304L不锈钢管光纤激光焊接形式影响要素的研讨

为了研讨304L不锈钢管光纤激光焊接形式的影响要素，参考平均实验设计的思绪，以激光功率、焊接速度、离焦量为变量，设计了一组实验。经过对实验结果中焊缝成形的剖析，取得光纤激光焊接热导焊和深熔焊的特征方式；经过定量计算，对焊接形式与各焊接参数及其交互作用之间关系停止剖析，肯定焊接形式的影响要素。结果标明：304L不锈钢管光纤激光焊共有四种焊缝成形方式，其由热输入密度（激光功率、焊接速度、离焦量三者的交互作用）决议。当热输入密度小于43.04 J/mm3时，焊缝为圆弧形，对应的焊接形式为热导焊；当热输入密度大于66.82J/mm3时，焊缝为钉头形或钉状，对应的的焊接形式为深熔焊。除此之外，还存在一种中间过渡状态，其所对应的热输入密度也处于两种焊接形式之间。

激光焊接形式可分为热导焊和深熔焊两种。其中热导焊的熔池金属没有气化，而是经过搅拌运动构成焊缝；深熔焊也称为小孔焊，是在熔池金属气化所产生的金属蒸汽压力下构成的[1]。两者的区别在于激光能量能否惹起金属的气化。

现有文献对CO2激光器的焊接形式停止了定性的研讨，结果标明：即便激光功率密度足够大，可以使金属发作气化，但在一定的工艺条件（一定母材、激光功率、离焦量、焊接速度等）下，激光焊接会从稳定的热导焊变为稳定的深熔焊；除了激光功率密度之外，焊接速度也是决议激光焊接形式的重要要素。 激光焊接形式关于激光制造具有十分重要的意义。比方关于低熔深的焊接，有时需求热导焊来增加焊缝宽度从而进步对接焊缝的容错率；关于超薄资料的封头焊，有时又需求用尽量小的功率来取得尽量大的熔深。另一方面，目前正疾速开展的激光填丝焊[3]、激光粉末焊[4]、激光外表改性[5]等技术也需求对焊接形式停止精准控制。

目前普遍应用的光纤激光和碟片激光等固体激光器与CO2激光的差异较大。笔者之前的研讨标明，CO2激光对焊接速度的改动较为敏感，而光纤激光对激光功率的改动较为敏感。

由于目前对光纤激光焊接形式的研讨较少，且缺乏定量的研讨。因而，本文研讨的主要内容对为304L奥氏体不锈钢光纤激光焊接的功率密度以及焊接速度关于光纤激光焊接形式的影响及其定量计算。

2实验办法及内容

2.1  激光焊接形式的影响要素

众所周知，激光焊接形式的主要影响要素为激光功率、作用于304L不锈钢的光斑直径和焊接速度。其中激光功率和焊接速度均可直接取得，而光斑直径由离焦量决议。 作用于304L不锈钢的光斑直径与离焦量的关系可由下式[1]计算： 21/220041zzMDDDλπéùæöêúç÷=+ç÷êû

 （1） 式中  z—— 离焦量，mm； Dz—— 离焦量为z处的光斑直径，mm； D0—— 聚焦镜焦点处光斑直径，0.7 mm； M2—— 激光光束质量，31.6； λ—— 激光波长，1.07×10-3mm。 除了上述三种单一要素外，还能够思索它们之间的交互作用对激光焊接形式的影响。常用的交互作用有激光功率密度、焊接热输入等。 计算功率密度时，还需求计算光斑的面积，其计算公式为： 2zSDπ=

 （2） 式中  S—— 光斑面积，mm2； 激光功率密度表示单位面积内的激光功率，其计算公式为： 52410zPQDπ=×

 （3） 式中  Q——304L不锈钢外表的激光功率密度，W/cm2； P——激光功率，kW。 焊接热输入表示单位长度上304L不锈钢承受到的总能量，其计算公式为： 310PEv=×

 （4） 式中 E——热输入，J/mm； v——焊接速度， mm/s。 上述激光功率密度和焊接热输入均为两个单一参数之间的交互作用。另外，本文还引入了三种单一参数之间的交互作用——热输入密度来表示单位长度上光束作用于304L不锈钢的激光能量密度，其计算公式为： 32410zQPevvDπ==×

