為實現(xiàn)真空激光焊接的研究，構(gòu)建了試驗裝置。所用激光器為YLR-IOOOO型光纖激光器，該激光器最大輸出功率為10 kW，波長為1070 nm，先束質(zhì)量良好。激光通過光纖傳輸至固定于機(jī)器人上的激光加丁頭，激光加丁頭的聚焦鏡焦長為300 mm，被聚焦的光斑直徑為0.4 mm。試驗所用的真空室為研究真空激光焊接定制的真空裝置，真空室頂部設(shè)有激光透射窗口，其由石英玻璃制成，并配有水冷設(shè)備，對于波長為1070 nm的焊接激光可實現(xiàn)的最大透射率為99.9%。該真空室通過機(jī)械泵和分子泵協(xié)同丁作達(dá)到試驗所需的真空狀態(tài)。并且真空室內(nèi)設(shè)有移動平臺，其與步進(jìn)電機(jī)相連。真空室側(cè)壁設(shè)有便于焊接過程監(jiān)測的觀察窗。試驗所用材料為低合金高強(qiáng)鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。試驗過程中，試驗材料置于真空室內(nèi)丁作臺上，激光透過激光加丁窗口進(jìn)入真空室內(nèi)，實施激光焊接過程。通過機(jī)械泵和分子泵的協(xié)同作用調(diào)節(jié)環(huán)境氣壓，通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)焊接速度，通過機(jī)器人調(diào)節(jié)激光加丁頭的高低調(diào)節(jié)離焦量，以實現(xiàn)焊接參數(shù)的變化。在真空激光焊接過程中，利用CCD相機(jī)透過觀察窗在距離激光束30cm，且與水平面成30。的位置觀測激光焊接等離子，其最大采集頻率為60 Hz。
3 試驗結(jié)果
1、環(huán)境氣壓對表面成形的影響
表面成形是焊縫成形的最直觀反映。在激光功率P=5kW、焊接速度v=0.5 m/min、離焦量產(chǎn)-2 mm時，不同環(huán)境氣壓下高強(qiáng)鋼板單激光堆焊焊縫表面成形如表。環(huán)境氣壓為l05 Pa(大氣環(huán)境)，無側(cè)吹保護(hù)氣體的情況下，單激光堆焊焊縫表面成形極差，焊縫不連續(xù)，并且形成明顯的駝峰焊道，這說明在大氣環(huán)境下焊接過程穩(wěn)定性差，由于缺乏焊接保護(hù)，焊縫表面氧化比較嚴(yán)重。并且在焊縫附近存在較多焊瘤，這說明大氣環(huán)境下焊接過程有較大飛濺，CCD拍攝的焊接過程監(jiān)測結(jié)果中同樣也發(fā)現(xiàn)飛濺現(xiàn)象比較嚴(yán)重。隨著環(huán)境氣壓的降低，焊縫表面成形明顯改善。當(dāng)環(huán)境氣壓為103Pa時，焊縫表面成形均勻，連續(xù)。當(dāng)環(huán)境氣壓為103Pa時，焊縫表面極其均勻，表面具有規(guī)則連續(xù)的魚鱗紋，并且由于真空環(huán)境下不存在環(huán)境氣體對焊縫的氧化等問題，焊縫表面光亮且具有金屬光澤，這說明真空環(huán)境對激光焊接焊縫具有良好的保護(hù)作用。從表面成形上看，在真空環(huán)境下激光焊接獲得了一般激光焊接無法獲得的表面成形良好的焊縫。據(jù)日本學(xué)者的報道，在環(huán)境氣壓低于103Pa時，激光焊接焊縫易形成駝峰焊縫，但是在本試驗中并沒有獲得類似結(jié)果。
不同環(huán)境氣壓下激光焊接焊縫表面成形
2、激光焊接機(jī)焊接速度和環(huán)境氣壓對焊縫熔深的影響
