Vol.25 No.5 王文献等：提高Nd:YAG固体激光加I系统焊接质量 ·467· 质量降低.等离子体吸收激光能量之后，温度升 喷出的保护气体气流方向均与工件运动方向 高，导致焊缝坡口塌陷，使焊接过程无法正常进 相反. 行或者焊缝边缘出现大量毛刺 (3)按图4安装侧喷嘴在工件表平面XOY上， 在焊缝熔化期间，从熔池中心到其边缘存在 侧喷嘴与焊缝夹角为3045°，在工件法平面XOZ 温度梯度.在强激光束作用下，熔池表面中心熔 上，侧喷嘴与焊缝夹角为1015°，工件沿X轴的 体的温度达到最大值，而其表面张力却为最小 负方向运动. 值，从熔池中心到其边缘，熔体温度逐渐降低，而 熔体表面张力却逐渐增加.表面张力的这种不平 进气管道 主喷嘴 衡性，导致了熔池中心的熔体向熔池边缘推进， 从而降低了中心液面的高度，同时也增加了边缘 激光束 区域的高度，这样就使得焊缝呈微凹状. 侧喷嘴 以上两方面的因素可能导致了缺陷1的产 昌侧喷嘴 生 工件 工件 缺陷2可能主要由以下两个因素引起：(1)当 激光垂直投射到工件表面时，反射光会沿着激光 焊缝 束的反方向投射到保护镜片上，而导致保护镜片 图3调整后气体保护方式 升温破裂.(2)等离子体离开工件表面后，会沿着 Fig.3 Style of gas protection after system modification 激光束的反方向传播，形成激光维持吸收波，最 AZ 终到达保护镜片.高温等离子体使得保护镜片受 热破裂.受损破裂的保护镜片中心部位的红黄色 铡喷嘴 0 羽状物就是等离子体冷却后的残余物， 10 1.3改进措施 为了提高焊接质量并延长保护镜片的使用 30° 寿命，必须先解决以下三方面问题：改变被工件 图4侧喷嘴相对于焊缝的位置示意图，其中工件沿X轴 表面反射的激光束的传播方向：压制等离子体： 负方向运动 平衡焊缝熔池的表面张力.而对激光加工系统进 Fig.4 Position of the side nozzle 行如下调整就基本能解决上面的问题： (1)按图2调整主喷嘴与工件表面法线之间 2实验材料及方法 的夹角，使之呈10°左右的夹角，相应地，激光束 入射方向和发射方向与工件表面法线之间也呈 焊接材料为2Cr13不锈钢，规格80mm×30 10°左右夹角. mm×1.5mm;焊接保护气体为Ar,供气气压0.3 (2)采用图3所示的气体保护方式，即在原有 MPa.在工件的表平面和法平面上，侧喷嘴与焊 单一的主喷嘴两侧各添加一个侧喷嘴，三个喷嘴 缝的夹角分别取30°和15°.系统结构调整前进行 a,b两组实验，系统调整后进行c,d两组.其中a,c 激光束1， 工件表面法线 两组实验参数为激光功率P=800W,焊接速度 入射方向 v=12mm/s:b,d两组的参数为P=700W,v= 8 mm/s. 被反射激光束 主喷嘴 的传播方向 3 实验结果及分析 30 实验a,b所得焊缝深宽比为1，且工件未焊 透：进行系统结构调整后，工件被加工部位上激 焊缝 工件运动方向 光能量有较明显的提高，可焊透厚度大于1.5mm 图2主喷嘴位置示意图 的不锈钢板，焊缝质量大为提高.如图5所示，焊 Fig.2 Position of the main nozzle 缝的表面形貌有较好的改善，变得更为平整，焊6 V 1 . 5 N 2 o . 5 王 文献 等 : d N G 提 高 固体激 光 加工 系 统焊 接质 量 A Y : 一 6 7 4 . 质 量 降低 . 等 离 子体 吸 收激 光 能 量之 后 , 温 度 升 高 , 导致 焊 缝 坡 口 塌 陷 , 使 焊 接 过程 无 法 正 常进 行 或 者焊 缝 边缘 出现 大量 毛 刺` 4,5] . 在焊 缝熔 化 期 间 , 从 熔池 中心 到其 边 缘存 在 温 度梯 度 . 在 强激 光 束作 用 下 , 熔 池 表 面 中心 熔 体 的温 度 达 到 最 大 值 , 而 其 表面 张 力 却 为 最 小 值 , 从熔 池 中心 到其 边缘 , 熔体 温度 逐渐 降 低 , 而 熔 体 表面 张 力却 逐渐 增加 . 表面 张 力 的这种 不 平 衡 性 , 导 致 了熔 池 中心 的 熔 体 向熔池边 缘 推 进 , 从 而 降低 了中心 液面 的 高度 , 同时 也增 加 了边 缘 区域 的 高度 , 这样 就 使 得焊 缝 呈 微 凹 状 `6 , . 