本文研究了激光振荡焊接对蒸汽羽流、熔池和小孔动力学行为的影响。

摘要

研究了激光振荡焊接对蒸汽羽流、熔池和小孔动力学行为的影响。随着振荡频率的增加，等离子体羽流的高度和面积减小，羽流形态的稳定性有所提高。在束流振荡条件下，熔池的形态和流动特征也因合成能沉积而发生变化，从而影响焊缝的凝固过程。圆束振荡的重熔效果可以消除气孔的形成，提高焊接质量。

1. 介绍

激光焊接通常是最可取的方法，在精心设计的加工措施，无论是对接和搭接配置。特别是激光深熔焊接具有功率密度高、热输入低、热影响区窄等优点，可以一次完成中厚板的连接，最大限度地减小焊缝零件的变形。然而，由于激光束聚焦在一个非常小的点上，关键的边缘制备和合模精度是激光焊接不可缺少的。此外，由于梁-材料相互作用的不同，焊缝的一致性和无缺陷并不明显，这严重依赖于工艺参数和材料属性。激光调制技术，如脉冲和振荡激光模式，已被证明是解决对准问题，调节焊接形貌，抑制缺陷的潜力。因此，激光振荡焊接正成为材料加工应用的主导方法。

由于其独特的特性，激光振荡焊接技术越来越受到人们的关注。激光光斑轨迹的改变可以影响加热能量分配和熔体流动，从而优化焊缝形状，抑制焊缝缺陷，细化晶粒，改善接头性能。然而，振动模式、振幅和频率的各种参数的选择将影响焊接的稳定性和接头质量。我们之前的研究表明，圆束振荡可以抑制缺陷，细化晶粒，提高工艺稳定性。在补偿误差方面，束振荡是增加焊缝宽度和工艺公差的有效措施，但振荡参数对焊缝深度和形状的影响必须考虑到。焊接梁振动的形成机制主要是焊缝重叠率和焊接模式的转变。束流振荡可以调节熔体向摆动模式流动，显著增加小孔直径。在熔体中，表面张力效应减弱，提高了小孔的稳健性，降低了气孔率。

获得了最佳的显微结构效果。

值得注意的是，焊缝中可能存在一些隐形缺陷，这也可能导致焊缝质量的下降。为了进一步验证优化方案的质量，利用LWD300LMDT电镜观察了焊缝区100和200量级的金相组织，如上图所示。从图中可以看出，晶界分布在焊缝区域的两侧，柱状晶粒分为两个方向，且保持均匀。细小柱状晶有利于提高焊缝的强度、弹性和韧性。热影响区较窄，有利于减少焊接变形。此外，焊缝中不存在气孔、凝固裂纹等微观缺陷，这些缺陷会显著降低焊缝质量。总的来说，得到的最优解的显微组织能满足焊接接头的要求。

束流振荡产生的焊接稳定性、形貌、显微组织和性能与加热能量的重新分配、熔体流动模式和小孔特性有关。相关研究表明，激光焊接过程中，熔池和蒸汽羽流行为与小孔稳定性密切相关，可通过高速摄像机直接观测和测量。激光深熔焊接的羽流出现了特征峰值和剧烈波动。Shcheglov等人发现汽气相流衰减了激光在整个羽流长度内的传播。羽流的剧烈波动降低了激光辐射的稳定性，并可能导致宏观焊接缺陷。金属蒸气的喷射方向与熔池有关。等离子体羽流振荡主要是由剧烈的局部蒸发和严重的锁孔几何变化引起的。

Gao等提出，由于羽流和熔池的动态特征对焊接稳定性、焊接凝固和结晶过程的影响，可以准确地判断焊接质量。此外，束的振荡影响熔体池的流动性，从而调节熔体池的形状。红外热像图显示，较高的束流振荡频率形成了较长的、较窄的熔体池。此外，振荡频率和振幅对焊缝形貌、熔池湍流和凝固行为均有影响。Huang等研究发现，羽流速度的变化与锁孔形态的动态运动有很好的同步。羽流速度随锁孔的缩小而减小，随锁孔的扩大而增大。Schweier等人分析了激光振荡焊接飞溅的形成也与熔池和小孔行为有关。

