本文研究了激光振蕩焊接對蒸汽羽流、熔池和小孔動力學行為的影響。
摘要
研究了激光振蕩焊接對蒸汽羽流、熔池和小孔動力學行為的影響。隨著振蕩頻率的增加，等離子體羽流的高度和面積減小，羽流形態的穩定性有所提高。在束流振蕩條件下，熔池的形態和流動特征也因合成能沉積而發生變化，從而影響焊縫的凝固過程。圓束振蕩的重熔效果可以消除氣孔的形成，提高焊接質量。
1. 介紹
激光焊接通常是最可取的方法，在精心設計的加工措施，無論是對接和搭接配置。特別是激光深熔焊接具有功率密度高、熱輸入低、熱影響區窄等優點，可以一次完成中厚板的連接，最大限度地減小焊縫零件的變形。然而，由于激光束聚焦在一個非常小的點上，關鍵的邊緣制備和合模精度是激光焊接不可缺少的。此外，由于梁-材料相互作用的不同，焊縫的一致性和無缺陷并不明顯，這嚴重依賴于工藝參數和材料屬性。激光調制技術，如脈沖和振蕩激光模式，已被證明是解決對準問題，調節焊接形貌，抑制缺陷的潛力。因此，激光振蕩焊接正成為材料加工應用的主導方法。
由于其獨特的特性，激光振蕩焊接技術越來越受到人們的關注。激光光斑軌跡的改變可以影響加熱能量分配和熔體流動，從而優化焊縫形狀，抑制焊縫缺陷，細化晶粒，改善接頭性能。然而，振動模式、振幅和頻率的各種參數的選擇將影響焊接的穩定性和接頭質量。我們之前的研究表明，圓束振蕩可以抑制缺陷，細化晶粒，提高工藝穩定性。在補償誤差方面，束振蕩是增加焊縫寬度和工藝公差的有效措施，但振蕩參數對焊縫深度和形狀的影響必須考慮到。焊接梁振動的形成機制主要是焊縫重疊率和焊接模式的轉變。束流振蕩可以調節熔體向擺動模式流動，顯著增加小孔直徑。在熔體中，表面張力效應減弱，提高了小孔的穩健性，降低了氣孔率。
獲得了最佳的顯微結構效果。
值得注意的是，焊縫中可能存在一些隱形缺陷，這也可能導致焊縫質量的下降。為了進一步驗證優化方案的質量，利用LWD300LMDT電鏡觀察了焊縫區100和200量級的金相組織，如上圖所示。從圖中可以看出，晶界分布在焊縫區域的兩側，柱狀晶粒分為兩個方向，且保持均勻。細小柱狀晶有利于提高焊縫的強度、彈性和韌性。熱影響區較窄，有利于減少焊接變形。此外，焊縫中不存在氣孔、凝固裂紋等微觀缺陷，這些缺陷會顯著降低焊縫質量。總的來說，得到的最優解的顯微組織能滿足焊接接頭的要求。
束流振蕩產生的焊接穩定性、形貌、顯微組織和性能與加熱能量的重新分配、熔體流動模式和小孔特性有關。相關研究表明，激光焊接過程中，熔池和蒸汽羽流行為與小孔穩定性密切相關，可通過高速攝像機直接觀測和測量。激光深熔焊接的羽流出現了特征峰值和劇烈波動。Shcheglov等人發現汽氣相流衰減了激光在整個羽流長度內的傳播。羽流的劇烈波動降低了激光輻射的穩定性，并可能導致宏觀焊接缺陷。金屬蒸氣的噴射方向與熔池有關。等離子體羽流振蕩主要是由劇烈的局部蒸發和嚴重的鎖孔幾何變化引起的。
Gao等提出，由于羽流和熔池的動態特征對焊接穩定性、焊接凝固和結晶過程的影響，可以準確地判斷焊接質量。此外，束的振蕩影響熔體池的流動性，從而調節熔體池的形狀。紅外熱像圖顯示，較高的束流振蕩頻率形成了較長的、較窄的熔體池。此外，振蕩頻率和振幅對焊縫形貌、熔池湍流和凝固行為均有影響。Huang等研究發現，羽流速度的變化與鎖孔形態的動態運動有很好的同步。羽流速度隨鎖孔的縮小而減小，隨鎖孔的擴大而增大。Schweier等人分析了激光振蕩焊接飛濺的形成也與熔池和小孔行為有關。
