侧吹气体对不锈钢薄板激光焊接焊缝成形的影响

1、40稀有金属材料与工稈35卷第笳卷增刊22006年&月稱有金原材料与工程RARE ME聃L MATERIALSAND ENGENEERING侧吹气体对不锈钢薄板激光焊接焊缝成形的影响张林杰I张建勋J王蕊I，巩水和2(1.西立交通大烯金厲材料强度国家重点实验嘔，陕西西空710049(2.北克航空制造匸讯硏究所.北京100024)搞 要：为了研究側吹气怵对C6激光焊埠缝成砸的廉响及挂机理+金小锈钢薄板匚5激比炸接过种用乱遽敦字摄 像机拍摄了不同侧吹匚艺参数下導离子体的动态变化过裡.结果表明：顶吹气流和恻吹气流的&流角约为40°时炸缝 背面熔宽壘大"喷嘴髙度和流連

2、变化对薄板殺光焊焊魅贱形有显善的影响；薄板激光：W过軽屮.件我閒1:方的答 离子休云团有曲种视型的形态分别对应于一种典壁的焊缝形状即焊透时出现的橫截面価积较人-的“样”形炸駅和 未烁透时出现的横截面面积较小的“钉"形焊縫。关键词：傭吹保护气七C6激光焊接：CCD爲速摄霸：烁缱成形中图法分类号：TG斗箱；文itt标谓码：A文章编号；1002用5X200®E2-039 061994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 40稀有金属材料与工稈35卷1994-20

3、10 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 40稀有金属材料与工稈35卷收到初稿日期：2005-02-25：收到修改稿日期：2005 IM5墓金顼目上国家教育部博I.点基金(20030698018)和国家自然科学堆金(50475093)盛助顶H作介帐林态臥1973年生，在读博 匕 西安交通火学材料学院+陕西 西安710049,电应02982663115. E-mail： zljspacc 163 com1引言COg激光焊接过程中，高功率巒度的激比束照射 到工件表面.材料被迅速地熔化、蒸发

4、*在工件匕方 形成蒸汽云团“在以很高的邃度离开工件表面的过程 中，蒸汽云团的一部分会位于入射光束的路径上愛 到加热在一定的条件卜会迅速电禺，产牛等离子体。 光致零离子体形咸后会通过逆韧致辐射吸收和折射对 入射光束产生屏蔽效应影响激光能量与工件的耦合 从而影响熔深的大小、气孔的产生和焊缝的成分组织 等等【人国内外研究者针对如何抑制、消除co滋光焊接 过程中的光致等离子体进行了很多研究，提出了很多 种光致等离体控制方法包括脉冲缴光焊接法、澈光 尖峰焊接法、低压或真空焊接法、外加电臓场控制法 和吹辅助气体法等I現其中欢辅助气休的方法在实践 中应用除为广泛。M.H.Glowacki对各种混合保护气体作

5、了较为系 统的研究唐霞辉等人研究了气体流疑、气体种类、 喷嘴角度、喷嘴高度的影响*指出对不同种类气体只 要流速适当.保护气体压力大于等离子休压力都可以 获得最佳焊缝W 肖荣诗等人的研究结果衷明不同辅 助气休对等离子体屏蔽临界功率密度的愍响上要取决 于气体的导热性和解离能，按零离子体屛蔽临界功率 密度由小到尢的排列顺序为:Ar-N2-CO2-He|6L Hamadou M,等人研究了不同侧保护方式、喷嘴形狀尺 寸、侧吹气体流速以及工件坡口总状对焊縫熔深、熔 宽和悍缝表面氧化程度的能响【讥匸晦兴等人通过数 值模拟的方法研究了辅助q体对激光感生竽离f休温 度场和速度场的影响匸张家等人试验研究了侧吹

6、角度、侧吹流速以磺有无顶吹保护气流对熔深的彫响, 结果表明侧吹气流和顶吹气流的合流角与水平方向成 时对焊缝璃深作用墟强本文结合CCD高速摄影的方法研究了侧吹气体 对不锈钢薄板COz激光焊接焊缝成形的影响2试验条件焊接试板是SUS304不锈钢，厚度为2 mm,试板 尺寸为 100 mm X 200 mm o表I SLS3U4不镌钢的化学成分Tabkl Chemical camposition of SUSJO (m/%ElecnentCS；i MnNiCrPsContent0.0711 2RIT17-190 0350,(B激光焊接设备是PRC3000型快速轴流 g 澈比 器* TEM0H最大功率