工艺参数对峰值温度的交互影响。颜色越接近暖色，温度越高。红色:55以上 °C;黄色:50 - 55 °C;绿色:低于50 °C。(本图图例中有关颜色的参考资料，读者可参考本文的网络版。)

当分析任意两个参数之间的交互时，其他参数保持在中央级别。激光功率、光斑移动速度和脉冲频率对离体皮肤组织峰值温度的相互作用如上图所示。红点是预测值以上的设计点。40 N/cm2以上的组织为有效粘接。因此，以最大粘接强度和最小热损伤为优化目标。

上述研究表明，激光振荡焊接在抑制缺陷和改善焊缝性能方面具有广阔的应用前景。相关研究主要集中在焊缝形貌和组织演化方面。等离子体羽流、熔体熔池和小孔等工艺特性是阐明和揭示束流振荡焊接机理的关键，但却很少有研究。本文系统地研究了奥氏体不锈钢激光振荡焊接工艺特性。

2. 实验方法和步骤

使用6个 kW的IPG lls -6000光纤激光电源和六轴机器人焊机自动焊接样品板。工作激光波长为1070 nm, BPP光束参数积为6.4 mm·mrad。IPG D50摆动焊接头由焦距为200 mm的准直装置和焦距为150 mm的f-θ聚焦装置组成。束流振荡由振镜扫描仪控制，可振荡最高频率为1000 Hz，振幅为2.0 mm。在这项工作中，激光焊接的横向和圆形振荡模式，已广泛应用到目前为止，被使用。本实验焊接参数如表1所示。对不同光束振荡模式的能量分布计算表明，随着振荡振幅和频率的增加，能量峰值明显减小。

表1 本实验中的焊接参数。

在304奥氏体不锈钢(厚度为20 mm)上进行了BOP焊接试验，研究了摆动参数对焊缝几何形状的影响。流量为15 L/min的Ar保护气体位于焊接位置后方，抑制烟羽向上扩散。用光学显微镜(OM)对试样进行横向切片，测量焊缝的宽度和穿透度。确定了参数，得到了焊透度合适的无缺陷焊缝。图1为激光振荡焊接实验装置的设计方案。高速摄像系统包括高速摄像(Olympus, i-SPEED 3)、808 nm干涉滤光片和二极管激光背光光源。

在数据采集过程中，激光源保持静止，平台以焊接速度运动。记录蒸汽羽流时，在焊接方向前获取烟流的宽度，在焊接方向侧面观测烟流的高度、面积和倾角。利用808 nm二极管激光光源和衰减透镜采集熔池图像，消除羽流光的干扰，照射熔池表面。以1500帧/秒的帧率，在焊接方向前方70°呈现高速摄像机和二极管激光光源。材料内部的激光钥匙孔不能直接观察到，因此采用不锈钢和耐热石英玻璃的“三明治”结构。焊接时，将耐热石英玻璃熔化，从玻璃侧面观察小孔轮廓。

图1 激光振荡焊接实验装置方案。

3.结果与讨论

3．1. 蒸汽柱配置文件

蒸汽羽流是从小孔中喷射出的金属蒸汽，其动态特性影响激光能量的传输，同时也反映了过程的稳定性。蒸汽羽流由核心区(高密度等离子体)和外区(扩散等离子体）组成。在焊接过程中，堆芯蒸汽稳定且持续存在。典型的激光蒸汽羽流几何形状和图像处理过程如图2所示。对原始图像进行斩波、二值化和边缘检测。然后提取烟羽高度和面积来表征烟羽特征。

图2 典型的蒸汽羽流几何和图像处理过程。

图3、图4、图5为振幅为0.8 mm、频率为100 Hz的周期内各种振荡模式的蒸汽羽流图像。无振荡激光焊接过程在不同发射方向的羽流特征如图3所示。大尺寸、高海拔的蒸汽柱向激光入射方向扩展，导致能量衰减，焊接过程不稳定。由于激光能量传输的不稳定，金属蒸汽羽流的形状和大小表现出较大的波动特征。Shcheglov等发现激光焊接的蒸汽有严重的振荡，这会导致激光辐射在焊接板上的波动，导致焊接质量变差。此外，周期性变化羽流与锁孔的动态行为密切相关。可以看出小孔亮度随羽流波动而变化。t + 2.0 ms时，锁孔亮度减弱，羽状同时缩小;t + 3.0时，锁孔亮度增强，羽状扩展。