工藝參數對峰值溫度的交互影響。顏色越接近暖色，溫度越高。紅色:55以上?°C;黃色:50 - 55?°C;綠色:低于50?°C。(本圖圖例中有關顏色的參考資料，讀者可參考本文的網絡版。)
當分析任意兩個參數之間的交互時，其他參數保持在中央級別。激光功率、光斑移動速度和脈沖頻率對離體皮膚組織峰值溫度的相互作用如上圖所示。紅點是預測值以上的設計點。40?N/cm2以上的組織為有效粘接。因此，以最大粘接強度和最小熱損傷為優化目標。
上述研究表明，激光振蕩焊接在抑制缺陷和改善焊縫性能方面具有廣闊的應用前景。相關研究主要集中在焊縫形貌和組織演化方面。等離子體羽流、熔體熔池和小孔等工藝特性是闡明和揭示束流振蕩焊接機理的關鍵，但卻很少有研究。本文系統地研究了奧氏體不銹鋼激光振蕩焊接工藝特性。
2. 實驗方法和步驟
使用6個?kW的IPG lls -6000光纖激光電源和六軸機器人焊機自動焊接樣品板。工作激光波長為1070?nm, BPP光束參數積為6.4?mm·mrad。IPG D50擺動焊接頭由焦距為200?mm的準直裝置和焦距為150?mm的f-θ聚焦裝置組成。束流振蕩由振鏡掃描儀控制，可振蕩最高頻率為1000?Hz，振幅為2.0?mm。在這項工作中，激光焊接的橫向和圓形振蕩模式，已廣泛應用到目前為止，被使用。本實驗焊接參數如表1所示。對不同光束振蕩模式的能量分布計算表明，隨著振蕩振幅和頻率的增加，能量峰值明顯減小。
表1 本實驗中的焊接參數。
在304奧氏體不銹鋼(厚度為20?mm)上進行了BOP焊接試驗，研究了擺動參數對焊縫幾何形狀的影響。流量為15?L/min的Ar保護氣體位于焊接位置后方，抑制煙羽向上擴散。用光學顯微鏡(OM)對試樣進行橫向切片，測量焊縫的寬度和穿透度。確定了參數，得到了焊透度合適的無缺陷焊縫。圖1為激光振蕩焊接實驗裝置的設計方案。高速攝像系統包括高速攝像(Olympus, i-SPEED 3)、808?nm干涉濾光片和二極管激光背光光源。
在數據采集過程中，激光源保持靜止，平臺以焊接速度運動。記錄蒸汽羽流時，在焊接方向前獲取煙流的寬度，在焊接方向側面觀測煙流的高度、面積和傾角。利用808?nm二極管激光光源和衰減透鏡采集熔池圖像，消除羽流光的干擾，照射熔池表面。以1500幀/秒的幀率，在焊接方向前方70°呈現高速攝像機和二極管激光光源。材料內部的激光鑰匙孔不能直接觀察到，因此采用不銹鋼和耐熱石英玻璃的“三明治”結構。焊接時，將耐熱石英玻璃熔化，從玻璃側面觀察小孔輪廓。
圖1 激光振蕩焊接實驗裝置方案。
3.結果與討論
3．1. 蒸汽柱配置文件
蒸汽羽流是從小孔中噴射出的金屬蒸汽，其動態特性影響激光能量的傳輸，同時也反映了過程的穩定性。蒸汽羽流由核心區(高密度等離子體)和外區(擴散等離子體）組成。在焊接過程中，堆芯蒸汽穩定且持續存在。典型的激光蒸汽羽流幾何形狀和圖像處理過程如圖2所示。對原始圖像進行斬波、二值化和邊緣檢測。然后提取煙羽高度和面積來表征煙羽特征。
圖2 典型的蒸汽羽流幾何和圖像處理過程。
圖3、圖4、圖5為振幅為0.8?mm、頻率為100?Hz的周期內各種振蕩模式的蒸汽羽流圖像。無振蕩激光焊接過程在不同發射方向的羽流特征如圖3所示。大尺寸、高海拔的蒸汽柱向激光入射方向擴展，導致能量衰減，焊接過程不穩定。由于激光能量傳輸的不穩定，金屬蒸汽羽流的形狀和大小表現出較大的波動特征。Shcheglov等發現激光焊接的蒸汽有嚴重的振蕩，這會導致激光輻射在焊接板上的波動，導致焊接質量變差。此外，周期性變化羽流與鎖孔的動態行為密切相關。可以看出小孔亮度隨羽流波動而變化。t?+?2.0?ms時，鎖孔亮度減弱，羽狀同時縮小;t?+?3.0時，鎖孔亮度增強，羽狀擴展。
