大族光子 | 万瓦级激光深熔焊蒸气羽烟抑制及应用

万瓦级激光深熔焊应用解决方案

LASER WELDING TECHNOLOGY

引 蒸气羽烟抑制技术

近年来，随着激光器技术的发展，越来越多的大功率激光器面世，万瓦级（功率≥10kW）以上激光器在厚板焊接领域的应用也越来越多。与千瓦级激光焊接相比，在万瓦级激光深熔焊过程中激光功率密度更高，深熔焊小孔内部的材料蒸发行为更加剧烈，熔池物理现象更加复杂。熔池上方产生的大量蒸气羽烟是制约焊缝成形的关键问题之一，蒸气羽烟对入射激光束的剧烈干扰使得厚板焊缝成形差，极易产生大的飞溅、表面驼峰等缺陷。为获得良好的焊缝成形，必须对蒸气羽烟进行有效控制。
常规激光焊主要采用侧吹法进行蒸气羽烟抑制，侧吹一方面可以吹散部分蒸气羽烟，另一方面可以将惰性保护气体覆盖在熔池上方，减少焊缝的氧化提高焊接质量，但随着激光功率的增加，蒸气羽烟明显增强，为了更好的抑制蒸气羽烟，则需增加侧吹气的流量，但侧吹气体的流量不能增加到太高，否则易引起焊缝飞溅及凹陷，所以，在万瓦级激光功率焊接情况下，单管侧吹已无法满足要求，本文研究采用多路吹气的方式对蒸气羽烟进行抑制。

01 万瓦级激光焊·蒸气羽烟的影响及抑制原理

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。

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。