大功率光纤激光焊接工艺参数对熔深及气孔影响的实验研究

作者及机构
本研究由赵琳（中国钢研科技集团有限公司、新冶高科技集团有限公司）、Tsukamoto Susumu与Arakane Goro（日本物质·材料研究机构）、张岩（中国钢研科技集团有限公司）及田志凌（中国钢研科技集团有限公司）共同完成，发表于《中国激光》2013年第40卷第11期。

学术背景
光纤激光焊接因其光电转换效率高、光束质量优异，在工业领域应用广泛，尤其是大功率光纤激光焊接成为研究热点。然而，未熔透焊接中的小孔型气孔（keyhole porosity）问题长期制约工艺稳定性。尽管CO₂激光和Nd:YAG激光焊接中气孔抑制已有较多研究，但光纤激光焊接的工艺参数（如离焦量、焊接速度）与熔深、气孔的定量关系尚不明确。本研究旨在揭示工艺参数对小孔行为及气孔形成的影响机制，并提出通过功率调制（power modulation）抑制气孔的新方法。

研究流程
1. 实验设计
- 研究对象：低碳钢板（尺寸250 mm×20 mm×20 mm，成分：C 0.16%, Si 0.35%, Mn 1.46%）。
- 设备配置：采用7 kW光纤激光器（光斑直径0.3 mm），配合X射线透射成像系统实时观测小孔动态。
- 参数变量：
- 焊接速度（0.5–10 m/min，离焦量固定为0）；
- 离焦量（-10至+10 mm，焊接速度固定为1.0 m/min）。
- 功率调制实验：三角波脉冲（峰值功率7 kW，基值3 kW，频率10–125 Hz），重点分析60 Hz下的气孔抑制效果。

1. 实验方法
   
   • 熔深与小孔深度关联性验证：通过X射线成像系统捕捉焊接过程中的小孔形态，并与金相腐蚀后的熔深测量结果对比。
     
   • 气孔表征：采用X射线无损探伤量化气孔面积（Ps），定义单位焊缝长度的气孔面积作为气孔倾向指标。
     
   • 功率调制机制：对比连续激光与调制激光下小孔稳定性差异，分析气泡生成频率与功率脉冲的同步性。
     

主要结果
1. 熔深与小孔深度的关系
- X射线成像显示，小孔深度与熔深高度一致（如焊接速度1.0 m/min时，两者分别为9.6 mm与9.7 mm），证实小孔动态直接主导熔池形貌。
- 焊接速度从0.5 m/min增至5.0 m/min时，熔深由10.3 mm降至5.8 mm，小孔深度同步减小（5.5 mm），归因于热输入降低导致的匙孔收缩。

1. 工艺参数对气孔的影响

   • 焊接速度：低速（<3.0 m/min）时气孔集中于熔深中部，Ps达峰值；速度升至5.0 m/min后气孔消失。原因为高速焊接下小孔振荡减弱，稳定性提升。
     
   • 离焦量：离焦量为0时气孔率最高（Ps最大值），正/负离焦均能降低气孔倾向，但+10 mm与-10 mm的效果差异显著，可能与光斑能量分布不对称性有关。
     

2. 功率调制的优化效果

   • 三角波调制在20–125 Hz范围内显著抑制气孔，60 Hz时气孔率最低（较连续激光降低90%）。
     
   • X射线动态显示，调制激光使小孔膨胀/收缩幅度减小，气泡产生频率与功率脉冲同步，避免气泡滞留形成气孔。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次明确光纤激光焊接中熔深与小孔深度的直接对应关系，提出功率调制通过稳定小孔抑制气孔的物理机制。
2. 应用价值：为工业焊接参数优化提供依据，如高速焊接（>5.0 m/min）或适度离焦（±5 mm）可兼顾熔深与气孔控制；60 Hz三角波调制可作为气孔抑制的标准化工艺。

研究亮点
1. 方法创新：结合X射线实时成像与功率调制技术，实现小孔行为与气孔形成的动态关联分析。
2. 发现新颖：揭示离焦量对气孔的非对称性影响，挑战传统“离焦量绝对值决定气孔率”的认知。
3. 工业指导性：提出60 Hz为最佳调制频率，可直接应用于高功率光纤焊接产线。

其他发现
研究还指出，保护气体（Ar）的侧吹角度（45°）与流量（10 L/min）对气孔抑制有协同作用，但需进一步实验验证其与功率调制的交互效应。