在激光功率P=5 kW和離焦量f=-2 mm時，不同焊接速度和不同環(huán)境氣壓下焊縫。在焊接速度v=4 m/min時，在大氣環(huán)境下形成的焊縫熔深較淺，隨著環(huán)境氣壓的降低焊縫熔深有所增加，但是境氣壓對焊縫熔深的影響作用并不明顯。在焊接速度v=2 m/min時，隨著環(huán)境氣壓的降低，焊縫熔深得到了較明顯的增加，真空環(huán)境下的熔深大約為大氣環(huán)境下的2.5倍。當(dāng)焊接速度v=0.5 m/min時，隨著環(huán)境氣壓的降低，焊縫熔深增加效果非常明顯，環(huán)境氣壓為103Pa時，熔深達(dá)到了9 mm，真空環(huán)境下焊縫熔深大約是大氣環(huán)境下焊縫熔深的3倍。焊接速度和環(huán)境氣壓對熔深的影響規(guī)律如圖2所示，隨著環(huán)境氣壓的降低焊縫熔深明顯增加，在焊接速度較小時，環(huán)境氣壓對焊縫熔深增加的效果更加顯著。當(dāng)環(huán)境氣壓降低到某一數(shù)值熔深幾乎不再增加，可將這一環(huán)境氣壓稱為臨界真空度，臨界真空度與激光功率，焊接速度和母材等多個因素相關(guān)。
3離焦量和環(huán)境氣壓對焊縫熔深的影響
在激光功率P=5 kW，焊接速度v=l m/min，環(huán)境氣壓為105Pa和10-1Pa條件下，離焦量對焊縫熔深的影響規(guī)律，根據(jù)以往激光焊接的經(jīng)驗，在大氣環(huán)境下，一般認(rèn)為離焦量比較合適的丁藝窗口為-2 mm和0之間。在大氣環(huán)境下常規(guī)激光焊接過程中，雖然合適的離焦量有助于提高焙深和改善成形，但是離焦量的影響作用并不明顯。相比于大氣環(huán)境，在真空環(huán)境下離焦量是影響激光焊接焊縫熔深的一個主要變量。
真空條件下大的負(fù)離焦為比較合適的下藝窗口，并且不同的離焦量無論是對熔深還是對焊縫成形的影響都是十分顯著的。
在試驗中，激光功率和焊接速度等條件都一致的情況下，在大氣環(huán)境下離焦量產(chǎn)時獲得最大熔深2.74 mm，而真空條件下離焦量產(chǎn)-6 mm時獲得最大熔深8.03 mm。如圖4所示，相同的激光功率只是改變離焦量和環(huán)境氣壓就產(chǎn)生了成形差異巨大的焊縫。這說明環(huán)境氣壓的變化必然對激光的能量傳輸方式產(chǎn)生影響。就真空激光焊接的實際應(yīng)用方面看，激光焊接在真空條件下，采用較大的負(fù)離焦量可以獲得焊縫熔深極深、深寬比極大類似電子束焊縫的平行焊縫接頭。
4、環(huán)境氣壓對激光焊接機(jī)等離子體的影響
等離子體的存在是激光深熔焊的固有特征，因此等離子體的變化可以反映激光焊按過程的變化。為了探究真空環(huán)境給激光焊接過程帶來的變化，利用CCD相機(jī)對不同環(huán)境氣壓下激光焊接過程等離子體進(jìn)行了拍攝，并進(jìn)行對比分析。激光功率P=5 kW、離焦量f=-2 mm和焊接速度v=l m/min時，不同環(huán)境氣壓下激光焊接等離子體CCD拍攝結(jié)果。可以看出在大氣環(huán)境下(l05 Pa)在匙孔上方激光傳播路徑上存在一團(tuán)亮度極高的等離子體，高度大約為30 mm。隨著環(huán)境氣壓的降低等離子體明顯變小，等離子體強(qiáng)度降低，說明真空環(huán)境對激光焊接等離子體有所抑制。當(dāng)環(huán)境氣壓下降到l02 Pa時等離子體幾乎消失，完全被抑制。真空激光焊接熔深增加，焊縫成形改變都應(yīng)該與等離子體在真空條件下被抑制相關(guān)。
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