大族光子 | 万瓦级激光深熔焊蒸气羽烟抑制及应用

金属材料在极高功率密度激光束照射下，激光能量作用速率远大于材料热传导、对流及热辐射的速率，使得材料表面局部剧烈蒸发汽化，蒸发汽化压力将熔融金属排开形成小孔；金属蒸气进一步在高能密度激光作用下发生电离形成光致等离子体，分布于小孔内部和外部，孔外等离子体及金属蒸气形成孔外蒸气羽烟，采用高速摄影的方法对15kW光纤激光焊接孔外蒸气羽烟进行观察，如图1所示，蒸气羽烟高度可达70mm，并伴随飞溅产生，可对入射激光造成严重干扰。

在万瓦级激光深熔焊过程中，超强的孔外蒸气羽烟对入射激光产生明显的“屏蔽”效应，焊接深度一开始随着激光功率的增加而增大，但当激光功率超过某一值时，焊接深度明显减小，并产生严重缺陷。有研究表明，蒸气羽烟对激光束的折射行为是引起 “屏蔽”效应的根源所在，通过对入射激光束的折射，使激光束产生散焦，明显减弱激光的穿透深度。除对激光束产生折射外，在万瓦级激光深熔焊过程中，孔外蒸气羽烟稳定性极差，蒸气羽烟的扰动对激光束的影响也导致熔池小孔稳定性差，易产生严重的焊接飞溅，且在整个焊接过程中，蒸气羽烟呈现增强—减弱—增强的周期性特点并伴随产生周期性的驼峰成形现象。

根据研究发现，真空条件下可对高功率激光焊产生的蒸气羽烟进行有效控制，即真空激光焊，但真空室造价高，使用不便，极少用于实际应用，本文重点研究基于常压下的多路气体共同作用对蒸气羽烟进行抑制，采用包含侧吹、横吹、拖罩三路气体的侧吹保护装置进行蒸气羽烟控制，其中，侧吹对准熔池，用于熔池位置保护和部分蒸气羽烟吹散，且侧吹气流集中，有益于提高焊缝成形的均匀性；横吹设置于熔池上方较近处，通过横吹高速气流抑制蒸气羽烟的高度，在高度上尽可能的减少其对入射激光的干扰；拖罩置于熔池后侧与侧吹结合进行空气隔离，避免空气卷入熔池产生激烈的氧化反应加强蒸气羽烟的不稳定性，同时，拖罩可对凝固的高温焊缝进行延时保护，减少焊缝氧化，提高焊接质量。

2．1  试验装置

为有效抑制蒸气羽烟，设计了具有三路气流的侧吹保护装置，装置整体结构如图2所示，具有侧吹、横吹、拖罩三路吹气功能。

侧吹保护装置通过连接杆和连接板安装于焊接头上，焊接时拖罩表面与工件表面平行，在焊缝上方左右对称，且位于熔池后侧，如图3所示。

为了达到更优化设计，采用ansys软件对气流进行分析，计算模型及计算结果如图4和图5所示，各路气流流动稳定，焊接保护气体覆盖效果良好。

为检测侧吹保护装置在万瓦级激光深熔焊过程中对蒸气羽烟的抑制效果，激光器采用本公司大族光子20kW光纤激光器，如图6所示。

2．2  试验材料与方法

试验材料选择常用的15mm厚304不锈钢，采用拼接接头进行常规单路侧吹和三路吹气两种焊接方式对比，以考察侧吹保护装置对蒸气羽烟的抑制效果。为了使15mm不锈钢试板单道焊透，需进行大功率慢速焊接，采用较优经验参数进行焊接，激光功率设置为20kW，焊接速度设置为0．8m／min，侧吹保护装置侧吹进气口和拖罩进气口接入焊接保护气，横吹进气口接入压缩空气，侧吹装置与试板的垂直距离为8mm，与激光照射点的横向距离为8mm。为了对比两种焊接方式的差异，除了吹气方式不同外，其余焊接参数均保持相同。