铝合金双光束激光焊接过程稳定性分析.pdf

第37卷第6期
焊接学报
Vol 37 No 6
2 0 1 6 F6 F TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTLTUTION June
016
铝合金双光束激光焊接过程稳定性分析
杨海锋,王旭友,王威,张甫
(机械科学硏究院哈尔滨焊接研究所,哈尔滨150028)
摘要:从成形、气孔、熔深的波动、激光匙孔、光致等离子体、长溅等方面研究了铝合金高功率单光朿激光和双光
束激光焊接过程的稳定性.结果表明,在相同工艺参数下,双光束激光焊難表面成形明显优于单光束,熔深的波动
较单光東小;在相同工と参数及相同熔深条件下,双光束焊缝气孔率较单光東小,小孔及等离子体的波动周期较单
光東长,面积波动变异系数较単光東小,飞溅较単光東更加细小均匀
关键词:铝合金;双光束;激光焊接;稳定性
中图分类号:IG456.7文献标识码:A文章编号:0253-360X(2016)06-0013-06
序言
性,为铝合金双光束焊接技术的应用提供试验依据.
铝合金具有低密度、高强度、耐腐蚀及易于加工1试验方法
等一系列优异的特点,成为航空航天及高速列华等
运载工具结构轻量化设计的首选材料,随着铝合金
试验材料为5A06铝合金,采用平板堆焊方式,
应用范围的拓展,对其焊接产品的质量及生产效率试板凤す300mx100mx12m.试验过程利用
的要求也越来越高,激光焊接作为一种精密、高效的 Fast Cam Ultima512型高速摄像仪对匙孔及等离子
焊接方法在铝合金结构焊接中的应用不断扩展".体图像进行采集,采集频率400D,焊接过程
但铝合金的熔点低、黏度小、导热率高以及对激光的采用气保护,保护气流量Q=251min,双光束采
高反射率等特性,给铝合金的激光焊接带来了一系用光学镜片分光获得,能量分配为1:1,零焦处光斑
列问题,例如焊接过程稳定性较差、激光能量利用率间距d=0.6m,双光束的排布分为串行、并行两
较低等特点,最终导致焊缝成形较差、焊缝气孔率较种模式,试验工作原理如图1所示.
高、工况适应性较差以及接头元素烧损严重等问
题.为了解决上述问题,国内外学者进行了大量
激光東
的研究,在优化工艺参数的基础上,探索了新工艺
/摄像头A焊接方向
提出了外加电流和磁场,采用脉冲波形调制的激光
等离子体
脉冲焊、激光扫描法以及将激光和传统焊接方法结
焊接方向熔池
主动光源
串行模式
焊接方向
合的复合焊,目前已经取得了一定的成果
双光朿激光焊接是将两朿独立的激光或者是将
并行模式
匙孔摄像头B
一束激光通过光学分光系统分为两束作用于焊接区
进行焊接的技术.双光東激光焊接时,形成一个开
图1试验工作原理
口较大的熔池与匙孔,匙孔的稳定性较单光東高°,Fg1 Schematic diagram of double laser beam welding
即焊接过程稳定性较高,这有利于匙孔内气体的逃
逸,降低了焊缝的气孔率,最终焊缝的成形也较单光2试验结果及分析
束好.文中以禊形分光镜将高功率碟式激光器发出
的激光分为两束得到双光束激光,从焊缝成形、气孔2.1焊缝成形
率、熔深波动性、匙孔、等离子体及焊接过程飞溅特2.1.1焊缝表面成形
征方面对比分析了单光束与双光束焊接过程的稳定
金属母材在高能密度的激光照射下蒸发形成匙
孔,山于铝合金熔点低、貓度小、导热率高等特性,在
收稿日期:2016-01-27
焊接过程中匙孔一直刷烈振动,匙孔周围的液态金
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焊接学报
属发生坍塌时匙孔闭合,这是焊接过程不稳定的体定.图4为单光束与双光束焊缝纵剖面,可以看出
现.若焊接过程中匙孔一直处于张开的状态,则焊双光束的熔深更加平滑均匀.图5为二种模式激光
接过程相对稳定,最终获得焊缝表面成形也好
随功率增加其焊缝熔深波动程度的变化曲线,可以
图2为典型的铝合金单光束与双光東激光焊焊看到,双光束的熔深稳定性明显优于单光東.
缝.可以看到,单光束时,焊缝表面波纹很不规律
整条焊缝表面重凹凸不均,同时咬边严重.而双
光束焊缝表面成形有很大改善,焊缝表而的波纹更
加细致均匀,咬边也大大减轻.图3为三.种激光模
式在不同功率下焊缝表面的波动曲线,可以看出双
(a)单光束
光束表面的平整度明显优于单光束
()双光束串行
(a)单光束
()双光束并行
()双光束申行
图4焊缝纵向剖面
Fig 4 Photosof longitudinal section of weld(P=5.5 kw
2=1.5 m/min, Dat=+4 mm
(c)双光束并行
24。单光束
双光束串行
l=1.5 m/min
、双光束并行
2=+4 mm
图2不同光束模式下焊缝表面成形
2.0
Fig 2 Appearance of weld in different laser beam pat
terns(P=5.5 kw,tl.5 mmin, Deal=+ mm)
1.6
半缴政
单光束
双光朿串彳
11.5 m/min
D?+4mm
双光束并行
副塔缴
激光功率PkW
图5熔深波动
Fig 5 Fluctuation level of penetration
5.5
2.2焊缝气孔
激光功率PkW
匙孔的稳定性反映了焊接过程的稳定性,是影
响焊缝气孔数量的重要因素.图6为双光朿与单光
图3焊缝表面波动
東焊鏠X射线底片,深熔焊时,双光東焊鏠的气孔数
Fig 3 Fluctuation level of appear ance of weld
量明显低于单光束如图7.不仪如此,单光束焊接过
程的不稳定性导致了其气孔的尺寸也很不均匀,单
2.1.2熔深稳定性
光東焊缝最大气孔尺寸也明显大于双光束,如图8
由于双光束形成的匙孔较大,因此双光東的焊所示
接稳定性更高,不易坍塌”,所以嫆池金属对激光的匙孔开口尺寸较大,稳定性就越高,即匙孔不易
遮敝作用相对比较均匀,最终焊缝的熔深也更加稳坍塌,气孔正是由于匙孔的坍塌形成”,双光束形成