為實(shí)現(xiàn)真空激光焊接的研究，構(gòu)建了試驗(yàn)裝置。所用激光器為YLR-IOOOO型光纖激光器，該激光器最大輸出功率為10 kW，波長為1070 nm，先束質(zhì)量良好。激光通過光纖傳輸至固定于機(jī)器人上的激光加丁頭，激光加丁頭的聚焦鏡焦長為300 mm，被聚焦的光斑直徑為0.4 mm。試驗(yàn)所用的真空室為研究真空激光焊接定制的真空裝置，真空室頂部設(shè)有激光透射窗口，其由石英玻璃制成，并配有水冷設(shè)備，對(duì)于波長為1070 nm的焊接激光可實(shí)現(xiàn)的最大透射率為99.9%。該真空室通過機(jī)械泵和分子泵協(xié)同丁作達(dá)到試驗(yàn)所需的真空狀態(tài)。并且真空室內(nèi)設(shè)有移動(dòng)平臺(tái)，其與步進(jìn)電機(jī)相連。真空室側(cè)壁設(shè)有便于焊接過程監(jiān)測(cè)的觀察窗。試驗(yàn)所用材料為低合金高強(qiáng)鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)材料置于真空室內(nèi)丁作臺(tái)上，激光透過激光加丁窗口進(jìn)入真空室內(nèi)，實(shí)施激光焊接過程。通過機(jī)械泵和分子泵的協(xié)同作用調(diào)節(jié)環(huán)境氣壓，通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)焊接速度，通過機(jī)器人調(diào)節(jié)激光加丁頭的高低調(diào)節(jié)離焦量，以實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的變化。在真空激光焊接過程中，利用CCD相機(jī)透過觀察窗在距離激光束30cm，且與水平面成30。的位置觀測(cè)激光焊接等離子，其最大采集頻率為60 Hz。
3 試驗(yàn)結(jié)果
1、環(huán)境氣壓對(duì)表面成形的影響
表面成形是焊縫成形的最直觀反映。在激光功率P=5kW、焊接速度v=0.5 m/min、離焦量產(chǎn)-2 mm時(shí)，不同環(huán)境氣壓下高強(qiáng)鋼板單激光堆焊焊縫表面成形如表。環(huán)境氣壓為l05 Pa(大氣環(huán)境)，無側(cè)吹保護(hù)氣體的情況下，單激光堆焊焊縫表面成形極差，焊縫不連續(xù)，并且形成明顯的駝峰焊道，這說明在大氣環(huán)境下焊接過程穩(wěn)定性差，由于缺乏焊接保護(hù)，焊縫表面氧化比較嚴(yán)重。并且在焊縫附近存在較多焊瘤，這說明大氣環(huán)境下焊接過程有較大飛濺，CCD拍攝的焊接過程監(jiān)測(cè)結(jié)果中同樣也發(fā)現(xiàn)飛濺現(xiàn)象比較嚴(yán)重。隨著環(huán)境氣壓的降低，焊縫表面成形明顯改善。當(dāng)環(huán)境氣壓為103Pa時(shí)，焊縫表面成形均勻，連續(xù)。當(dāng)環(huán)境氣壓為103Pa時(shí)，焊縫表面極其均勻，表面具有規(guī)則連續(xù)的魚鱗紋，并且由于真空環(huán)境下不存在環(huán)境氣體對(duì)焊縫的氧化等問題，焊縫表面光亮且具有金屬光澤，這說明真空環(huán)境對(duì)激光焊接焊縫具有良好的保護(hù)作用。從表面成形上看，在真空環(huán)境下激光焊接獲得了一般激光焊接無法獲得的表面成形良好的焊縫。據(jù)日本學(xué)者的報(bào)道，在環(huán)境氣壓低于103Pa時(shí)，激光焊接焊縫易形成駝峰焊縫，但是在本試驗(yàn)中并沒有獲得類似結(jié)果。
不同環(huán)境氣壓下激光焊接焊縫表面成形
2、激光焊接機(jī)焊接速度和環(huán)境氣壓對(duì)焊縫熔深的影響
