供稿：通快（中国）有限公司

波长在 1 µm 左右的碟片激光器和光纤激光器，正日益应用于 各种不同的焊接任务中，并且正在从 CO₂激光器手中抢占到越来越多的市场份额。尤其是在薄板焊接、三维部 件焊接以及大型部件焊接等应用中，1 µm 波长通过柔性光纤导光的优势是非常有用的。但是如果关注的焦点 是焊接质量标准，比如焊缝表面和焊 缝底部的焊接质量以及焊接飞溅物，那么CO₂激光器则是最常用的光源选择。

本文将着重探索深熔焊引发加工过程不稳定的机理，并通过高速成像 设备记录画面，以便探讨提高固体激光器焊接质量的解决方案。首先要解决的问题是如何在工业生产环境中优 化加工工艺，从而优化加工的可靠性。第二，如何抑制金属羽辉，从而优化应用结果和增加熔深。第三，如何使用远程扫描头焊接和摆动技术来优化应用结果。

优化应用结果的方法

（1）试验装置

采用通快的 Yb:YAG 固体碟片激光器（TruDisk 16002）对低碳钢 S235 进行局部穿透和全部穿透的深熔焊，光束质量为 8mm*mrad，波长λ= 1.03 µm。为了实现更大的穿透深度和更高的焊缝质量，焦点位置设 定在工件表面以下 2 mm 处。在焊接材料底部安装有一台高速相机，其与一台 EOS 7D 相机和安装在焊接材料 顶部的其他高速摄像机结合使用，可 以非常详细地以可视化的方式记录整个焊接过程。下面我们将主要研究三个主要现象：熔滴、飞溅物和金属羽辉。

图1：试验装置

（2）使用 1 µm 碟片激光器或光纤激光器实现全熔透焊接

对于全熔透焊接，焊接参数对焊缝质量的影响非常大。图 2 中显示了激光功率参数对焊缝质量的影响。从图中可以看到，当激光功率从 7.75 kW 增加到 13 kW 时对焊缝质量的影响。该试验是在厚度为 12 mm 的低碳钢 S235 上进行的，焊接速 度恒定为 1 m/min。当激光功率为 7.75 kW 时，我们可以看到熔池的影响。在进料的反方向上，处于熔化节点和激光束出现点之间存在一个几毫米的缺口。当激光功率 为 8 kW 时，熔池移动到了激光束出现之前，从而出现 微小熔化增多，避免了熔滴。进一步增加激光功率，会导致熔化节点和激光束出现点之间更大的差 距。当功率为 10 kW 时， 能获得1.1 mm 的最大熔深。熔池动态受到了影响，并且 在底部可以检测到一 个旋转的熔体流动。

（3）飞溅物和金属羽辉

a) b) c)

图2：以1 m/min的速度对厚度为12 mm的薄板进行全熔透焊接时，激光功率对焊接质量的影响。a）在左 边可以看到焊接材料的底部，包括出射激光束的位置。b）材料上表面的焊接质量、截面和下表面的焊缝 质量。c) 焊接质量处于实验级别，这里1表示质量非常好。

由于毛细管后方的表面张力，熔体向工件偏转——一 种所谓的“研磨效应”由此产生，导致在工件底部的焊缝 强度得到加强。因此，当激光功率在 8.5~10.25 kW 之间 时，可以获得非常好的焊缝质量。在这样的功率水平下， 熔池底部没有开口的毛细管，因此在根部没有检测到飞溅 物。当激光功率达到 10.5~13 kW 时，这种现象会有所改 变，这时候熔体会在底部喷射出来。当激光功率达到 13 kW 时，熔体喷射非常厉害，导致工件分离，从而形成切割（没有任何辅助切割气体）。这种效应被称为蒸汽压力熔切（VPMC）。图 2b 中分别显示了工件顶部、底部以及截面的焊缝质量。若将焊缝质量的等级以数字区分，1 代表 质量非常好，而 6 代表质量很差。我们可以看到，对于 12mm 厚的低碳钢来说，在激光功率为 8.7~10 kW 之间时， 可以实现深熔焊并获得良好的焊接效果。在实际工业应 用中，我们建议的选择功率为 9.25 kW（即大约处于功率 中点），以便增加激光加工过程的可靠性。正如上文提及， 该试验是在进给速度为 1m/min 的情况下进行的。

除了测试不同的激光功率对焊接质量的影响外，我们 也评估了不同的进给速度对焊接质量的影响。试验所用板 材的厚度仍然为 12 mm，并且采用相同质量标准。结果如图 3 所示。