图3 非振荡激光焊接的蒸汽羽流特征:(a)侧面的焊接方向;(b)前方焊接方向。

图4 横向振荡激光焊接在不同发射方向上的蒸汽羽流特征:(a)侧面的焊接方向;(b)前方焊接方向。

图5 不同发射方向的环形振荡激光焊接的蒸汽羽流特征:(a)在焊接方向侧面;(b)前方焊接方向。

消光系数不仅与羽流高度有关，而且与羽流倾角有关。应用波束振荡，如图4、图5所示，羽流沿高度方向宽度变宽收缩。激光辐射传播通道中的羽流被稀释，降低了激光能量在深穿透焊缝上方的屏蔽作用。激光束的振荡改变了激光束的运动轨迹，改变了焊缝区域的能量分配，导致了焊缝羽流形态的周期性变化。

由图6可以看出，与无振荡激光焊接相比，具有线性振荡和圆形振荡的激光焊接光束移动速度明显提高。线性振荡时运动速度随光束位置变化明显，并在逆转点处减小到最小值，而圆振荡时运动速度略有波动。激光在反转点处的辐射时间大于线性振荡的中心区域。汽羽更小的尺寸和高度和标题角是更倾向于焊接方向,偏离的激光束入射方向(图4)。此外,汽羽扩大垂直焊接方向,导致激光束的横向运动。对于图5中的圆振荡模式，激光束沿焊接方向和反焊接方向周期性运动，在不同位置表现出不同的行为。可以看出，当激光束的运动方向沿着焊接方向时，羽流会膨胀、增大。此时，激光束在熔池处辐照，熔池容易气化，形成蒸汽羽流。当移动方向沿焊接方向时，羽流衰减，羽流向焊接方向倾斜较大。

图6 不同光束振荡模式下激光束的运动速度。(振幅0.8 mm，频率100 Hz)。

圆形束振荡的蒸汽羽流示意图如图7所示。蒸汽羽流特征随激光轨迹相对位置和焊接方向的不同而不同。由于圆光束振荡幅度较小，频率较高，整个激光辐照区可视为小孔。因此，激光束的圆形轨迹会作用于锁孔壁的不同位置，产生不同特征的蒸汽羽流。可以看出，当激光束与焊接方向相反时，激光束照射在锁孔的中间和后面的位置。此时，由于液态焊缝金属被圆形束流推入，无法回流填充锁孔，导致少量的蒸汽等离子体形成，锁孔在稳态时变宽。烟羽向焊接方向倾斜，倾斜角度较小。而当激光束沿焊接方向时，如图7(b)所示，形成了与无振荡焊接过程相似的更大尺寸的蒸汽羽流，其扩展方向与焊接方向相反。激光束在锁孔前壁辐射，熔化母材，扩大熔池区。母材金属和液态焊接金属在锁孔前壁上堆积，产生更多的金属蒸气，并在锁孔壁上形成更高的烟羽。羽流特征随圆束振荡呈现周期性变化。

图7 圆束振荡的蒸汽羽流示意图:(a)后向运动;(b)激光束与焊接方向的共轭运动。

提取平均600帧图像在稳定阶段的连续羽流高度和面积，计算相对频率分布，以反映在一定姿态和区域内的蒸汽频率概率。图8、图9给出了不同振荡模式下蒸汽羽流高度和面积的时域和相对频率分布。对于无振荡激光焊接，蒸汽羽流具有显著的波动特性。从相对频率图可以看出，羽流高度和面积的分布较为离散。羽流高度集中在60像素以下，羽流面积在4000 ~ 6000像素处达到最大值。蒸汽羽的波动表明焊接过程不稳定，导致焊透不均匀和焊缝缺陷。与无振荡焊接过程相比，有振荡焊接过程的蒸汽羽流相对稳定，波动较小。羽流高度和面积主要集中在低值带。特别是在环形振荡模式下，羽流高度受到抑制，主要集中在20像素以下。