7、3000W*试验为激光束半板打 描，不填充焊丝辅助气体顶咬喷嘟内半轻为4皿口 测吹喷嘴内半径2 5 mm.用PhantomV4.0高連摄影机对激比炸接等离f休 的动态行为进行抵摄摘摄频率为1000 fe/s时町得到 分辨率为512X512像累的图片.所冇试验都是在高能束流加工技术国篆電点实验室进行的3试验内容试验中恻吹辅助慄护气为氮气口采用前尿护方式, 如图I所示.试验中热源和摄像机固定宀f表示工 件运动速度宀"表示侧吹喷嘴高度，是侧吹喷嘴下端 和工件上我面之何的距离：“表示侧吹角.是侧吹 喷嘴轴线和水平方向之啊的夹角；“AT表示顶吹喷跚 烏度，是顶吹喷嘴下沿和工件上表面之间的距离。

8、在激 比焊接过程中用PhantomV4T0高速摄影机沿垂直于焊 缝对称面的方向对激光焊接等离子休的动态行为进厅 捕攝，拍摄频率为1000幅&每道焊缝拍摄為"Laser beamSide nozzleCoaxial noz?lcPlasmat.图1试验装近示盘期Fig Schematic of the experimental st-up整个试验过程中下列参数保持不变：澈光功率为 2kWi焊接速度为1.5 m/min：顶吹气体流速为 4.SL/min；顶吹喷嘴高度12mm共逬行了 3组试验；第组试验庄侧吹喷嘴高度分别为I mm. 3 mm. 4乜mnv 5.5 mm> 7

9、 mtn的情况下进行了不锈钢薄扳 的激光焊接试验，以研究喷嘴高度变化对焊缝成形和 等离子体光信号的第响.试验中侧吹角度为23：侧 吹气体流速IQL/min.第二组试验对比研究了侧吹角度为20%侧吹喷 嘴高度为5.5mm的情况下，侧吹保护气休流速变化对 焊缝成形以及等离子休形态的影响。侧吹保护气体流 速的取值分别为 0L/min( 5L/min( lOL/min, 15L/minfl第三组试验研究了侧吹角度分别取0% 20。和4严 时的吗缝成形以及等离子体的形态。试验中侧吹喷嘴 商度为7 mm；侧吹气体流速为lOL/min,4结果与讨论4, 1侧吹喷嘴高度的影响图2屋不同侧吹喷嘴阳度下的焊缝熔透

10、率、焊缝 熔宽和等离子体面枳的平的值。其中"Srt是2s时间 内等离子体面积的平均值；焊缝熔透率“严表示焊绻 中熔透部分的累计长度与焊缝总长Z比：w表示焊 缝熔宽；“胪是侧吹喷嘴高度口由图2日和2b可见，侧吹喷嘴高度对激光焊烁缝 成形的影响很大。在试验条件下.侧吹喷嘴高度増大 时，熔透率和焊缝背面熔宽增大，焊缝正面熔宽逐渐 减小°喷嘴高度为5.5 mm时熔透率达到100%,继续 增大喷嘴高度到了 mmr熔透率仍为100%,同时焊缝 背面熔宽略有増大。Height of Side Nozzle, A/mm图2不同恻喷嘴高F的熔透率和粵离子体屮均面祝2和不同侧喷嘴高下的坤缝熔唸

11、山)Fig.2 Penetrated rate and average plasma area al different h (s) and u/idlh of weld seam)L diflertnt h (b)FUJF-d 4 誉4>A<侧吹喷嘴高度对焊接结果的影响与其对激光焊接 等离子体的作用有关"庄图器可且看到当测吹喷嘴高 度增大时，等离子体呼均面积逐渐减小，说明随着侧 吹喷嘴高度值由小到大变化，等离子体屏蔽效益逐渐 减弱.到达工件的激光能量在不断增大。图3是不同测吹喷嘴高度下等离子体面积随时闾 的变化情况宀"表示某対刻等离子体的面积口从 图中可以看到

12、在薄板CO工激光焊接过程中.工件袤面 上方的等离子体云团冇两种典吃的形态：炸透时出现 体枳较小的等离子体云团：未焊透时出现休积较人的1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 增刊2张林杰等：侧吹气林对不锈钢薄板激此焊接炸縫成形的影响等离子休云团。熔透率等于创时，焊接过程中零 离子体云团始终呈现较小的体积，冋时做幅度很小的 波动。在本试验条件下，随着侧吹喷嘴岛度值由小到 人变化，等离'子体呈现较小体积形态的儿率在不断増 大，当喷嘴高度取5.5 mm时这 几率100%