在激光功率P=5 kW和離焦量f=-2 mm時(shí)，不同焊接速度和不同環(huán)境氣壓下焊縫。在焊接速度v=4 m/min時(shí)，在大氣環(huán)境下形成的焊縫熔深較淺，隨著環(huán)境氣壓的降低焊縫熔深有所增加，但是境氣壓對(duì)焊縫熔深的影響作用并不明顯。在焊接速度v=2 m/min時(shí)，隨著環(huán)境氣壓的降低，焊縫熔深得到了較明顯的增加，真空環(huán)境下的熔深大約為大氣環(huán)境下的2.5倍。當(dāng)焊接速度v=0.5 m/min時(shí)，隨著環(huán)境氣壓的降低，焊縫熔深增加效果非常明顯，環(huán)境氣壓為103Pa時(shí)，熔深達(dá)到了9 mm，真空環(huán)境下焊縫熔深大約是大氣環(huán)境下焊縫熔深的3倍。焊接速度和環(huán)境氣壓對(duì)熔深的影響規(guī)律如圖2所示，隨著環(huán)境氣壓的降低焊縫熔深明顯增加，在焊接速度較小時(shí)，環(huán)境氣壓對(duì)焊縫熔深增加的效果更加顯著。當(dāng)環(huán)境氣壓降低到某一數(shù)值熔深幾乎不再增加，可將這一環(huán)境氣壓稱為臨界真空度，臨界真空度與激光功率，焊接速度和母材等多個(gè)因素相關(guān)。
3離焦量和環(huán)境氣壓對(duì)焊縫熔深的影響
在激光功率P=5 kW，焊接速度v=l m/min，環(huán)境氣壓為105Pa和10-1Pa條件下，離焦量對(duì)焊縫熔深的影響規(guī)律，根據(jù)以往激光焊接的經(jīng)驗(yàn)，在大氣環(huán)境下，一般認(rèn)為離焦量比較合適的丁藝窗口為-2 mm和0之間。在大氣環(huán)境下常規(guī)激光焊接過程中，雖然合適的離焦量有助于提高焙深和改善成形，但是離焦量的影響作用并不明顯。相比于大氣環(huán)境，在真空環(huán)境下離焦量是影響激光焊接焊縫熔深的一個(gè)主要變量。
真空條件下大的負(fù)離焦為比較合適的下藝窗口，并且不同的離焦量無論是對(duì)熔深還是對(duì)焊縫成形的影響都是十分顯著的。
在試驗(yàn)中，激光功率和焊接速度等條件都一致的情況下，在大氣環(huán)境下離焦量產(chǎn)時(shí)獲得最大熔深2.74 mm，而真空條件下離焦量產(chǎn)-6 mm時(shí)獲得最大熔深8.03 mm。如圖4所示，相同的激光功率只是改變離焦量和環(huán)境氣壓就產(chǎn)生了成形差異巨大的焊縫。這說明環(huán)境氣壓的變化必然對(duì)激光的能量傳輸方式產(chǎn)生影響。就真空激光焊接的實(shí)際應(yīng)用方面看，激光焊接在真空條件下，采用較大的負(fù)離焦量可以獲得焊縫熔深極深、深寬比極大類似電子束焊縫的平行焊縫接頭。
4、環(huán)境氣壓對(duì)激光焊接機(jī)等離子體的影響
等離子體的存在是激光深熔焊的固有特征，因此等離子體的變化可以反映激光焊按過程的變化。為了探究真空環(huán)境給激光焊接過程帶來的變化，利用CCD相機(jī)對(duì)不同環(huán)境氣壓下激光焊接過程等離子體進(jìn)行了拍攝，并進(jìn)行對(duì)比分析。激光功率P=5 kW、離焦量f=-2 mm和焊接速度v=l m/min時(shí)，不同環(huán)境氣壓下激光焊接等離子體CCD拍攝結(jié)果�？梢钥闯鲈诖髿猸h(huán)境下(l05 Pa)在匙孔上方激光傳播路徑上存在一團(tuán)亮度極高的等離子體，高度大約為30 mm。隨著環(huán)境氣壓的降低等離子體明顯變小，等離子體強(qiáng)度降低，說明真空環(huán)境對(duì)激光焊接等離子體有所抑制。當(dāng)環(huán)境氣壓下降到l02 Pa時(shí)等離子體幾乎消失，完全被抑制。真空激光焊接熔深增加，焊縫成形改變都應(yīng)該與等離子體在真空條件下被抑制相關(guān)。
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