后熔深提高的百分比最低;随着离焦量增加,熔深提高的百分比增加;在正负离焦条件下焊接时,熔深提高比例没有显著差异。结合羽辉形态与吹除羽辉前后熔深提高的百分比可知:零离焦量时的羽辉最弱,此时羽辉对焊接过程的影响最小;随着离焦量增加,狭长形羽辉逐渐变强,羽辉对焊接熔深的负面影响逐渐增大。

图 10. 不同离焦量下吹除羽辉后熔深提高的百分比

Fig. 10. Percentage increase of penetration after plume removal at different defocusing amounts

下载图片 查看所有图片

4 分析与讨论

在光纤激光深熔焊接过程中,激光束直接作用于小孔前壁,并沿光束方向向下作周期性打孔运动^[17]。在小孔前壁表面,激光致蒸发蒸气的逸出方向垂直于前壁表面,当蒸气靠近孔口时,最利于金属蒸气的逸出,故而底部羽辉的倾斜角度最大。随着小孔前壁表面激光光斑作用位置向下移动至接近小孔底部时,小孔前壁表面激光致蒸发蒸气依然沿小孔前壁的法线方向喷发,但受到小孔后壁、前壁的多次阻挡,蒸发蒸气在孔内经过多次反射,最后沿接近小孔轴向(光束方向)喷出,故而此时底部羽辉的倾斜角度最小。

在光纤激光扫描焊接过程中,底部摆动羽辉沿焊接方向前后波动,而在“三明治”焊接过程中产生的底部羽辉仅沿焊接的反方向波动(如图2、5所示)。根据扫描焊接中小孔口直径约为1 mm(见图9)以及“三明治”焊接中出现的小孔形貌(见图7),画出了两种焊接条件下的小孔示意图,如图11所示。图11(a)为光纤激光扫描焊接下典型的小孔形貌,小孔形态偏细长形,小孔前壁底部激光致蒸发蒸气在孔内发生多次反射,最后从孔口逸出;由于激光致蒸发蒸气经过了孔壁的多次反射,故而逸出方向或前或后。图11(b)为激光焊接“三明治”模型中典型的小孔形貌,小孔口尾部更长;当小孔前壁上的激光致蒸发蒸气位于小孔底部时,其在喷发过程中仅在小孔底部发生多次反射,故而逸出孔口后形成的底部羽辉仅向焊接反方向波动。

图 11. 典型小孔形态与“三明治”焊接方法中的小孔形态

Fig. 11. Typical keyhole shape and “sandwich”welding keyhole shape

下载图片 查看所有图片

上述分析表明,在光纤激光焊接中,光束在小孔前壁沿光束方向的周期性向下打孔行为是底部摆动羽辉周期性波动的原因。姜梦^[17]对不同环境压力下激光焊接羽辉的特性进行研究后发现,随着环境压力不断降低,底部摆动羽辉逐渐消失。该现象进一步佐证了底部摆动羽辉确实与孔内喷发的金属蒸气有关,真空环境对底部摆动羽辉(金属蒸气)存在明显的抑制作用。Katayama等^[18-19]在真空环境下进行焊接后发现,随着真空度提高,从小孔内喷出的金属蒸气迅速消失,但在小孔上方仍存在与激光束形态相似的羽辉的狭长形部分。由于真空环境会抑制金属蒸气团聚成颗粒,故而推测在光纤激光焊接中,蒸气由小孔内喷发时会携带大量微粒,狭长形羽辉的形成主要与激光束加热该部分微粒发光有关。

在高功率光纤激光焊接过程中,底部羽辉呈周期性摆动状态。当底部摆动羽辉偏离激光束时,孔内喷发的金属蒸气及其携带的微粒就会进入焊接空间,其温度、亮度均会随着热量的散失而快速降低,故而采用高速摄像仪不易观察出这部分羽辉的形态。而当孔内喷发金属蒸气逆着光束方向喷发时,金属蒸气中携带的微粒便会进入激光束内,微粒在光束的加热下发光形成羽辉,故而狭长形羽辉类似于激光束的聚焦形态,如图12所示。

图 12. 狭长形羽辉形成示意图

Fig. 12. Schematic of narrow plume formation

下载图片 查看所有图片

狭长形羽辉的强度与深熔小孔口的尺寸均随着离焦量的增加而增大。离焦量增大势必导致光斑直径增大。一方面,光斑直径增大将导致激光的功率密度降低,光束中的微粒越不易气化消失,故而增加离焦量将导致微粒对激光束传输的负面影响更严重,焊接过程更不稳定,而这又将导致产生更多的微粒。另一方面,光斑直径越大,从小孔口喷出的蒸气中携带的微粒进入激光束内的概率便越大。上述两方面因素可能是狭长形羽辉强度随离焦量增大而增强的主要原因。总之,狭长形羽辉的形成与底部摆动羽辉沿光束方向喷发时携带的微粒进入光束内、受激光束加热发光有关。

5 结论

在本文实验条件下,可以获得如下结论:

1) 高功率光纤激光焊接羽辉分为底部周期性摆动部分和类似于激光束聚焦形态的狭长形部分。当小孔前壁表面激光致蒸发蒸气靠近小孔口时,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最大,反之,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最小。底部羽辉的摆动角度在-40°~40°之间,摆动周期为0.5~0.7 ms。

2) 狭长形羽辉的强度、小孔口的大小、羽辉对焊接过程的负面影响,均随着离焦量的增加(或深熔小孔口直径的增大)而增大。在相同的离焦状态下,吹除羽辉后,小孔口直径明显减小,焊接熔深则明显增加。小孔口直径在1 mm量级。

3) 底部周期性摆动羽辉的形成与小孔前壁表面激光致蒸发蒸气的喷发有关;小孔内喷发羽辉中存在大量微粒;狭长形羽辉的形成与底部摆动羽辉沿光束方向喷发时携带的微粒进入光束内、受激光束加热发光有关。