图8 图像序列的羽流高度和面积的时域:(a)非振荡;(b)横向振荡;(c)环形振荡。

图9 不同振荡模式下羽流的相对频率分布:(a)羽流高度;(b)羽流区。

束流振荡频率决定了整个焊接区域的激光能量分配。图10为不同圆振荡频率下的蒸汽羽流相对频率分布。由表2可以看出，激光束的移动速度随着光束振荡频率的增加而显著增加。当振荡频率为200 Hz时，直线焊接速度由无振荡焊接时的0.3 m/min增加到30 m/min。降低激光能量密度，降低激光穿透能力。振荡频率大于200 Hz时，烟羽高度逐渐减小，主要集中在20像素以下。随着振荡频率的增加，蒸汽羽流的稳定性增加，表明焊接过程变得更加稳定。

图10 圆形振荡的羽流高度和面积随振荡频率的相对频率分布。

表2 不同圆光束振荡频率下激光束的运动速度。

３．２．熔池和钥匙孔

研究了束流振荡模式和频率对熔池几何形状的影响。在相同的焊接位置获得不同焊接参数下的熔池图像，以排除热积累的影响。提取熔池特征值、熔池宽度、熔池长度和凝固前沿角，如图11所示。不同的光束振荡模式主要影响整个焊接区激光能量的分配。激光束的振荡幅度和频率增大了激光束的加热面积，从而影响激光的能量密度。在本研究中，束流振荡幅值保持不变。束流振荡可以增大熔池宽度，减小熔池长度。

圆形振荡焊熔池的凝固前沿角较小，影响焊缝金属的温度梯度和凝固过程。Kraetzsch等发现熔体池湍流会影响凝固行为，Hagenlocher等发现循环振荡中温度梯度的降低会导致晶粒细化。激光束振荡实际上增加了线速度，降低了能量密度，因为在所有的经验中，每长度的能量保持恒定。线性焊接速度越大，温度梯度越大，加热时间越短。而振动频率下能量分布和熔体流动更加均匀，有利于焊接过程的稳定。图11(b)显示了不同圆振荡频率下熔体池的特征。熔池宽度随振荡频率的增加而略有增加，而熔池长度在50 Hz频率较高时先减小后增大，这是由于激光束振荡将激光能量分布在整个加工区，吸收的能量增加所致。但随着束流振荡频率的增加，熔池宽度增加的幅度较小，这是由于在较高的线速度下，冷却速率增大，热传导时间缩短所致。

图11 熔体池特点:(a)各种振荡模式;(b)各种圆振荡频率。

不同的振荡模式产生独特的激光能量分布。由于激光辐射时间的延长，更多的激光能量集中在交叉或反转区域。束流振荡对熔池的几何形状和流动特性也有影响。对于无振荡焊接过程，如图12(a)所示，小孔反冲压力导致熔池振荡，液态金属从熔池中溅射出来。由于激光光斑的振荡使熔池流动发生了明显的变化，在侧向振荡的反转点会形成一些飞溅。如图6所示，在逆转点处，激光束的运动轨迹发生了很大的突变。当激光束移动到反转点时，液态金属流动到熔池边缘区域，由于激光束移动速度快，导致液态金属无法稳定存在。熔体池的剧烈波动导致液柱无法回流到熔体池中。此外，边缘区辐射时间和能量输入较高，产生较大的匙孔蒸汽反冲压力，导致从倒转位置发射的飞溅形成，如图12(b)所示。所幸的是，由于能量分配均匀，熔体池流动平稳，无突变，圆形振荡飞溅的形成基本受到抑制。

图12 溅射形成过程:(a)非振荡;(b)横向振荡。

不同振荡参数下的匙孔地层剖面如图13所示。Wu等人发现在光束振荡下，锁孔变大，抑制了锁孔的闭合和坍塌，减少了锁孔诱导的气孔。在深熔激光焊接中，激光能量的照射引起钥匙孔的形成和钥匙孔壁金属的强烈蒸发。烟羽的扩张通过逆轫致吸收吸收激光能量，进而影响其动力学。而对于光纤激光焊接过程，由于其波长较短(1070 nm)，蒸汽羽流对激光的衰减较小，可以忽略CO2激光焊接过程(10.6 μm)的影响。因此，在激光振荡焊接过程中，锁孔状态尤其是锁孔壁的形态是造成蒸汽羽流动态特性的主要原因。

