第3章 不等厚钢板双光束激光焊接试验研究.pdf

不等厚钢板双光束激光焊接试验研究 （李俐群，陈彦宾，夏昌兴，封小松 哈尔滨工业大学） 摘要：采用单激光束进行不等厚度板材拼焊时，光斑尺寸小，对对中性、焊接间隙、路径控 制等要求严格。本文采用双光束激光焊接方法进行了不等厚度钢板的对接拼焊试验，研究了 各种条件下的焊接特性。试验结果表明，增大双光束能量比、降低有效光束尺寸、将大功率 光束位于焊缝中心，小能量光束位于厚板，均有利于减小焊缝表面宽度，提高接头成形性能。 在此基础上，利用 CCD 视觉传感系统对焊接过程的等离子体行为进行了观测和分析，比较 了单、双光束焊接下的等离子体及焊缝表面形状。结果表明，双光束激光焊接等离子体波动 较小，相对稳定；在相同工艺参数下，与单光束焊接比较，双光束激光焊缝表面更光滑、规 则，焊缝表面质量明显提高。 关键词：双光束 激光焊接 不等厚 间隙 适应性 1 引言 激光焊接技术由于独特的优点而正被广泛应用于工业之中，但有时仍存在一些焊接缺 陷，如密集气孔、焊缝表面不规则、咬边、凸起以及凝固裂纹等。此外，激光光斑尺寸小， 焊接过程中对对中性、焊接间隙、路径控制等要求严格，对于不等厚板的激光拼焊尤其如此。 近年来，人们一直在研究同时使用两束激光进行焊接的方法，即双光束激光焊接。 “双光束”一词意味着在焊接过程中同时使用两束激光。在目前已知的双光束激光焊接 系统中，大多是将两个Nd:YAG激光器混合使用，这是由于此时使用两个光纤聚焦头操作简 单。当然，也可以通过使用光学设备将两个CO2激光束混合使用。这种经光学设备分光所形 [1,2] 成的双光束激光焊接系统更容易实现光束间距和两光束能量比的调整 。 综合分析目前双光束激光焊接的研究结果，可以得到与单光束激光焊接相比的优点： (1) 在不等厚度拼板的焊接中，双光束激光焊接适应性更好，对工件及其装配精度要求 相对较低，尤其在对接接头的焊接中，允许的间隙量更大； (2) 双光束产生的小孔更为稳定，使得焊接过程更稳定，从而提高了焊接质量。如焊接 铝合金和碳钢时，焊缝表面光滑，气孔、咬边、裂纹等缺陷明显减少。 (3) 在应用串行排布双激光束时，利用其中一束光作为热处理热源，可以有效降低焊接 熔池冷却速度，从而降低焊缝硬度及裂纹敏感性，并能够提高焊缝强度； 采用常规单激光束进行不等厚度板材拼焊时，存在一些比较难以克服的问题，如由于激 光束光斑尺寸很小，并且要同时落在两板边缘处，光斑位置难以控制，这对板边的准直度和 端面平整性有很高要求；有间隙板材对接焊时，所允许间隙量较小，而焊缝上下表面凹陷与 对接板边间隙直接相关。采用可旋转双光束激光焊接汽车拼板，可以在一定程度上克服上述 问题，提高焊接质量。本文采用将一束CO2激光分光的办法，对不等厚度的低碳钢板进行了 双光束激光焊接试验，并采用CCD观测了焊接过程的等离子体变化。全面分析了各种因素 对焊接过程的影响，为将双光束激光焊接技术应用于拼焊板生产中提供技术支持。 2 试验条件 试验材料选用低碳钢材料Q195 。对接板材厚度分别为 1.4mm、0.8mm ，板材尺寸为 30mm×100mm 。焊前工件表面经丙酮去油污处理。试验设备主要包括：扩散冷却射频激励 CO2激光器，四轴控制CNC数控系统及平面工作台，激光器主要技术参数见表 1。 本文采用分光镜将一束CO2激光分成两束光，其分光原理如图 3 所示。分光镜为屋脊反 射镜，镜表面的上下两部分不在同一平面上，而是互成一定角度。本文试验中分别使用了光 束间距为 0.6mm，2.0mm两种不同的分光镜。在实际焊接过程中，通过在水平位置上移动分 光镜的位置来调节两束激光能量配比。 表 1 试验用CO 激光器主要技术参数 2 额定功率 输出方式 波长 模式 焦距 聚焦直径 3 kW 连续或脉冲 10.6 μm TEM01 190 mm 0.20 mm 图 1 CO 激光器分光系统