一、激光焊侧吹气介绍

激光深熔焊接过程中,当激光功率密度达到 106Ｗ/㎝ 2 以上时，工件表面温度随加热时间的延长而迅速上升，产生熔化、气化。蒸汽压力和强烈蒸发现象导致的反冲压力能够克服熔 化金属表面张力和液体金属压力而在工件内部形成一个“匙孔”，“匙孔”形成后发生壁聚焦 效应使得对激光的吸收率大大增加。“匙孔”内金属蒸汽会以很高的速度从“匙孔口”喷出。蒸汽中的起始自由电子通过逆韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的能量碰撞电离材料和周围气体，使电子密度雪崩般增长，在小孔的内部和上方形成高温高密度的等离子体。在高功率密度的激光焊接过程中，等离子体的温度高度 10000K左右，致密的等离子体会对入射激光束产生强烈的吸收、散射和折射作用，使激光能量受到极大的损失。因此在高功率密度激光焊接过程中，对光致等离子体的控制非常必要。从光束轴向和侧向吹辅助气体不仅可以抑制周围环境气体对焊缝附近区域的污染、改善激光能量的耦合和传输过程，而且这种方法较为灵活，比较有效和实用，所以在实际应用中普遍采用。通过沿激光束轴向或侧向吹辅助气体，可以削弱等离子体，使焊缝熔深增大、焊接过程稳定。侧吹工艺效果的影响因素较多，本文结合激光焊接等离子体高速 CCD摄影的方法研究了侧吹喷咀高度、侧吹角度、侧吹气体流速对激光焊接过程的影响。

二、实验设备

试验中使用的焊接设备是方圆FWK50 型YAG 激光器，最大功率 500Ｗ。试验中同时采用顶吹和侧吹两种保护气流，保护气为氩气。顶吹喷咀内半径为 4 ㎜，侧吹喷咀内半 径 2.5 mm。试验材料是厚度为 2mm的 SUS304 不锈钢平板，焊前用丙酮对试板进行清洗。试验为激光束平板扫描。

实验过程中侧吹气体采用前保护方式， “a”表示送气距离，是光轴和侧吹喷咀下端的距离；“h”表示侧吹喷咀高度，是侧吹喷咀下端和工件上表面之间的距离； “α”表示侧吹角，是侧吹喷咀轴线和水平方向之间的夹角；“H”表示顶吹喷咀高度，是顶吹喷咀下沿和工件上表面之间的距离。

在焊接过程中使用 Phantom590 高速摄影机沿垂直焊缝对称面的方向对等离子体的动态行为进行拍摄。拍摄频率为 1000 幅/秒。

三、实验结果

侧吹喷咀高度的影响

1、在其它试验条件分别保持不变，侧吹喷咀高度为 1 ㎜、3 ㎜、4.3 ㎜、5.5 ㎜、7 ㎜时焊缝的熔透情况、表面熔宽和等离子体的形态。焊缝熔透率表示焊缝中熔透部分的累计长度和焊缝总长度的比值。

2 侧吹保护气流速的影响

比较研究了侧吹保护气流速为 0L/min、5L/min、10L/min、15L/min 时焊缝的熔透情况、 表面熔宽和等离子体的形态，其它试验条件分别保持不变

3 侧吹角度的影响

当侧吹角度为 0°、20°、45°时焊缝的熔透情况、表面熔宽和等离子体的形态，此时其它试验条件分别保持不变。

四、试验结果分析

对喷咀高度取不同值进行比较研究的结果，可以看出侧吹喷咀高度 对焊接结果的影响十分显著。随着侧吹喷咀高度值由小到大的变化，熔透率由几乎为 0 迅速上升，试验中当喷咀高度为 5.5 ㎜时熔透率达到 100﹪，继续增大喷咀高度到 7 ㎜，熔透 率仍为 100﹪，同时焊缝背面熔宽略有增大，说明在试验条件下，随着侧吹喷咀高度值由小到大变化，激光能量和工件的耦合在不断增强。随着侧吹喷咀高度值由小到大变化，正面焊缝熔宽逐渐减小、背面熔宽逐渐增大，表明增大侧吹喷咀高度将能够得到更大的熔深。