图13 锁孔特性:(a)无束流振荡;(b) f = 5 Hz的圆振荡;(c) f = 100 Hz的圆振荡。

锁孔的动平衡是由锁孔表面张力、蒸汽羽流的后坐压力和保护气体在锁孔壁上的超压来维持的。从图13(a)中可以看出，无振荡激光焊接时，锁孔更宽，而锁孔壁波动较大。当锁孔收缩时，激光照射在锁孔壁上的位置会发生变化，从而引起锁孔表面张力和反冲压力的变化。随着焊接过程的进行，锁孔重新打开，更多的激光能量传输到内锁孔，促进金属蒸汽的形成，并在锁孔上方形成更大的烟羽。锁孔壁局部膨胀和坍塌，导致气体留在锁孔内，形成孔隙。气泡进入熔池并向后移动。由于快速的凝固速度，气泡无法溢出，最终以气孔的形式存在于焊缝中。气孔主要分布在焊缝底部，呈圆形。振动频率较低，为5 Hz，前后钥匙孔壁发生剧烈的变形，并因其移动速度较慢而在中间区域缩颈。锁孔位置随激光束的周期性运动而变化，从而引起羽流的动态变化。振荡频率越小，小孔稳定性越差，孔隙的形成趋势越明显。当振荡频率增加到100 Hz时，锁孔形状保持稳定，上区较宽，下区较窄，这是由于激光束对熔融金属液的多次辐射造成的。

图14 圆束振荡抑制孔隙的原理图。

较高的激光能量振荡频率可以使存在的气孔重新熔化，促进气体从小孔溢出(图14)。Vincent等认为，焊接速度越高，小孔倾角越大，焊接过程越不稳定，飞溅越多。由图13可以看出，随着圆束振荡频率的增加，锁孔倾角增大。此外，当束流振荡频率为100 Hz时，与无振荡和低振荡频率的焊接工艺相比，锁孔倾角与焊接方向相反。这是因为较高的光束振荡频率使得锁孔在整个光束移动区域内扩张，有利于吸收锁孔内的激光能量，稳定锁孔形状，如图7所示。在较低的振荡频率5 Hz时，钥匙孔是分开的，不能形成一个整体，导致钥匙孔壁不稳定和扭曲。锁孔壁稳定，在较高的振荡频率下深度更均匀，有助于提高工艺稳定性。Zhang 等认为重叠系数越大，孔隙率越低，说明重熔过程可以消除孔隙。因此，在较高的圆振荡频率下形成较高的重叠比，可以改变焊接周期，降低焊缝气孔率。在较高的束流振荡频率下，熔体池振荡增大，促进了熔体池中气孔的流动和溢出。

4. 结论

1.蒸汽羽流特性与锁孔稳定性密切相关，可以反映工艺稳定性。当出现圆形振荡时，水蒸气更加稳定，波动较小，羽流高度和面积随振荡频率的增加而减小。

2.激光束振荡实际上增加了激光束的运动速度和轨迹，从而调节能量分配和改变熔池流动。熔池表面长度和宽度增大，熔池凝固前沿角度减小，影响焊缝凝固过程。

3.对于圆振荡模式，激光能量均匀，锁孔形貌稳定，提高了焊接稳定性，抑制了锁孔坍塌。振荡频率较高时的重熔效应有助于消除气孔。

来源：Analysis of vapor plume and keyhole dynamics in laser weldingstainless steel with beam oscillation，Infrared Physics& Technology，doi.org/10.1016/j.infrared.2020.103536

参考文献：Y. Yang, Z. Gaob, L. Cao，Identifying optimalprocess parameters in deep penetration laser welding by adoptingHierarchical-Kriging model，Infrared Phys. Technol., 92 (2018), pp. 443-453