13、.图4是侧吹喷墉高度对焊缝橫截面形貌的團响。 结合图3可以知道，当喷嘴咼度为1mm时，辅助体 不能有效地抑制光致等离子休+到达工件的有做能最 及其功率帝度减小焊缝橫截面积减小在王件内部 只能形成个盲孔.在小孔上方炽热等离子体的加热 作用、孔内高速气流的对液态孔绘的强烈摩療作舟以 及表面张力拂度骡动的对流作用下形成了胞空的 “钉”形焊缝.当喷嘴高度为5.5 mm时，光致等离子 体得到有效地抑制，焊缝横截面积增大*工件内部形 成个通孔，孑L内气流可从上下芮个开口流岀，原擦 作用没有盲孔时强烈，焊缝下我而附近形成一个尺寸 较小的“钉头”，焊缝上表面附近的“钉头”特征基本 消失，焊缝橫截面整体呈现“梯

14、"形特征“文献9】的研究表明“测吹气和顶吹气的合流埔零 于4CT时iff大熔深最强S本文图2中各次试验条件下 的合流骨均为407可见在最住合流角度下侧吹喷嘴 髙度对焊接过程有看显著的影响。60050040030020010fl0mmn nn <i ni s3 n7 片 aV U*W *Xill -a -U9Anu*4U*iX HXTime,旳A=5.S mm图3h= mm和h=5S mm时警离f休画积的变化Fig.3 Plasma area history a( A=1 mm and A=5J mm0.25 mm图4测吹怖嘴战度对烽翳横載面形貌的影感Fig.4 Efleets

15、of"h" on weld geometTy:mm+and(b)A=5.5 mm4.2侧吹保护气体流速的影响侧吹保护气体流速的变化对焊缝懈透情况*焊缝 表面熔宽以及等离子体形态影响的试验结果见图5和 图6,图中符号 W 義示侧吹保护气体流速。loo-EE rs-< Emsiqrsx80604020? “出罔 paltaauud1086U1UJE PHM "so由图5可见当侧吹臊护气体流速从0幵始増大时, 等离子体平均面枳很大，并缓慢减小。所以此时熔透 率很低，而且增长很缓慢。当流速Xi; 5L/mmJn .等 离子体平均面积迅速减小*激光能駅和件的耦合柞 用

16、迅速增强，熔透率以很人的速度増长，焊缝背面熔 宽增大焊缝止面熔宽逐渐减小.当测吹保护气体流 速大于lOL/min后.等离了体平均面积很小，同対等 离子休平为面枳减小瓦变得十分缰慢。此时熔透率増 长速度也变得很低，但是熔透率很髙.而焊缝背面熔 宽基本不变，焊缝正樹熔宽逐渐增人.从虹匕分析可 以看出，在保证100%熔透率的前提心 侧吹保护气 体流速的理想取值应该尽可能霏近尊离子休平均血积 陡降区的低端.62Flew Rut* of Assist Gas, PL mm图5不同侧吹流連下的焊缝席透率和零禺休平均囲稅和 不同侧狀流連下的焊缝煤宽小)Fig.5 Penetrated rale and av

17、erage plasma area at difTenent V(a)and width of weJd scmed at di傩rent V(b)图6是不同侧吮保护气体流速卜竽离f休面积随 时间的变化情况。当侧吹保护气休流速为0时匸件 上方的等离子体云团尺十分大，强烈的刖蔽效应使 得工件卜.没有形成明显的熔池*当侧吹保护气体流速1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 42稀有金.属材料®匚榨35卷增刖到5L/min吋，未焊透时的等离子体尺寸比侧吹流 速为0时

18、小。当流速人于lOL/min后，等离子休始终 呈现体积枚水的形态并R作幅度很小的波动，其中流 速为巧L伽中时的等离子体平均体积比流速为 10L/min时小。怛是，流速为15L/min时由于侧吹流 速较人，焊缝衣面的成形变差。1000EE Bill亘dEEfe- *mj<FLOW弗5:6004(X)200SOOH=0L/minaK-1 OL/min0.00.5 VO 152.02.53.C1000SOO6004002(Xi00.00.5 L0 L5 2,02.53.0吹气体流速为IOL/min时，辅助气休有效地抑制了光 致等离子体，在工件内部形成-个通孔.形成了'梯” 形特征的全穿