圖3 非振蕩激光焊接的蒸汽羽流特征:(a)側面的焊接方向;(b)前方焊接方向。
圖4 橫向振蕩激光焊接在不同發射方向上的蒸汽羽流特征:(a)側面的焊接方向;(b)前方焊接方向。
圖5 不同發射方向的環形振蕩激光焊接的蒸汽羽流特征:(a)在焊接方向側面;(b)前方焊接方向。
消光系數不僅與羽流高度有關，而且與羽流傾角有關。應用波束振蕩，如圖4、圖5所示，羽流沿高度方向寬度變寬收縮。激光輻射傳播通道中的羽流被稀釋，降低了激光能量在深穿透焊縫上方的屏蔽作用。激光束的振蕩改變了激光束的運動軌跡，改變了焊縫區域的能量分配，導致了焊縫羽流形態的周期性變化。
由圖6可以看出，與無振蕩激光焊接相比，具有線性振蕩和圓形振蕩的激光焊接光束移動速度明顯提高。線性振蕩時運動速度隨光束位置變化明顯，并在逆轉點處減小到最小值，而圓振蕩時運動速度略有波動。激光在反轉點處的輻射時間大于線性振蕩的中心區域。汽羽更小的尺寸和高度和標題角是更傾向于焊接方向,偏離的激光束入射方向(圖4)。此外,汽羽擴大垂直焊接方向,導致激光束的橫向運動。對于圖5中的圓振蕩模式，激光束沿焊接方向和反焊接方向周期性運動，在不同位置表現出不同的行為。可以看出，當激光束的運動方向沿著焊接方向時，羽流會膨脹、增大。此時，激光束在熔池處輻照，熔池容易氣化，形成蒸汽羽流。當移動方向沿焊接方向時，羽流衰減，羽流向焊接方向傾斜較大。
圖6 不同光束振蕩模式下激光束的運動速度。(振幅0.8?mm，頻率100?Hz)。
圓形束振蕩的蒸汽羽流示意圖如圖7所示。蒸汽羽流特征隨激光軌跡相對位置和焊接方向的不同而不同。由于圓光束振蕩幅度較小，頻率較高，整個激光輻照區可視為小孔。因此，激光束的圓形軌跡會作用于鎖孔壁的不同位置，產生不同特征的蒸汽羽流。可以看出，當激光束與焊接方向相反時，激光束照射在鎖孔的中間和后面的位置。此時，由于液態焊縫金屬被圓形束流推入，無法回流填充鎖孔，導致少量的蒸汽等離子體形成，鎖孔在穩態時變寬。煙羽向焊接方向傾斜，傾斜角度較小。而當激光束沿焊接方向時，如圖7(b)所示，形成了與無振蕩焊接過程相似的更大尺寸的蒸汽羽流，其擴展方向與焊接方向相反。激光束在鎖孔前壁輻射，熔化母材，擴大熔池區。母材金屬和液態焊接金屬在鎖孔前壁上堆積，產生更多的金屬蒸氣，并在鎖孔壁上形成更高的煙羽。羽流特征隨圓束振蕩呈現周期性變化。
圖7 圓束振蕩的蒸汽羽流示意圖:(a)后向運動;(b)激光束與焊接方向的共軛運動。
提取平均600幀圖像在穩定階段的連續羽流高度和面積，計算相對頻率分布，以反映在一定姿態和區域內的蒸汽頻率概率。圖8、圖9給出了不同振蕩模式下蒸汽羽流高度和面積的時域和相對頻率分布。對于無振蕩激光焊接，蒸汽羽流具有顯著的波動特性。從相對頻率圖可以看出，羽流高度和面積的分布較為離散。羽流高度集中在60像素以下，羽流面積在4000 ~ 6000像素處達到最大值。蒸汽羽的波動表明焊接過程不穩定，導致焊透不均勻和焊縫缺陷。與無振蕩焊接過程相比，有振蕩焊接過程的蒸汽羽流相對穩定，波動較小。羽流高度和面積主要集中在低值帶。特別是在環形振蕩模式下，羽流高度受到抑制，主要集中在20像素以下。
圖8 圖像序列的羽流高度和面積的時域:(a)非振蕩;(b)橫向振蕩;(c)環形振蕩。
圖9 不同振蕩模式下羽流的相對頻率分布:(a)羽流高度;(b)羽流區。
