Influence of fiber laser process parameters on the shape and size of penetration spot weld of Q235 steel
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摘要:
为了研究光纤激光工艺参数对穿透点焊缝形状和尺寸的影响，采用单因素试验方法，进行了不同激光功率、摆动幅度和焊接时间下的穿透点焊试验，分析了激光的功率密度分布、点焊缝的形状和尺寸的变化规律。结果表明，光纤激光光斑内的功率密度分布影响点焊缝的形状和尺寸。随着激光功率的增大，未摆动高斯光束形成点焊缝的形状由抛物线状逐渐转变为钟铃状，点焊缝的熔宽、熔深、深宽比和熔宽比都随之增大。光束摆动增大了激光与材料的作用面积，改变了功率密度分布和点焊缝的形状和尺寸。随着摆动幅度的增大，点焊缝的形状由钟铃状逐渐转变为碗盆状，点焊缝的熔深和深宽比都逐渐减小而熔宽比逐渐增大。当激光功率密度不变时，焊接时间对点焊缝的形状影响不大。随着焊接时间的增大，点焊缝的熔深和熔宽都逐渐增大，但深宽比基本保持不变。
Abstract:In order to study the influence of fiber laser process parameters on the shape and size of the penetration spot weld, the single factor test method was used to conduct the penetration spot welding under different laser power, wobble amplitude and welding time. The power density distribution of laser and the shape and size of the spot weld were analyzed. The results show that the power density distribution in fiber laser spot affects the shape and size of spot weld. With the increase of laser power, the shape of spot weld formed by non-oscillating Gaussian beam gradually changes from parabolic shape to bell shape, and the weld width, weld depth, depth-to-width ratio and fusion width ratio of spot weld increase accordingly. The wobble of light beam increases the interaction area between laser and material, changes the power density distribution and the shape and size of spot weld. With the increase of wobble amplitude, the shape of spot weld gradually changes from bell shape to bowl shape, and the weld depth and depth-to-width ratio of spot weld gradually decrease while the fusion width ratio increases. Since the laser power density is basically unchanged, the welding time has little effect on the shape of spot weld. With the increase of welding time, the weld depth and weld width of spot weld gradually increase, but the depth-to-width ratio remains roughly the same.
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Keywords:
- fiber laser /
- penetration spot welding /
- laser power /
- wobble amplitude /
- welding time
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0. 前言
随着激光技术的发展，激光焊接已广泛应用于航空航天、新能源以及汽车制造等众多行业[1 − 4]。对比其它传统的焊接方法，激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小、可焊接材料范围广等优点[5]，特别适合穿透精密点焊。
