光斑尺寸對碳鋼板激光焊焊縫成形及氣孔率的影響

崔輝 徐良 楊海鋒 徐富家 王旭友

摘要： 分別研究了單光束與擺動光束兩種光束模式下光斑尺寸對6 mm厚Q345碳鋼激光焊焊縫成形和氣孔的影響。結果表明，相對于單光束激光焊，擺動激光光束模式激光焊能夠有效改善焊縫成形、降低焊縫氣孔率。隨著光斑尺寸的增大，兩種光束模式激光焊的焊縫成形均趨于均勻、穩定，焊縫的氣孔率均明顯降低。該試驗條件下，光斑直徑d≥0.6 mm時，擺動光束激光焊焊縫氣孔消失，此時單光束激光焊仍有明顯的氣孔存在。

關鍵詞： 激光焊; 離焦量; 成形; 氣孔率

中圖分類號： TG 456.7

Abstract： The effects of two beam modes of single beam and swing beam and the spot size on the weld formation and porosity of laser welding of 6 mm thick Q345 carbon steel were studied. The results show that compared with single beam laser welding， swing laser beam laser welding can effectively improve weld formation and reduce weld porosity. With the increase of spot size， the weld formation of the two laser beam modes tends to be uniform and stable， and the porosity of the weld decreases obviously. Under the condition of this experiment， when the spot diameter d ≥0.6 mm， the weld porosity disappears， and there are still obvious pores in single beam laser welding.

Key words： laser scanning; laser welding; porosity

0 前言

碳素鋼因其優良的綜合性能、低溫性能、冷沖壓性能、焊接性能和可切削性以及較高的性價比被廣泛地應用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等方面[1]。目前，碳鋼板的焊接普遍采用埋弧自動焊、焊條電弧焊以及熔化極惰性氣體保護電弧焊（MIG）等方法。

MIG 焊在厚板的焊接過程中，飛濺大、焊接過程穩定性差，容易出現焊縫成形不良。

埋弧焊則需要填充較多焊劑，并且一旦出現焊劑不純或裝配不良時，容易產生熔透不足及夾渣等焊接缺陷[2]。

激光焊具有能量密度高、精度高、速度快、穿透比大等特點[3-4]，在中厚板碳鋼的焊接中獨具優勢，國內外已經開展了廣泛的研究。然而，這些研究大多數都是在單光束模式下進行的，對于同樣焊接厚度下，光斑大小對擺動光束激光焊的焊縫成形以及氣孔率的影響研究較少[5-6]。

基于當前碳鋼激光焊接工藝的現狀，研究了單光束激光與擺動激光兩種光束模式下的焊接效果，并就激光光斑直徑大小對碳素鋼的焊縫成形和氣孔率的影響進行了研究，為碳鋼的激光焊接應用提供一定試驗依據。

1 試驗材料與方法

試驗采用平板堆焊，單面焊雙面成形，激光熱源為 YLS-10000 型激光器，光纖芯徑=400 μm，激光焦距l=300 mm。擺動激光為垂直擺動模式，擺幅H=1mm，頻率 f=60 Hz。試驗材料為 6 mm 厚的Q345 碳鋼，母材的化學成分見表1。保護氣體純氬氣，焊接工藝參數見表2，試驗原理如圖1 所示。

2 試驗結果及分析

2.1 光束模式對焊縫成形與氣孔的影響

在激光束作用點位于焦點位置時來考察單光束和擺動光束兩種光束模式對焊縫成形和氣孔率的影響，結果見表3。從表3 可以看出，擺動激光焊的正面成形優于單光束激光焊，相比于擺動激光焊，單光束激光焊焊縫正面下凹程度更大，咬邊缺欠也更為嚴重，并且更易產生飛濺，其背部的飛濺顆粒大小差異較大，均勻性較差。兩種激光模式的焊縫背面均可成形，相比于單光束激光焊，擺動激光焊的焊縫背部余高稍矮、背部熔寬稍寬，鋪展更為均勻、連續、穩定。

表4為激光束作用點位于焦點位置，兩種光束模式激光焊焊縫的 X 射線探傷照片，焊縫氣孔率統計如圖2所示，結果表明，同樣在焊透 6 mm 接頭的條件下，擺動光束激光焊的焊縫氣孔率為 2.8%，相比單光束激光焊氣孔率下降了約 88.71%，擺動激光焊產生氣孔的傾向比單光束激光焊小，這說明擺動光束在抑制氣孔方面比單光束激光焊更有優勢。

2.2 光斑尺寸對焊縫成形與氣孔率的影響

2.2.1 光斑尺寸對焊縫成形的影響

表5為負離焦下不同光斑尺寸對兩種光束模式激光焊焊縫成形的影響。從表5可以看出，兩種光束模式激光焊焊縫的正面成形咬邊缺陷均較為嚴重，并且隨光斑大小的變化，兩種光束模式激光焊焊縫的正面咬邊缺陷并沒有明顯改善，但相比于單光束激光焊，擺動光束激光焊的背面成形更為連續、穩定，背部鋪展更為均勻、一致。隨著光斑直徑逐漸變大，兩種光束模式激光焊焊縫背面成形有所改善，鋪展趨于均勻、穩定。

圖3為負離焦下兩種光束模式激光焊焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的變化規律，結果表明，焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的增大而增加，并且單光束激光焊背面熔寬的增加趨勢更為明顯。

表6為正離焦下不同光斑尺寸對兩種光束模式激光焊焊縫成形的影響，從表6 可以看出，正離焦下光斑大小的變化對兩種光束模式激光焊焊縫正面、背面影響的規律與負離成形改善不明顯，都存在咬邊、下凹等缺陷。