 （5） 式中 e——热输入密度，J/mm3。

2.2  实验参数选择

本文采用平均设计法来设计实验参数，这样能够经过较少且散布较为平均实验参数点来掩盖较大的焊接参数范围。

需求留意的是，平均设计实验的实验参数只能在单一要素当选择。关于这些要素间的交互作用能够经过实验后的回归计算等办法停止剖析，但是其前提是各单一要素对实验结果的影响是线性的。由于焊接形式的变化是非线性的，故本文在实验参数设计时还需求思索各交互作用对激光焊接形式的影响。 首先需求肯定所运用的平均设计表。依据平均设计运用表可知，思索三个单一要素时，U*10（108）平均设计表的平均度的偏向较小，此时的实验次数为10次，每个要素需求取10个参数点。 由于激光热导焊需求较小的激光功率密度，故激光功率应在较小的范围内选择，本文在0.8~1.7kW（设置值，遭到焊机本身配置的影响，实践输出功率高于设置功率，下文所述的均为实践输出功率）的范围内选择了10个参数，每个参数距离约为0.1kW。 焊接速度对激光形式的影响未知，故选择范围应较大，但是为了防止焊接速渡过慢使激光作用时间过度增加形成对激光焊接形式的影响，故在40mm/s~85mm/s的范围内选择了10个数据点，每个数据点距离5mm/s。 离焦量绝对值相同时，正离焦与负离焦的光斑直径相同，正离焦与负离焦的区别有时并不明显[2]，但负离焦时焊缝内部的功率密度大于焊缝外表，不能直接反响光斑直径对焊缝的影响，故本文实验均采用正离焦。平均实验每种要素的实验点数量相同，故本文离焦量也有10个数据点，分别为0到9mm（距离1mm），并计算出相应的光斑面积。 综上所述，本文单要素焊接实验计划如表1所示，为了便当后续阐明，表中同时列出了每组实验参数对应的三种交互作用的计算结果。

如前所述，设计实验参数时还需求思索交互作用的影响。分别将表1所列的10组实验参数所对应的功率密度和热输入按大小停止排序构成新的两组要素，再将它们分别和对应的焊接速度、离焦量停止比拟，此时的实验点如图1中的圆点（“●”）所示。

由图1可知，两种实验点散布较不平均，如在左图中，激光功率密度较小时，低焊接速度没有掩盖；激光功率密度较大，高焊接速度没有掩盖。 故在图1的两组实验点散布中各增加了5个实验点来进步实验的平均性。新增的实验点在图1中用三角（“▲”）表示，实验参数如表2所示。  经过对表1和表2的比拟能够发现，表2的焊接参数除了增加实验的平均性之外，还填补了表1热输入密度43—67之间的空白区域。

2.3 实验办法

本研讨运用的母材是304L不锈钢，厚度为6mm；为了扫除焊缝间隙的影响，一切实验直接在平板上停止； 为了防止熔池重力的影响，焊接位置为横焊，光束垂直于试件外表。 按实验计划完成焊接后，在试样中心取样并拍摄宏观金相照片，肯定焊缝的焊接形式。

3实验结果及剖析

3.1  实验结果

20条实验焊缝中共有4种焊缝类型，如图2所示，图2-1（a）中的焊缝为圆弧形；图2-1（b）中的焊缝呈三角形，底部没有明显的突出部；图2-1（c）中的焊缝呈钉头状，底部开端有明显的突出；图2-1（d）焊缝上部也呈钉头状，但底部突出较长，总体呈钉状。

3.2  焊缝成形的直观剖析

如图2（a）所示，焊缝呈典型的热导焊特征，这可能是由于304L不锈钢此时已凝结但尚未沸腾，很大一局部激光被反射，激光的吸收率较低； 图2（b）尚未呈现深熔焊的特征，但已与热导焊明显不同。这一方面阐明此时的“小孔”尚未构成；另一方面此时的304L不锈钢可能曾经沸腾，一定水平的气化使熔池的搅拌变得更为猛烈； 图2（c）的焊缝曾经具有较为明显的深熔焊特征，阐明此时的“小孔”曾经构成； 图2（d）的焊缝除了小孔深度较深以外，“钉头”局部的外形并未呈现明显的变化，这阐明在“小孔”构成后，很大一局部激光能量被小孔吸收，使小孔深化到焊件内部。 综上所述，焊接形式从热导焊变为深熔焊（即小孔的构成），并非一个突变过程，而是存在一个介于两者之间的中间状态。

3.3  实验结果的直观剖析

为了更直观地理解各单一要素以及交互作用要素对焊接形式的影响，将每个要素的参数点按从小到大的次第排列后，其对应的焊接形式列于图3（a）-（f）中。 由图3-（a）-（e）可知，单一要素和双要素的交互作用对激光焊接形式的影响均不明显。

3.3.1 激光功率密度的影响

由图3-（b）可知（需分离表3数据，下同），当焊接速度相同时，经常呈现不同的焊接形式，而其中无一例外的，更大的激光功率密度得到的焊接形式更倾向于深熔焊。 由图3-（d）可知，当功率密度较小时，激光焊接形式倾向于热导焊，当功率密度较大时，激光焊接形式倾向于深熔焊。 进一步剖析可知，随着焊接速度的增加，深熔焊所需的功率密度也相应增加。

3.3.2 热输入的影响

由图3-（c）可知，当光斑面积相同时，更大的热输入（即线能量）得到的焊缝更倾向于深熔焊。 由图3-（e）可知，当热输入较小时，激光焊形式倾向于热导焊，当热输入较大时，激光焊形式倾向于深熔焊。 进一步剖析可知，随着光斑面积的增加，深熔焊所需的线能量也相应增加。

3.3.3 热输入密度的影响

如前所述，激光功率密度和热输入无法完整决议焊接形式，还需求分别思索焊接速度或光斑面积的影响，这恰恰契合热输入密度的定义。 而由图3-（f）可知，随着热输入密度的增加，激光焊接形式逐步由热导焊向深熔焊改动。  综上所述，热输入密度是能够决议激光焊接形式的要素。当热输入密度小于43.04 J/mm3时，304L不锈