在所有的激光焊接进给速度下，我们可以看到有的区域全熔透了，但同时伴有熔滴滴落。激光功率的增加可以 使这个区域扩大，从而实现足够好的焊缝质量（见图 3，B1 和 B2 域）。由于高能量的输入，B1 区 0.2~0.7 m/min的低焊接速度，会导致更宽的焊缝。随着进给速度的增加， 焊缝随之变小，但是焊缝所处的功率范围也在缩小（图 3，B2 区域）。当焊接速度 v = 1 m/min 时，功率变化范围 ΔP 约为 2.5 kW ；当焊接速度 v = 1.5 m/min 时，功率变 化范围缩小到 ΔP = 0.25 kW。当焊接速度超过 1.5 m/min 时，就很难获得较好的焊接效果，将会产生熔滴滴落，或者出现蒸汽压力熔切。

图3：在厚度为12 mm的低碳钢S235材料上的应用结果。图4：不同进给速度下的侧面图。

当焊接速度为 v = 3~4 m/min 的中等速度时，飞溅物 将从前部、后部以及各个方向上的毛细管侧壁喷出，尤其 在焊接方向上会有增加（见图 4）。总之，这些飞溅物很小，不会粘到工件表面。但是有一些大的飞溅物会污染到工件表面。尽管如此，其焊缝质量仍然非常好，焊接强度很大。

一方面，这种飞溅源于熔池振荡：流出的高能量金属 蒸气羽辉，沿激光光束向各个方向倾斜（见图 5）。另一方面，由于金属羽辉和入射激光束之间强烈的相互作用，这导致耦合的激光将在不同时段不同位置射入焊接工件。在光束方向上的发光效果使这种相互作用变得可见（见图4）。

图5：在3 m/min的进给速度下，不同时段的侧面图。

随着进给速度的增加，毛细管前 部变得越来越平坦。当进给速度增加 至 6 m/min，焊缝熔池表现出很高的动态性。结果显示，在毛细管孔径背 后的焊缝熔池开始膨胀，变得更加动 荡不安。一个有点不均匀的上珠出现。在这个焊接给进速度下，形成了一个 介于高速和低速焊接的过渡区。

当焊接进给速度进一步增至 8 m/min时，位于毛细管的尾部，在焊接进给速度（没有任何辅助切割气体）。这种效应被称为蒸汽压力熔切（VPMC）。图 2b 中分别显示了工件顶部、底部以及截面的焊缝质量。若将焊缝质量的等级以数字区分，1代表质量非常好，而6代表质量很差。我们可以看到，对于 12mm 厚的低碳钢来说，在激光功率为 8.7~10 kW 之间时， 可以实现深熔焊并获得良好的焊接效果。在实际工业应 用中，我们建议的选择功率为 9.25 kW（即大约处于功率 中点），以便增加激光加工过程的可靠性。正如上文提及， 该试验是在进给速度为 1m/min 的情况下进行的。

当焊接进给速度进一步增至 8 m/min时，位于毛细管的尾部，在焊接进给速度的反方向，将出现大量由熔化产生的飞溅物（见图4）。这不仅污染焊缝 表面，还将导致焊缝内大量材料损失，因而焊接无法得以强化，焊缝强度降 低，尤其在动态加载时。这种现象称 之为匙孔倾斜，在这种情况下激光功 率的吸收，更多发生在毛细管前部。随后熔化会使得材料吸收更多热量，并产生更大的蒸发率，这是激光焊接 中所有动态效应的推动力量。

如上所述，金属羽辉对飞溅和焊 缝质量也有很大的影响，因此同轴喷 嘴由此设计而成（见图 6）。压缩空气 在被吹向工件冷却熔池的过程中，同 时将金属羽辉吹离工作区域，从而降低激光光束与金属羽辉之间的相互影响。当焊接进给速度小于 8 m/min 时， 效果清晰可见（见图7）。

图6：同轴喷嘴与 cross jetz相连。

图7：在不同的进给速率下，使用和不使用同轴喷嘴情况下的侧面图。

由于在时间上和空间上，激光功 率可以被更加均匀地耦合到工件上， 毛细管内的蒸发也会更加均匀。从而毛细管变得更加稳定，飞溅带来的材 料损失减少。当焊接给进速度为 v < 6 m/min 时，相较于没有同轴喷嘴的 焊接，通常可以获得更高质量的焊缝 表面（见图8）。除此之外，使用同轴 喷嘴使得焊缝宽度变窄，并且增加了 穿透深度（见图 9）和穿透深度的稳 定性。

图8：不使用同轴喷嘴（a）和使用同轴喷嘴（b）时，顶部的焊缝质量。

图9：使用和不使用同轴喷嘴情况下的穿透深度和焊缝跨度。