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【Rayclass | 锐课堂】第15期:激光束与焊缝的相对位置对焊缝的影响(2)
时间:2019-04-11来源:

接上回

激光束的入射方向及入射角度会直接影响焊缝熔池的形状及其流动形态,这会对焊缝成型与性能产生重要影响。

为了了解激光束与焊缝的相对位置对焊缝的影响,我们做了两次实验,分别用非高反材料和高反材料进行测试。

上期回顾:

http://www.raycuslaser.com/index.php/index-view-aid-1354.html

本期【Rayclass | 锐课堂】我们再来看看高功率多模组连续激光器RFL-C4000(纤芯100μm)在焊接高反材料(铝合金为例)时受激光束入射相对位置对焊缝的影响规律。

1)

试验材料 

6063铝合金

2)

试验设备

4000W多模组连续光纤激光器(配备100μm芯径的光纤)、悬臂式焊接工作台、焊接头(准直镜焦长100mm,聚焦镜焦长300mm)


3)

试验方法

首先用1000W高功率脉冲光纤激光器,将待焊材料表面的氧化层及油污去除;


随后,将两种材料进行堆焊。

4)

试验过程

按照设定好的参数进行焊接试验,试验参数如下表所示,试验完成后对试板进行线切割取样,然后进行金相制取并检测分析。

表1中所谓的光束入射方向表述是相对于焊接方向进行确定的,如图1所示,


光束入射角度表述为激光束与试板法线的夹角,如图2所示。


5)

试验结果

铝合金6063的焊接试验检测结果如下表所示。



(图中横坐标数值表示光束入射角度值,“负值”表示光束前倾,“正值”表示光束后倾)


从表2和图3可以看出,激光垂直入射焊接时的焊缝熔深最大,光束入射角度越大,熔深越浅,并且在同一入射角度时光束前倾相对于光束后倾的熔深大。

首先需要明确,当激光垂直入射时,熔池的面积会大于光斑面积,主要是因为受到光斑直接作用的母材会形成初始的高温熔池,进而热传导至周边的母材区域使其熔化形成完全的准稳态熔池,如图4(a)所示;当激光束前倾入射时,初始状态是熔池内会建立一个有倾角的“小孔”,方向同样是向前,而小孔底部正上方的母材金属随即会受到小孔内部和周边高温金属和金属蒸汽的热辐射而熔化,最终形成一个开口面积大于光斑面积的准稳态熔池,如图4(b)所示,所以在激光束垂直入射和前倾入射两种情况下,激光束均会作用于液态金属熔池,其对激光束的吸收率远远高于未熔化的铝合金母材,此时两者之间熔深的比较原理类同于不锈钢激光自熔焊时的情况(见上期),即激光束垂直入射时焊缝的熔深大于激光束前倾时的熔深,并且激光束前倾入射时的倾角越大,熔深越小。

当激光束后倾入射时,如图5(a)中的激光束绿色部分就仅能够对铝合金母材进行预热, 此时会因为铝合金对激光束的高反特性损失相当部分的能量,而当激光束前倾入射时,如图5(b)中的激光束则会全部入射到液态熔池金属中,基于固态铝合金对激光的吸收率远远小于液态铝合金的前提下,此时激光束被吸收的能量会大于激光束后倾入射时的被吸收量,所以激光束后倾入射时焊缝的熔深小于激光束前倾时的熔深。当光束后倾角度变大时,光斑作用母材的面积会变大,其周边一定区域范围内的能量密度会更低,会有更大的范围内的激光不足以熔化铝合金母材,就会损失更多的能量,所以激光束后倾入射时,随着倾角的增大,焊缝熔深会减小,并且减小速度越来越快。

从表2中可以看出,激光束前倾入射,并且倾角较大时,焊缝成型较好,内部无明显气孔,随着倾角的减小,焊缝内部会有明显的大气孔出现,并且焊缝成型变差,原因可能是因为倾角大时,熔池凝固速度变慢,气泡有足够的时间向外逸出,熔池也会充分的流动,使得焊缝成型较好;而当激光束后倾入射时,焊缝内部气孔虽然会有所改善,但是成型会变差,尤其是在倾角较大时,成型变的非常差,因为此时焊缝熔深变小很多,更有利气孔的逸出,但是焊缝熔池内的小孔会向后方倾斜,致使后方待凝固的熔池区域会因小孔的闭合坍塌产生较大的波动,进而导致焊缝成型差。

6)

结论

Conclusion

I)铝合金激光自熔焊时,激光垂直入射的焊缝熔深最大,光束入射角度越大,熔深越浅,并且在同一入射角度时光束前倾相对于光束后倾的熔深大;

II)铝合金激光自熔焊时,激光束前倾入射并且倾角较大时,焊缝成型较好,内部无明显气孔,随着倾角的减小,焊缝内部会有明显的大气孔出现,并且焊缝成型变差;而当激光束后倾入射时,焊缝内部气孔虽然会有所改善,但是成型会变差,尤其是在倾角较大时,成型变的非常差。

4000W连续光纤激光器(纤芯100μm)在焊接高反材料和非高反材料时,受激光束入射相对位置对焊缝的影响规律测试,两期内容已经总结完毕,在理论基础上,展开实验,得出结论,以后【Rayclass | 锐课堂】将继续用实验数据说话!



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