束流振蕩頻率決定了整個焊接區域的激光能量分配。圖10為不同圓振蕩頻率下的蒸汽羽流相對頻率分布。由表2可以看出，激光束的移動速度隨著光束振蕩頻率的增加而顯著增加。當振蕩頻率為200?Hz時，直線焊接速度由無振蕩焊接時的0.3?m/min增加到30?m/min。降低激光能量密度，降低激光穿透能力。振蕩頻率大于200?Hz時，煙羽高度逐漸減小，主要集中在20像素以下。隨著振蕩頻率的增加，蒸汽羽流的穩定性增加，表明焊接過程變得更加穩定。
圖10 圓形振蕩的羽流高度和面積隨振蕩頻率的相對頻率分布。
表2 不同圓光束振蕩頻率下激光束的運動速度。
３．２．熔池和鑰匙孔
研究了束流振蕩模式和頻率對熔池幾何形狀的影響。在相同的焊接位置獲得不同焊接參數下的熔池圖像，以排除熱積累的影響。提取熔池特征值、熔池寬度、熔池長度和凝固前沿角，如圖11所示。不同的光束振蕩模式主要影響整個焊接區激光能量的分配。激光束的振蕩幅度和頻率增大了激光束的加熱面積，從而影響激光的能量密度。在本研究中，束流振蕩幅值保持不變。束流振蕩可以增大熔池寬度，減小熔池長度。
圓形振蕩焊熔池的凝固前沿角較小，影響焊縫金屬的溫度梯度和凝固過程。Kraetzsch等發現熔體池湍流會影響凝固行為，Hagenlocher等發現循環振蕩中溫度梯度的降低會導致晶粒細化。激光束振蕩實際上增加了線速度，降低了能量密度，因為在所有的經驗中，每長度的能量保持恒定。線性焊接速度越大，溫度梯度越大，加熱時間越短。而振動頻率下能量分布和熔體流動更加均勻，有利于焊接過程的穩定。圖11(b)顯示了不同圓振蕩頻率下熔體池的特征。熔池寬度隨振蕩頻率的增加而略有增加，而熔池長度在50?Hz頻率較高時先減小后增大，這是由于激光束振蕩將激光能量分布在整個加工區，吸收的能量增加所致。但隨著束流振蕩頻率的增加，熔池寬度增加的幅度較小，這是由于在較高的線速度下，冷卻速率增大，熱傳導時間縮短所致。
圖11 熔體池特點:(a)各種振蕩模式;(b)各種圓振蕩頻率。
不同的振蕩模式產生獨特的激光能量分布。由于激光輻射時間的延長，更多的激光能量集中在交叉或反轉區域。束流振蕩對熔池的幾何形狀和流動特性也有影響。對于無振蕩焊接過程，如圖12(a)所示，小孔反沖壓力導致熔池振蕩，液態金屬從熔池中濺射出來。由于激光光斑的振蕩使熔池流動發生了明顯的變化，在側向振蕩的反轉點會形成一些飛濺。如圖6所示，在逆轉點處，激光束的運動軌跡發生了很大的突變。當激光束移動到反轉點時，液態金屬流動到熔池邊緣區域，由于激光束移動速度快，導致液態金屬無法穩定存在。熔體池的劇烈波動導致液柱無法回流到熔體池中。此外，邊緣區輻射時間和能量輸入較高，產生較大的匙孔蒸汽反沖壓力，導致從倒轉位置發射的飛濺形成，如圖12(b)所示。所幸的是，由于能量分配均勻，熔體池流動平穩，無突變，圓形振蕩飛濺的形成基本受到抑制。
圖12 濺射形成過程:(a)非振蕩;(b)橫向振蕩。
不同振蕩參數下的匙孔地層剖面如圖13所示。Wu等人發現在光束振蕩下，鎖孔變大，抑制了鎖孔的閉合和坍塌，減少了鎖孔誘導的氣孔。在深熔激光焊接中，激光能量的照射引起鑰匙孔的形成和鑰匙孔壁金屬的強烈蒸發。煙羽的擴張通過逆軔致吸收吸收激光能量，進而影響其動力學。而對于光纖激光焊接過程，由于其波長較短(1070?nm)，蒸汽羽流對激光的衰減較小，可以忽略CO2激光焊接過程(10.6?μm)的影響。因此，在激光振蕩焊接過程中，鎖孔狀態尤其是鎖孔壁的形態是造成蒸汽羽流動態特性的主要原因。
圖13 鎖孔特性:(a)無束流振蕩;(b) f?=?5?Hz的圓振蕩;(c) f?=?100?Hz的圓振蕩。