19、透焊缝。4,3保护气体侧吹甬度的影响恻吹角億分别取（y 2（r利4亍时，焊缝的熔透情 况、焊缝表面熔宽以及焊接等离子体形态分别见图8 却图典图中"口”表示测吹喷嘴轴线和水平方向之 间的夹角，其它符号的含义与前文相同。从图8可以看到，当侧吹角从（T增大到20*时. 焊缝正面熔宽略有减小、背面熾宽明显增大，熔透率 仍为100%（说明此时随角度的增大，缴光能量耦合 作用增强，当恻吹紡继续增大到4尸时，焊缝背面熔 宽和正面熔宽都有祈减小，熔透率F降到约50%,说 明此时激光能屋耦合作用随角度的增大而减弱口激光 能量耦合作用的这种变化可以由等离子体的行为得 到解释口从图蘭可以看到，当侧吹角从沪

20、增大到2少 时，等离予体平均面枳有所减小。当侧吹角继续增大 到斗賢时等离子体平均面积显著增大侧吹角为0% 2胪时等离子体均呈现体积较小的形态.而当侧吹角 为斗5。吋.等离予体在两种典空的形态之闾变换（如 图9所示）。圏$ 阻OL/min和 RWLFmin时等离产体閒积的变化何和e 5L/mm和/=ISL/mm时等离子体面积的变化(b)Fig.6 Plasma arva history at V= OL/min and K= 10 L/min (a) andpla$ma area history 詆 1=5L/min and 15 I/min (b)图7圈吹流速对焊缝横戡血强貌的第响Fig.7

21、KfTects of "K1 on teld geometry: （a） r=SL/mii,and lb） F= 10L/min图7是侧吹气体流速对焊缝横截面形貌的影响.当侧吹气休流速为5L/min时，辅助气体不能有效地抑制光致等离子休，形成了典型的"钉”形焊缝“当侧ai Mm palmpu蛊Inclination Angle of Side Nozzle a/()图8不同恻吹角度下的悍缝熔透率和等离子休平均曲积和 不同侧吹角度下的炸縫熔宽(b)Fig.8 Penetrated rate and average p La Etna area aL difierem (a)

22、and width of weld al different ide nozzle inclination angle (b)1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 44 韩有金属材料与匸祥35卷L- 卜 L 1 - b _ J. L r J, F ooow 0 000x)loMK)loM)o 6 4 2 0 8 6 4 2rouoooo till 7 6 5 4 3 _z 1 .1 g ISE f-首dd000.S1.01.52.02.53.0l line, t/s图

23、9侧映喷嘴角度为时等离子体血枳的变化山)和劇吹啪嘴 箱度为4刖时等离f休面积的变化Fig.9 Phsr& area history at a = 0D(a) &nd plasma atea higlo叮 at a=45b)图10是侧吹角度对焊缝横截面形貌的影响"当侧 吹角度为45。时，辅助气体不能有效地抑制光致等离 子体，形成了典型的杯钉”形焊缝"当侧吹气体流速 为胪时，辅助气体较为有效地抑制了光致等离子体， 得到全穿透并具有“梯”形特征的焊缝°5结论1）当侧吹喷嘴髙度増人时等离子休云团的平禺 体积减小，焊缝熔透率增大焊缝背面熔宽增人，焊 缝正面熔

24、宽减小。2）当测吹气体流速增大时，等离子体云团平血体 积减小，焊缝的熔透率増大.焊缝背而熔宽增人，焊 缝正面熔宽减小。3）顶吹气流和侧吹气流的仟流角约为40。吋，等 离子体云团平均体积堆小，焊缝背面熔宽最儿4）等离子体云团有2种典粮的形态”2种形杰出 现的频率和熔透率有关.未焊透时出现体积较人的等 离子体云团悍缝横截面为“钉”形焊缝横載面面 积较小；充分焊透吋出现体积较小的等离子体云团. 焊缝横截面呈"梯”形，焊缝横蔽面面积较人“参考文就 ReferencesII） Dul即 W W. Laser %肋飓1- New York: Jhcjn Wiley & Sons Inc,

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28、f" 口"on weld gecmetry:fa) o h 沪、and (b) =4,"Effects of Side Assist Gas on Weld Shaping in Laser Welding Process ofThin Stainless PlateZhang Linjie't Zhang Jianxun1, Wang Rui*> Gong Shuili2(1. State Key Laboratory of Mechanical Behavior for Maier ialst Xi'an Jiaotong University Xi'an 710049tChina)2- Beijing Aeronautical Manufacluring Technology Researcti Instituie, Beijing 00024tChina)Abstract； The effects of $ide-Hcwn opeNiing parameier； on the behavior nf laser induced p(asma and the weld scam geometry have been studied with the 耳 id u