侧吹喷咀高度对激光焊接过程的显著影响与其对激光焊接等离子体的控制作用有关。通过高速摄影得到的不同侧吹喷咀高度下的等离子体形态。在薄板激光焊过程中工件表面上方的等离子体云团有两种典型的形态：焊透时出现的体积较小的等离子体云团；未焊透时出现的体积较大的等离子体云团。熔透率不等于 100%时，焊接过程中等离子体云团在两种典型形态之间变换，同时在每一种典型形态下等离子体体积又做着幅度 很小的波动。熔透率等于 100%时，焊接过程中等离子体云团始终呈现较小的体积，同时做幅度很小的波动。在本试验条件下，随着侧吹喷咀高度值由小到大变化，等离子体呈现较小体积形态的几率在不断增大，当喷咀高度取 5.5 ㎜时，这一几率增大到 100%。

对侧吹保护气体流速取不同值进行比较研究的结果。可以看到，当侧吹保护气体流速为 0 时，工件上方的等离子体云团尺寸十分大，强烈的屏蔽效应使得工件上没有形成明

显的熔池。当侧吹保护气体流速增加到 5L/min 时，等离子体在两种典型形态之间变换，但其未焊透时的体积比侧吹流速为 0 时小。当流速增大到 10L/min 后，等离子体始终呈现体积较小的形态并且作幅度很小的波动，此时熔透率为 100%，并且焊缝正面熔宽减小，背面熔宽增大。当流速增大到 15L/min 时，等离子体始终呈现体积较小的形态、作幅度很小的波动，并且等离子体平均体积比流速 10L/min 时小。此时熔透率仍为 100%，与流速为 10L/min 时相比较，焊缝正面熔宽变大，背面熔宽基本相同。但是，由于侧吹流速较大，熔池表面的成形变差，焊接过程中飞溅严重。

对侧吹角度取不同值进行比较研究的结果。试验条件下，侧吹角为 0°、20°时 等离子体均呈现体积较小的形态，熔透率均为 100%，但侧吹角为 20°时焊缝正面熔宽略有 减小、背面熔宽明显增大。当侧吹角为 45°时，等离子体在两种典型的形态之间变换熔透率下降到约 50%，背面熔宽和正面熔宽较侧吹角为 20°时均有所减小。

流速为 10L/min侧吹角为 20°时的试验条件下合流角均约为 40°， 这两种情况下焊缝背面熔宽值都是其同组实验中的最大值，论证了文献中合流角 40°时增大熔深最强”的结论。试验中的合流角都是 40°，可见在最佳合流角度下侧吹喷咀高度对焊接过程有着显著的影响。

五、结论

利用 CCD 高速摄影试验研究了侧吹保护气流在不同侧吹流速、侧吹角度和侧吹喷咀高度对不锈钢薄板的 激光焊接过程中等离子体形态、焊缝熔透率和熔宽的影响。实验结果表明，侧吹喷嘴高度对激光焊接过程有显著的影响；顶吹气流和侧吹气流的合流角约为 40°时焊缝背面熔宽最大；正确的选择侧吹工艺可以使等离子体云团的平均体积、平均高度趋向减小，从而使焊缝的熔透率增大，背面熔宽增大。

（1） 正确的选择侧吹工艺可以使等离子体云团的平均体积、平均高度趋向减小，从而使 焊缝的熔透率增大，背面熔宽增大。

（2） 侧吹喷咀高度对焊接过程有显著的影响，本文试验条件下，随着侧吹喷咀高度增大， 等离子体云团的平均体积、高度减小，焊缝熔透率和焊缝背面熔宽增大，正面熔宽减小。

（3） 顶吹气流和侧吹气流的合流角约为 40°时焊缝背面熔宽最大。

（4） 在薄板激光焊过程中工件表面上方的等离子体云团有两种典型的形态，熔透率不等于 100%时，等离子体云团在两种典型形态之间变换，同时在每一种典型形态下体积做幅度很小的波动。熔透率等于 100%时，焊接过程中等离子体云团始终呈现较小的体积，同时做幅度很小的波动。

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2015-0423