不同环境气压对激光焊接机的影响
发布时间：2016-08-24为实现真空激光焊接的研究，构建了试验装置。所用激光器为YLR-IOOOO型光纤激光器，该激光器最大输出功率为10 kW，波长为1070 nm，先束质量良好。激光通过光纤传输至固定于机器人上的激光加丁头，激光加丁头的聚焦镜焦长为300 mm，被聚焦的光斑直径为0.4 mm。试验所用的真空室为研究真空激光焊接定制的真空装置，真空室顶部设有激光透射窗口，其由石英玻璃制成，并配有水冷设备，对于波长为1070 nm的焊接激光可实现的最大透射率为99.9%。该真空室通过机械泵和分子泵协同丁作达到试验所需的真空状态。并且真空室内设有移动平台，其与步进电机相连。真空室侧壁设有便于焊接过程监测的观察窗。试验所用材料为低合金高强钢，其主要化学成分如表1所示。试验过程中，试验材料置于真空室内丁作台上，激光透过激光加丁窗口进入真空室内，实施激光焊接过程。通过机械泵和分子泵的协同作用调节环境气压，通过步进电机调节焊接速度，通过机器人调节激光加丁头的高低调节离焦量，以实现焊接参数的变化。在真空激光焊接过程中，利用CCD相机透过观察窗在距离激光束30cm，且与水平面成30。的位置观测激光焊接等离子，其最大采集频率为60 Hz。
3 试验结果
1、环境气压对表面成形的影响
表面成形是焊缝成形的最直观反映。在激光功率P=5kW、焊接速度v=0.5 m/min、离焦量产-2 mm时，不同环境气压下高强钢板单激光堆焊焊缝表面成形如表。环境气压为l05 Pa(大气环境)，无侧吹保护气体的情况下，单激光堆焊焊缝表面成形极差，焊缝不连续，并且形成明显的驼峰焊道，这说明在大气环境下焊接过程稳定性差，由于缺乏焊接保护，焊缝表面氧化比较严重。并且在焊缝附近存在较多焊瘤，这说明大气环境下焊接过程有较大飞溅，CCD拍摄的焊接过程监测结果中同样也发现飞溅现象比较严重。随着环境气压的降低，焊缝表面成形明显改善。当环境气压为103Pa时，焊缝表面成形均匀，连续。当环境气压为103Pa时，焊缝表面极其均匀，表面具有规则连续的鱼鳞纹，并且由于真空环境下不存在环境气体对焊缝的氧化等问题，焊缝表面光亮且具有金属光泽，这说明真空环境对激光焊接焊缝具有良好的保护作用。从表面成形上看，在真空环境下激光焊接获得了一般激光焊接无法获得的表面成形良好的焊缝。据日本学者的报道，在环境气压低于103Pa时，激光焊接焊缝易形成驼峰焊缝，但是在本试验中并没有获得类似结果。
不同环境气压下激光焊接焊缝表面成形
2、激光焊接机焊接速度和环境气压对焊缝熔深的影响
在激光功率P=5 kW和离焦量f=-2 mm时，不同焊接速度和不同环境气压下焊缝。在焊接速度v=4 m/min时，在大气环境下形成的焊缝熔深较浅，随着环境气压的降低焊缝熔深有所增加，但是境气压对焊缝熔深的影响作用并不明显。在焊接速度v=2 m/min时，随着环境气压的降低，焊缝熔深得到了较明显的增加，真空环境下的熔深大约为大气环境下的2.5倍。当焊接速度v=0.5 m/min时，随着环境气压的降低，焊缝熔深增加效果非常明显，环境气压为103Pa时，熔深达到了9 mm，真空环境下焊缝熔深大约是大气环境下焊缝熔深的3倍。焊接速度和环境气压对熔深的影响规律如图2所示，随着环境气压的降低焊缝熔深明显增加，在焊接速度较小时，环境气压对焊缝熔深增加的效果更加显著。当环境气压降低到某一数值熔深几乎不再增加，可将这一环境气压称为临界真空度，临界真空度与激光功率，焊接速度和母材等多个因素相关。
3离焦量和环境气压对焊缝熔深的影响
在激光功率P=5 kW，焊接速度v=l m/min，环境气压为105Pa和10-1Pa条件下，离焦量对焊缝熔深的影响规律，根据以往激光焊接的经验，在大气环境下，一般认为离焦量比较合适的丁艺窗口为-2 mm和0之间。在大气环境下常规激光焊接过程中，虽然合适的离焦量有助于提高焙深和改善成形，但是离焦量的影响作用并不明显。相比于大气环境，在真空环境下离焦量是影响激光焊接焊缝熔深的一个主要变量。
真空条件下大的负离焦为比较合适的下艺窗口，并且不同的离焦量无论是对熔深还是对焊缝成形的影响都是十分显著的。
在试验中，激光功率和焊接速度等条件都一致的情况下，在大气环境下离焦量产时获得最大熔深2.74 mm，而真空条件下离焦量产-6 mm时获得最大熔深8.03 mm。如图4所示，相同的激光功率只是改变离焦量和环境气压就产生了成形差异巨大的焊缝。这说明环境气压的变化必然对激光的能量传输方式产生影响。就真空激光焊接的实际应用方面看，激光焊接在真空条件下，采用较大的负离焦量可以获得焊缝熔深极深、深宽比极大类似电子束焊缝的平行焊缝接头。
4、环境气压对激光焊接机等离子体的影响
等离子体的存在是激光深熔焊的固有特征，因此等离子体的变化可以反映激光焊按过程的变化。为了探究真空环境给激光焊接过程带来的变化，利用CCD相机对不同环境气压下激光焊接过程等离子体进行了拍摄，并进行对比分析。激光功率P=5 kW、离焦量f=-2 mm和焊接速度v=l m/min时，不同环境气压下激光焊接等离子体CCD拍摄结果。可以看出在大气环境下(l05 Pa)在匙孔上方激光传播路径上存在一团亮度极高的等离子体，高度大约为30 mm。随着环境气压的降低等离子体明显变小，等离子体强度降低，说明真空环境对激光焊接等离子体有所抑制。当环境气压下降到l02 Pa时等离子体几乎消失，完全被抑制。真空激光焊接熔深增加，焊缝成形改变都应该与等离子体在真空条件下被抑制相关。
