萬瓦級雷射深熔焊應用解決方案
LASER WELDING TECHNOLOGY

引蒸氣羽烟抑制科技

近年來，隨著雷射器科技的發展，越來越多的大功率雷射器問世，萬瓦級（功率≥10kW）以上雷射器在厚板焊接領域的應用也越來越多。 與千瓦級雷射焊接相比，在萬瓦級雷射深熔焊過程中雷射功率密度更高，深熔焊小孔內部的資料蒸發行為更加劇烈，熔池物理現象更加複雜。 熔池上方產生的大量蒸氣羽烟是制約焊縫成形的關鍵問題之一，蒸氣羽烟對入射雷射束的劇烈干擾使得厚板焊縫成形差，極易產生大的飛濺、表面駝峰等缺陷。 為獲得良好的焊縫成形，必須對蒸氣羽烟進行有效控制。
常規雷射焊主要採用側吹法進行蒸氣羽烟抑制，側吹一方面可以吹散部分蒸氣羽烟，另一方面可以將惰性保護氣體覆蓋在熔池上方，减少焊縫的氧化提高焊接質量，但隨著雷射功率的新增，蒸氣羽烟明顯增强，為了更好的抑制蒸氣羽烟，則需新增側吹氣的流量，但側吹氣體的流量不能新增到太高， 否則易引起焊縫飛濺及凹陷，所以，在萬瓦級雷射功率焊接情况下，單管側吹已無法滿足要求，本文研究採用多路吹氣的管道對蒸氣羽烟進行抑制。

01萬瓦級雷射焊·蒸氣羽烟的影響及抑制原理

金屬材料在極高功率密度雷射束照射下，雷射能量作用速率遠大於資料熱傳導、對流及熱輻射的速率，使得資料表面局部劇烈蒸發汽化，蒸發汽化壓力將熔融金屬排開形成小孔； 金屬蒸氣進一步在高能密度雷射作用下發生電離形成光致电浆，分佈於小孔內部和外部，孔外电浆及金屬蒸氣形成孔外蒸氣羽烟，採用高速攝影的方法對15kW光纖雷射焊接孔外蒸氣羽烟進行觀察，如圖1所示，蒸氣羽烟高度可達70mm，並伴隨飛濺產生，可對入射雷射造成嚴重干擾。



在萬瓦級雷射深熔焊過程中，超强的孔外蒸氣羽烟對入射雷射產生明顯的“遮罩”效應，焊接深度一開始隨著雷射功率的新增而增大，但當雷射功率超過某一值時，焊接深度明顯减小，並產生嚴重缺陷。 有研究表明，蒸氣羽烟對雷射束的折射行為是引起“遮罩”效應的根源所在，通過對入射雷射束的折射，使雷射束產生散焦，明顯减弱雷射的穿透深度。 除對雷射束產生折射外，在萬瓦級雷射深熔焊過程中，孔外蒸氣羽烟穩定性極差，蒸氣羽烟的擾動對雷射束的影響也導致熔池小孔穩定性差，易產生嚴重的焊接飛濺，且在整個焊接過程中，蒸氣羽烟呈現增强—减弱—增强的週期性特點並伴隨產生週期性的駝峰成形現象。

根據研究發現，真空條件下可對高功率雷射焊產生的蒸氣羽烟進行有效控制，即真空雷射焊，但真空室造價高，使用不便，極少用於實際應用，本文重點研究基於常壓下的多路氣體共同作用對蒸氣羽烟進行抑制，採用包含側吹、橫吹、拖罩三路氣體的側吹保護裝置進行蒸氣羽烟控制，其中， 側吹對準熔池，用於熔池位置保護和部分蒸氣羽烟吹散，且側吹氣流集中，有益於提高焊縫成形的均勻性； 橫吹設定於熔池上方較近處，通過橫吹高速氣流抑制蒸氣羽烟的高度，在高度上盡可能的减少其對入射雷射的干擾； 拖罩置於熔池後側與側吹結合進行空氣隔離，避免空氣捲入熔池產生激烈的氧化反應加强蒸氣羽烟的不穩定性，同時，拖罩可對凝固的高溫焊縫進行延時保護，减少焊縫氧化，提高焊接質量。

為檢測側吹保護裝置在萬瓦級雷射深熔焊過程中對蒸氣羽烟的抑制效果，雷射器採用本公司大族光子20kW光纖雷射器，如圖所示。