中厚鋼板萬瓦級光纖激光焊接技術研究現狀

　　摘要： 文中從萬瓦級光纖激光深熔焊接熔池行為及羽輝特性、焊接缺欠的抑制、焊接工藝的開發及工程應用等方面，對相關技術的國內外研究現狀、發展趨勢及存在的問題進行了比較系統地闡述和分析。其中，對于中厚鋼板的激光焊接，在功率達到萬瓦以上時，如何保證焊縫質量是目前萬瓦級激光焊接技術能否獲得應用的關鍵問題之一，而羽輝的存在是影響萬瓦級激光焊接穩定性的一個主要因素，利用側吹法、局部負壓法和真空法可以在很大程度上降低羽輝對激光能量的影響;此外，焊縫塌陷和底部駝峰的產生也是阻礙萬瓦級激光焊接技術應用的主要技術難題，通過改變焊接姿態、采用電磁支撐系統、底部氣壓法或焊縫背面強制成形的方法有助于獲得良好的焊縫成形。

　　關鍵詞： 萬瓦級光纖激光; 焊接; 中厚鋼板; 研究現狀; 發展趨勢

　　0前言

　　隨著船舶、核電等領域的快速發展，對中厚鋼板的焊接提出了更高的要求。目前國內中厚鋼板的焊接主要采用窄間隙弧焊，其中以窄間隙埋弧焊和窄間隙TIG為主，也有窄間隙激光焊的應用探索[1]。相對于傳統弧焊方法，窄間隙弧焊可明顯地減少焊接道數，能在一定程度上減小焊接變形并提高焊接效率;此外，窄間隙激光填絲焊[2]和窄間隙激光電弧復合焊[3]也是中厚鋼板焊接的重要研究方向。但無論是窄間隙弧焊還是窄間隙激光焊，由于需要多層填充，均難以滿足更高效率的焊接需求。

　　近年，萬瓦級高功率激光焊接已成為國際上熱門的前沿焊接技術之一，利用萬瓦激光的超高功率密度，可獲得具有更大深寬比特征的焊縫，相同板厚條件下，采用萬瓦級激光焊接可在很大程度上減少焊道層數，從而降低層間清理次數并減少不必要的坡口加工等，可極大提高焊接效率，特別是在中厚鋼板的焊接中具有高效優質焊接技術優勢。因此，萬瓦級激光焊接技術的研究，對于解決國內艦艇、核電等重大領域中厚板優質高效加工具有重要的科學意義及應用價值。文中對相關萬瓦級光纖激光焊接技術的國內外研究現狀進行了匯總分析，主要涉及相關技術特點、熔池行為特征、羽輝物理特性、焊接缺欠的抑制以及焊接工藝的開發應用。

　　1萬瓦級激光焊接技術特點

　　萬瓦級激光焊接工藝窗口更窄，因為相比千瓦級激光焊接，萬瓦級激光功率密度更高(其激光束功率密度可達1×107～1×108 W/cm2)，焊接熱過程更加復雜，極高的激光功率使得材料在極短的時間內被加熱、熔化并發生劇烈的汽化，焊縫熔池金屬蒸發更加劇烈，焊接過程不易控制，特別是熔透時很難達到一個穩定狀態，易出現表面塌陷及底部駝峰。萬瓦激光焊縫成形及常見缺陷[4]，如圖1所示。此外，由于焊接羽輝對激光的屏蔽作用會隨激光功率的增大而急劇增強，因此萬瓦激光焊接過程中產生的大量羽輝，會對入射激光產生強烈干擾，降低激光能量傳輸的穩定性，進而導致焊接過程穩定性變差。

　　2萬瓦級激光焊接熔池行為及羽輝特性研究進展

　　2.1萬瓦級光纖激光焊接熔池行為研究現狀

　　萬瓦級激光焊接過程中，飛濺等焊接缺欠的產生與焊接熔池的行為密切相關，特別是激光匙孔的劇烈波動直接影響到焊接過程的穩定性。激光匙孔縱截面形態，如圖2所示。因此，國內外學者對匙孔的動態行為作了較多研究，常用方法包括高速成像技術、實時X射線檢測及“三明治”觀測法，其中三明治法能夠比較直觀的觀測到匙孔內部狀態，是匙孔特性研究的主要手段之一。

　　有關研究指出，在非穿透狀態下，當激光功率相對較低時(20 kW以下)，飛濺主要在匙孔后沿產生，且其前期形態主要為后沿隆起的金屬液柱[5-6]，形貌如圖3所示。

　　圖3匙孔后沿液柱形貌對于匙孔后沿液柱的產生，Li等人[7]通過“三明治”觀察方法分析了其形成過程，如圖4所示。作者指出，后沿液柱的產生主要與匙孔內壁形成的“凸臺”有關，其中后壁“凸臺”在粘性摩擦力的作用下不斷向上轉移，當其轉移至匙孔開口處時向上隆起并形成液柱。此外，李時春還指出，由于凸臺下面壓力較低且不受激光直接照射，部分蒸氣沿著匙孔前沿向下流動，在匙孔底部遇到向上噴發的蒸氣時便會產生蒸氣渦流，而這會導致熔池金屬的不規則運動，同時會在匙孔后壁產生氣化波，當氣化波在小孔開口處破裂后，往往會伴隨有飛濺、液柱產生。

　　也有報道指出，當激光功率超過20 kW后，飛濺主要產生位置會有所改變。比如，馮立晨[8]在激光功率增加到30 kW時觀察到匙孔前沿區域產生液柱及飛濺的概率明顯增加。但是，作者并沒有對匙孔邊沿不同區域產生金屬液柱概率不同的原因、液柱演變規律等給出規律且詳細的認識。

　　同樣基于“三明治”觀察法，Zhang等人[9]從匙孔內部受力角度，對全熔透焊接時焊縫下表面飛濺的形成原因進行了研究，如圖5所示。研究指出，底部飛濺產生的關鍵驅動力是蒸氣流的高速運動所產生的粘性摩擦阻力。基于上述分析，Zhang等人[10]指出焊縫上下表面產生的較多飛濺，從而造成焊縫填充不足是焊縫表面產生凹陷的原因之一。

　　對于焊縫底部駝峰的產生，陳根余等人[11]認為匙孔前壁產生的“凸臺”對底部駝峰的形成有重要影響。此外，有研究指出，通過施加電磁場可在一定程度上減少背面駝峰的產生，而Qi等人[12]從熔池金屬流動方面解釋了中厚板萬瓦級激光焊接過程中，外加電磁場如何防止焊縫根部下垂和脫落，研究指出電磁力通過減弱對焊縫背面液體的靜壓力來補償表面張力的不足，從而改變熔池金屬的流動性，在表面張力和電磁力的共同作用下，高功率激光熔透焊接時的穩定性得以提高。然而，采用“三明治”也有一定的局限性，因為是與高溫玻璃貼合，匙孔沒有形成完全的閉環，其受力狀態也會與實際焊接時的狀態存在一定差異。

　　2.2萬瓦級光纖激光焊接羽輝特性研究現狀

　　高功率激光焊接時，焊接羽輝會對入射激光產生折射和散射等作用，大幅降低到達工件表面的激光能量，導致焊接熔深無法達到預期的深度，且對焊接過程的穩定性以及焊縫質量有著較大影響。因此深入了解萬瓦級激光焊接時羽輝特性及其對焊接過程的影響機制具有重要意義。目前，對羽輝的研究主要是利用光譜儀、激光探針及高速成像技術等手段、并從羽輝溫度、電子密度及其對入射激光的折射率和衰減系數等方面[13-14]進行分析，常用方法如圖6所示。

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