鎖孔的動平衡是由鎖孔表面張力、蒸汽羽流的后坐壓力和保護氣體在鎖孔壁上的超壓來維持的。從圖13(a)中可以看出，無振蕩激光焊接時，鎖孔更寬，而鎖孔壁波動較大。當鎖孔收縮時，激光照射在鎖孔壁上的位置會發生變化，從而引起鎖孔表面張力和反沖壓力的變化。隨著焊接過程的進行，鎖孔重新打開，更多的激光能量傳輸到內鎖孔，促進金屬蒸汽的形成，并在鎖孔上方形成更大的煙羽。鎖孔壁局部膨脹和坍塌，導致氣體留在鎖孔內，形成孔隙。氣泡進入熔池并向后移動。由于快速的凝固速度，氣泡無法溢出，最終以氣孔的形式存在于焊縫中。氣孔主要分布在焊縫底部，呈圓形。振動頻率較低，為5?Hz，前后鑰匙孔壁發生劇烈的變形，并因其移動速度較慢而在中間區域縮頸。鎖孔位置隨激光束的周期性運動而變化，從而引起羽流的動態變化。振蕩頻率越小，小孔穩定性越差，孔隙的形成趨勢越明顯。當振蕩頻率增加到100?Hz時，鎖孔形狀保持穩定，上區較寬，下區較窄，這是由于激光束對熔融金屬液的多次輻射造成的。
圖14 圓束振蕩抑制孔隙的原理圖。
較高的激光能量振蕩頻率可以使存在的氣孔重新熔化，促進氣體從小孔溢出(圖14)。Vincent等認為，焊接速度越高，小孔傾角越大，焊接過程越不穩定，飛濺越多。由圖13可以看出，隨著圓束振蕩頻率的增加，鎖孔傾角增大。此外，當束流振蕩頻率為100?Hz時，與無振蕩和低振蕩頻率的焊接工藝相比，鎖孔傾角與焊接方向相反。這是因為較高的光束振蕩頻率使得鎖孔在整個光束移動區域內擴張，有利于吸收鎖孔內的激光能量，穩定鎖孔形狀，如圖7所示。在較低的振蕩頻率5?Hz時，鑰匙孔是分開的，不能形成一個整體，導致鑰匙孔壁不穩定和扭曲。鎖孔壁穩定，在較高的振蕩頻率下深度更均勻，有助于提高工藝穩定性。Zhang 等認為重疊系數越大，孔隙率越低，說明重熔過程可以消除孔隙。因此，在較高的圓振蕩頻率下形成較高的重疊比，可以改變焊接周期，降低焊縫氣孔率。在較高的束流振蕩頻率下，熔體池振蕩增大，促進了熔體池中氣孔的流動和溢出。
4. 結論
1.蒸汽羽流特性與鎖孔穩定性密切相關，可以反映工藝穩定性。當出現圓形振蕩時，水蒸氣更加穩定，波動較小，羽流高度和面積隨振蕩頻率的增加而減小。
2.激光束振蕩實際上增加了激光束的運動速度和軌跡，從而調節能量分配和改變熔池流動。熔池表面長度和寬度增大，熔池凝固前沿角度減小，影響焊縫凝固過程。
3.對于圓振蕩模式，激光能量均勻，鎖孔形貌穩定，提高了焊接穩定性，抑制了鎖孔坍塌。振蕩頻率較高時的重熔效應有助于消除氣孔。
來源：Analysis of vapor plume and keyhole dynamics in laser weldingstainless steel with beam oscillation，Infrared Physics& Technology，doi.org/10.1016/j.infrared.2020.103536
參考文獻：Y. Yang, Z. Gaob, L. Cao，Identifying optimalprocess parameters in deep penetration laser welding by adoptingHierarchical-Kriging model，Infrared Phys. Technol., 92 (2018), pp. 443-453
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