以上 两 方 面 的 因素 可 能 导 致 了缺 陷 1 的产 生 . 缺 陷 2 可 能主 要 由 以下两 个 因素 引起 : ( l) 当 激光 垂 直投 射 到工件 表 面 时 , 反射 光会 沿 着激 光 束 的反方 向投 射 到保 护镜 片 上 , 而 导致 保护 镜 片 升 温 破 裂 . (2 ) 等离 子 体 离 开工 件 表面 后 , 会 沿 着 激 光 束 的反 方 向传 播 , 形 成激 光 维持 吸 收 波 , 最 终 到达 保 护镜 片 . 高温 等 离 子体 使得 保护 镜 片受 热 破裂 , 受损 破裂 的保 护 镜 片 中心 部位 的红 黄色 羽状 物 就 是等 离子 体冷却 后 的残 余 物 . L 3 改进 措 施 为 了提 高焊 接 质 量 并延 长 保护 镜 片 的 使 用 寿命 , 必 须先 解 决 以下 三 方面 问题 : 改变 被 工件 表 面 反射 的激 光束 的传播 方 向 ; 压制 等 离 子 体 ; 平 衡焊 缝熔池 的表 面 张力 , 而对激 光 加工 系 统进 行 如下 调 整 就基 本 能解 决 上 面 的 问题 : ( l) 按 图 2 调 整 主喷 嘴 与工 件 表 面法 线 之 间 的夹 角 , 使 之 呈 10 “ 左 右 的夹角 , 相应 地 , 激 光 束 入 射 方 向和 发射 方 向与 工 件 表 面 法 线 之 间 也呈 10 左右 夹 角 . ( 2) 采 用 图 3 所 示 的气 体 保护 方 式 , 即在原 有 单一 的主 喷 嘴两 侧 各添加 一 个侧 喷 嘴 , 三 个喷 嘴 喷 出 的保 护 气 体 气 流 方 向 均 与 工 件 运 动 方 向 相 反 . (3 ) 按 图 4 安装 侧 喷 嘴在 工件 表 平 面 J Y口Y 上 , 侧 喷嘴 与 焊 缝夹 角 为 30 一4 50 , 在 工 件法平 面刃口Z 上 , 侧 喷 嘴 与焊 缝 夹 角 为 10一 150 , 工 件 沿 X 轴 的 负方 向运 动 . 进气管道 主喷嘴 激光束 侧喷嘴 侧喷嘴 工件 工件 焊缝 } 图 3 调整 后 气体 保 护方 式 F ig · 3 S yt l e o f g a s P or t e e ti o n a ft e r s y s t e m m o d iif e a t i o n 图 4 侧 啧嘴相 对 于焊 缝 的位 置示 意 图 . 其 中工件 沿 J丫轴 负方 向运 动 F 应9 . 4 OP s i it o n o f th e s id e . 0 路I e 激光束 入射方向 工件表面法线 反射激光束 主喷嘴 传播方 向 焊缝 工件运动 方向 图 2 主喷嘴 位 置示 意 图 F ig . 2 P o s i ti o n o f t h e m a i n n o z l e 2 实验材料 及 方 法 焊 接材 料 为 Z C r l 3 不 锈钢 , 规 格 8 0 m m x 3 0 m m ` L S m m ; 焊 接保 护 气 体 为 A r , 供气 气 压 .0 3 M aP . 在 工件 的表 平 面和 法 平 面上 , 侧 喷 嘴 与焊 缝 的夹 角分 别 取 3 0 和 15 “ . 系 统结 构 调整 前进 行 a, b 两 组 实 验 , 系统 调 整 后进 行 c , d 两 组 . 其 中 a , c 两 组 实验 参 数 为 激 光 功 率尸= 8 0 W , 焊 接 速度 v = 12 m ln/ s ; b , d 两 组 的 参 数 为 P = 70 0 W , v = s m n l店 . 3 实 验结 果 及 分析 实验 a , b 所得 焊 缝 深 宽 比 为 l , 且工 件 未焊 透 ; 进 行 系 统 结 构调 整 后 , 工 件 被 加 工部 位 上激 光能 量 有较 明显 的提 高 , 可 焊透 厚度 大 于 1 . s m m 的不 锈 钢板 , 焊缝 质 量 大 为提 高 . 如 图 5 所 示 , 焊 缝 的表 面形 貌 有 较好 的改 善 , 变得 更 为平 整 , 焊