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1、第28卷第1期航空材料学报Vol128,No112008年2月JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSFebruary2008双焦点激光焊接工艺参数对焊缝成形影响李晓辉,汪苏,夏彩云(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100083)摘要:通过利用自行研制的分束焊接头将一束激光分为能量相当的两束激光,在沿焊缝方向上串联产生了两个焦点。通过该试验系统研究了在双焦点激光焊接过程中参数的变化对焊缝成形和熔深的影响规律,探索了双焦点激光焊接最佳工艺的参数调节,试验结果表明,双焦
2、点激光焊接显著改善了焊接质量,焊缝的中心线开裂敏感性也降低。双焦点激光焊接过程中,激光功率、焊接速度、离焦量等参数的变化,均能对焊缝成形和熔深产生显著影响,进而影响焊缝的微观组织和宏观形状。关键词:双焦点;激光焊接;工艺参数;焊缝成形中图分类号:TG44文献标识码:A文章编号:1005-5053(2008)01-0045-04随着大功率激光器技术的发展,激光深熔焊技采用直接堆焊的焊接方法进行焊接。术已经开始大量地应用于汽车、造船、核电站结构件、航空航天等领域。但是由于激光自身的特点,激光焊接还存
3、在很多问题,比如激光利用率低、装配位置和精度要求高、设备昂贵等。双焦点激光焊接方法的提出主要是用于解决激光焊接对装配精度的适应性及提高焊接过程的稳定性、改善焊缝质量,尤其是针对薄板焊接。本工作主要研究双焦点激光焊接过程中各个参数对焊接质量的影响,以期找出各个参数对焊接质量影响的规律。1试验材料和方法图1激光分束原理Fig11Theprincipleoflaserbeamsplitting本试验中采用自行研制的激光焊接头将CO2激光(额定功率4kW,快轴连续,美国PRC激光激光焊接过程中的主要调节
4、的参数有:激光功器),如图1所示,从激光器中出来的光束经过一个率、焊接速度、离焦量以及保护气体的种类和流量平面镜的反射,反射到屋顶形分束镜,屋顶形分束镜等。其中离焦量为激光光束的焦点偏离工件表面的将光束分为能量相当的两束光。这两束光然后分别距离量,规定在工件上方为正,下方为负。这些工艺通过抛物面聚焦镜的聚焦反射,从而在工件表面附参数的变化都直接影响焊缝形貌以及其接头显微组近形成两个激光斑点。试验采用的焊接材料分为两织与性能。组,分别是1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢和TC4钛合金板。不锈钢板厚为
5、3mm,TC4钛合金的板厚为2试验结果及分析215mm。焊接前采用化学处理去除表面污物,以提高焊接质量。试验中采用的保护气体为高纯氩气,211激光功率的影响不管是单焦点还是双焦点激光焊接,通常有两收稿日期:2006-04-05;修订日期:2006-05-15种焊接模式,一为热传导熔化焊接,另一种为深熔焊作者简介:李晓辉(1978)),男,博士研究生,主要从事激光接。在其它条件不变时,焊接熔深h随着激光功率焊接和机器人技术研究,(E-mail)lixiaohui@me.buaa.edu.的增大而增
6、加。在单焦点激光焊接中几乎成直线关cn。系。熔深随着激光功率P的变化大致的曲线,可用46航空材料学报第28卷公式(1)近似的表示为:hWPk(1)式中,h为熔深(mm);P为激光功率(kW);k为常数,k[1,k的典型经验值为017和110。在双焦点激光焊接中,功率较小时多为热传导熔化焊,当功率增大到某一数值的时候,焊接过程就转化为深熔焊。如图2所示为不同功率下不锈钢激光焊接的焊缝形貌,从图中可以明显地看出来,图2a属于熔化焊,他的显著特征是深宽比较小,约为1。而图2b图就转化成了深熔焊,与前者
7、相比它的图3激光功率影响曲线深宽比显著增加,深熔焊的深宽比明显大于1。Fig13Thecurveoflaserpowerinfluence根据上图的试验数据并进行拟合,发现对于双焦点激光焊接,公式1中的k取值为1145更符合实际情况。同时与单焦点激光焊接相比,双焦点激光焊接可以获得等大的深宽比。随着激光功率的增大,焊接热影响区越来越大,且组织变粗,而焊缝区的组织变化不大。当激光功率太小时,而且焊接速度又较快,则热影响区极小,焊缝组织与母材相比变图2激光功率对焊缝形状的影响化也不大。Fig12La
8、serpowerinfluenceonseamshape212焊接速度的影响V=115m/min;$f=115mm;焊接速度是激光焊接过程中的另一个重要参(a)P=114kW;(b)P=213kW数。在深熔焊时焊接速度对焊缝的熔深和熔宽影响很大,同时也引起组织的改变。图3是在焊接速度和离焦量不变的情况下,激图4是双焦点激光焊接过程中激光功率P和光功率与熔深、熔宽以及深宽比的关系曲线。从图离焦量$f始终不变情况下TC4的焊缝形态,从焊中可以看出当焊接速度(V=115m/min)和离焦量缝形状图中我
