中厚钢板万瓦级光纤激光焊接技术研究现状

　　摘要： 文中从万瓦级光纤激光深熔焊接熔池行为及羽辉特性、焊接缺欠的抑制、焊接工艺的开发及工程应用等方面，对相关技术的国内外研究现状、发展趋势及存在的问题进行了比较系统地阐述和分析。其中，对于中厚钢板的激光焊接，在功率达到万瓦以上时，如何保证焊缝质量是目前万瓦级激光焊接技术能否获得应用的关键问题之一，而羽辉的存在是影响万瓦级激光焊接稳定性的一个主要因素，利用侧吹法、局部负压法和真空法可以在很大程度上降低羽辉对激光能量的影响;此外，焊缝塌陷和底部驼峰的产生也是阻碍万瓦级激光焊接技术应用的主要技术难题，通过改变焊接姿态、采用电磁支撑系统、底部气压法或焊缝背面强制成形的方法有助于获得良好的焊缝成形。

　　关键词： 万瓦级光纤激光; 焊接; 中厚钢板; 研究现状; 发展趋势

　　0前言

　　随着船舶、核电等领域的快速发展，对中厚钢板的焊接提出了更高的要求。目前国内中厚钢板的焊接主要采用窄间隙弧焊，其中以窄间隙埋弧焊和窄间隙TIG为主，也有窄间隙激光焊的应用探索[1]。相对于传统弧焊方法，窄间隙弧焊可明显地减少焊接道数，能在一定程度上减小焊接变形并提高焊接效率;此外，窄间隙激光填丝焊[2]和窄间隙激光电弧复合焊[3]也是中厚钢板焊接的重要研究方向。但无论是窄间隙弧焊还是窄间隙激光焊，由于需要多层填充，均难以满足更高效率的焊接需求。

　　近年，万瓦级高功率激光焊接已成为国际上热门的前沿焊接技术之一，利用万瓦激光的超高功率密度，可获得具有更大深宽比特征的焊缝，相同板厚条件下，采用万瓦级激光焊接可在很大程度上减少焊道层数，从而降低层间清理次数并减少不必要的坡口加工等，可极大提高焊接效率，特别是在中厚钢板的焊接中具有高效优质焊接技术优势。因此，万瓦级激光焊接技术的研究，对于解决国内舰艇、核电等重大领域中厚板优质高效加工具有重要的科学意义及应用价值。文中对相关万瓦级光纤激光焊接技术的国内外研究现状进行了汇总分析，主要涉及相关技术特点、熔池行为特征、羽辉物理特性、焊接缺欠的抑制以及焊接工艺的开发应用。

　　1万瓦级激光焊接技术特点

　　万瓦级激光焊接工艺窗口更窄，因为相比千瓦级激光焊接，万瓦级激光功率密度更高(其激光束功率密度可达1×107～1×108 W/cm2)，焊接热过程更加复杂，极高的激光功率使得材料在极短的时间内被加热、熔化并发生剧烈的汽化，焊缝熔池金属蒸发更加剧烈，焊接过程不易控制，特别是熔透时很难达到一个稳定状态，易出现表面塌陷及底部驼峰。万瓦激光焊缝成形及常见缺陷[4]，如图1所示。此外，由于焊接羽辉对激光的屏蔽作用会随激光功率的增大而急剧增强，因此万瓦激光焊接过程中产生的大量羽辉，会对入射激光产生强烈干扰，降低激光能量传输的稳定性，进而导致焊接过程稳定性变差。

　　2万瓦级激光焊接熔池行为及羽辉特性研究进展

　　2.1万瓦级光纤激光焊接熔池行为研究现状

　　万瓦级激光焊接过程中，飞溅等焊接缺欠的产生与焊接熔池的行为密切相关，特别是激光匙孔的剧烈波动直接影響到焊接过程的稳定性。激光匙孔纵截面形态，如图2所示。因此，国内外学者对匙孔的动态行为作了较多研究，常用方法包括高速成像技术、实时X射线检测及“三明治”观测法，其中三明治法能够比较直观的观测到匙孔内部状态，是匙孔特性研究的主要手段之一。

　　有关研究指出，在非穿透状态下，当激光功率相对较低时(20 kW以下)，飞溅主要在匙孔后沿产生，且其前期形态主要为后沿隆起的金属液柱[5-6]，形貌如图3所示。

　　图3匙孔后沿液柱形貌对于匙孔后沿液柱的产生，Li等人[7]通过“三明治”观察方法分析了其形成过程，如图4所示。作者指出，后沿液柱的产生主要与匙孔内壁形成的“凸台”有关，其中后壁“凸台”在粘性摩擦力的作用下不断向上转移，当其转移至匙孔开口处时向上隆起并形成液柱。此外，李时春还指出，由于凸台下面压力较低且不受激光直接照射，部分蒸气沿着匙孔前沿向下流动，在匙孔底部遇到向上喷发的蒸气时便会产生蒸气涡流，而这会导致熔池金属的不规则运动，同时会在匙孔后壁产生气化波，当气化波在小孔开口处破裂后，往往会伴随有飞溅、液柱产生。

　　也有报道指出，当激光功率超过20 kW后，飞溅主要产生位置会有所改变。比如，冯立晨[8]在激光功率增加到30 kW时观察到匙孔前沿区域产生液柱及飞溅的概率明显增加。但是，作者并没有对匙孔边沿不同区域产生金属液柱概率不同的原因、液柱演变规律等给出规律且详细的认识。

　　同样基于“三明治”观察法，Zhang等人[9]从匙孔内部受力角度，对全熔透焊接时焊缝下表面飞溅的形成原因进行了研究，如图5所示。研究指出，底部飞溅产生的关键驱动力是蒸气流的高速运动所产生的粘性摩擦阻力。基于上述分析，Zhang等人[10]指出焊缝上下表面产生的较多飞溅，从而造成焊缝填充不足是焊缝表面产生凹陷的原因之一。

　　对于焊缝底部驼峰的产生，陈根余等人[11]认为匙孔前壁产生的“凸台”对底部驼峰的形成有重要影响。此外，有研究指出，通过施加电磁场可在一定程度上减少背面驼峰的产生，而Qi等人[12]从熔池金属流动方面解释了中厚板万瓦级激光焊接过程中，外加电磁场如何防止焊缝根部下垂和脱落，研究指出电磁力通过减弱对焊缝背面液体的静压力来补偿表面张力的不足，从而改变熔池金属的流动性，在表面张力和电磁力的共同作用下，高功率激光熔透焊接时的稳定性得以提高。然而，采用“三明治”也有一定的局限性，因为是与高温玻璃贴合，匙孔没有形成完全的闭环，其受力状态也会与实际焊接时的状态存在一定差异。

　　2.2万瓦级光纤激光焊接羽辉特性研究现状

　　高功率激光焊接时，焊接羽辉会对入射激光产生折射和散射等作用，大幅降低到达工件表面的激光能量，导致焊接熔深无法达到预期的深度，且对焊接过程的稳定性以及焊缝质量有着较大影响。因此深入了解万瓦级激光焊接时羽辉特性及其对焊接过程的影响机制具有重要意义。目前，对羽辉的研究主要是利用光谱仪、激光探针及高速成像技术等手段、并从羽辉温度、电子密度及其对入射激光的折射率和衰减系数等方面[13-14]进行分析，常用方法如图6所示。

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