目前，一些国内外学者曾对激光点焊进行了深入研究。吴家洲等人[6]建立了激光穿孔点焊三维数值计算模型，对激光穿孔点焊接瞬态过程进行了数值分析。朱国仁等人[7]对SUS301L不锈钢熔透型和非熔透型激光焊接头及电阻点焊接头进行拉力和疲劳试验，发现非熔透型激光焊具有较熔透型激光焊和电阻点焊更高的疲劳强度。Jaehun等人[8]为了分析镀锌层对小孔动力学的影响，采用2 kW多模光纤激光器在零间隙搭焊结构下研究了镀锌层和未镀锌层DP590钢板的小孔动力学，发现环境压力的降低引起能量吸收减少和熔池变小，导致焊接质量变差。Pardal等人[9]采用不同的激光焊接参数，对不同织构的焊缝进行了测试，发现采用织构钢制备的Fe-Al接头的最大拉剪载荷比未采用织构钢制备的接头高25%。Cai等人[10]采用脉冲激光点焊方法对锆合金条带的交点进行了焊接，研究了焊缝尺寸、组织及焊缝的腐蚀行为，发现随着激光峰值功率或发射脉冲数量的增加，焊缝的宽度增大而凸度减小。Martinson等人[11]对钢板的激光点焊和电阻点焊进行了试验和数值研究，对比分析了不同几何形状路径的激光点焊与传统电阻点焊的残余应力分布。熊剑等人[12]采用低功率脉冲激光对铍青铜和20号钢进行点焊试验，分析了工艺参数对点焊接头的焊缝成形、力学性能和元素含量的影响规律。任逸群等人[13]采用激光螺旋点焊进行镀锌钢板的点焊，研究了搭接间隙对焊点成形和力学性能的影响，分析了不同间隙下高压锌蒸气的逃逸过程和缺陷的成因。Zhang等人[14]采用脉冲Nd:YAG激光对AZ31镁合金进行点焊，研究了脉冲激光点焊工艺参数与焊接方式、尺寸、组织及缺陷的关系。Wei等人[15]采用光纤激光对TRIP980钢进行点焊试验，研究不同的氩气屏蔽条件、激光功率和离焦量对点焊缝的表面形貌、截面宏观组织、微观结构、硬度、拉伸剪切性能和疲劳性能的影响。为了减少激光深熔焊接A356铝合金过程中产生的气孔，Li等人[16]分析了激光功率、焊接速度以及离焦量等工艺参数对气孔造成的影响，发现激光功率为5 kW、离焦量为0、焊接速度为2.0 m/min时，气孔率达到最小值。
对于穿透点焊的一些应用场合，需要对点焊缝的形状和尺寸（熔深和熔宽等）进行精确的控制。例如：在动力电池与极片和回流片的激光点焊时，熔池的大小影响了接头的强度和导电能力，熔深过大则会造成电池的损坏[17]。在预置焊丝增材制造中，需控制点焊缝的形状和熔深，减小热输入和热变形，确保预置焊丝与基体的紧密结合[18]。对于普通没有摆动功能的激光焊，点焊缝的形状和尺寸主要受到激光输出特性、焦点直径、功率和离焦量等参数的影响。相对于CO2气体激光器和YAG固体激光器，光纤激光器和摆动焊接头逐渐在焊接行业获得应用。在不改变离焦量的情况下，采用摆动焊接头可增大熔池的流动性，改变熔池的形状，增大点焊缝的尺寸。文中采用摆动焊接头，主要研究光纤激光工艺参数对穿透点焊缝形状和尺寸的影响规律，便于在实际的生产应用中，根据点焊缝的尺寸要求选择合适的工艺规范。
1. 试验方法
1.1 试验设备
试验采用HY-PTBZGQ-1000型光纤激光自动焊接机，主要由1000 W的单模连续光纤激光器、摆动焊接头、三维运动工作台和控制系统等组成。激光的波长为1 080 nm，由50 μm芯径的光纤传输到焊接头，经准直和聚焦后，焦点处光束的最小光斑直径d0约为0.133 mm。摆动焊接头的摆动方式有圆形、1字形、8字形等，摆动幅度a为0～5 mm，摆动频率0～46 Hz，单模光纤激光器的输出接近高斯光束，能量集中且方向性好，光束发散角约为0.01 rad，离焦量的变化对光斑直径和焊缝宽度的影响较小，因此，试验选用圆形摆动方式，以通过改变摆动幅度的方法来改变激光辐射面积大小，进而改变焊缝宽度。
1.2 试验材料及方法
试验材料选用Q235碳钢，下板的尺寸为15 mm × 15 mm × 3 mm，上板的尺寸为10 mm × 2 mm × 0.3 mm。试验前依次用400，800，1000号砂纸对上板和下板表面进行打磨，然后用无水乙醇溶液进行擦拭，除去表面的氧化层及油污，采用夹具将上板和下板压紧固定后进行穿透点焊。
试验分为3部分内容，采用单因素试验方法，将其它因素都固定，分别研究激光功率P、摆动幅度 a和焊接时间t对点焊缝形状和尺寸的影响。具体的试验参数见表1。在试验过程中，调整激光光斑的直径d为最小光斑直径d0，保护气体（氩气）的流量为6 L/min，激光摆动方式选择圆形，摆动频率为20 Hz，每50 ms旋转一圈。
表 1 试验参数表试验号 编号 激光功率P/W 焊接时间t/ms 摆动幅度a/mm 试验一 1 250 50 0 2 300 50 0 3 350 50 0 4 400 50 0 5 450 50 0 试验二 1 450 50 0 2 450 50 0.2 3 450 50 0.4 4 450 50 0.6 5 450 50 0.8 试验三 1 300 50 0.4 2 300 100 0.4 3 300 150 0.4 4 300 200 0.4 5 300 250 0.4 每次试验进行3次，试验后采用SRL-7045型双目连续变倍体式显微镜观察穿透点焊缝的截面形貌，测量出点焊缝的特征尺寸如图1所示，并计算出点焊缝形状的特征参数（深宽比b1和熔宽比b2），最后取点焊缝各特征值的平均值作为试验结果进行对比分析。深宽比b1以及熔宽比b2为：
$$ {b_1} = h/{w_1} $$ (1) $$ {b_2} = {w_2}/{w_1} $$ (2) 式中：h为点焊缝的熔深；w1为点焊缝的表面熔宽；w2为点焊缝的有效熔宽，即下板的表面熔宽。
2. 试验结果与分析
2.1 激光功率对点焊缝形状和尺寸的影响
在焊接时间为50 ms和激光未摆动情况下，不同激光功率下的点焊缝截面形貌如图2所示，随着激光功率的增大，点焊缝的形状由抛物线状逐渐变化为钟铃状，钟铃状的边缘逐渐增大，总高度逐渐增大。激光功率对点焊缝尺寸和特征参数的影响如图3所示。由图3a可知，点焊缝的表面熔宽和熔深随着激光功率的增大而增大。由图3b可知，随着激光功率的增大，点焊缝的深宽比和熔宽比都逐渐增大，说明熔深的增大速度大于熔宽的增加速度，有效熔宽也逐渐增大。
由于单模光纤激光器输出为高斯光束，则其作用在工件表面的功率密度分布E[19]和光斑内的平均功率密度Eav为：
$$ E = \dfrac{{kP}}{{{\text{π}} {{(d/2)}^2}}}\exp \left( { - k\dfrac{{{x^2}}}{{{{(d/2)}^2}}}} \right) $$ (3) $$ {E_{{\text{av}}}} = \dfrac{{4P}}{{{\text{π}} {d^2}}} $$ (4) 式中：k为激光集中程度的系数；d为激光光束作用在工件表面的光斑直径；x为工件表面任意点到光斑中心轴的距离。
根据式（3），在激光功率为250，350，450 W时，高斯激光光束横截面的功率密度分布示意图如图4中的E1 ，E2 ，E3所示，对比图2a、图2c和图2e中的点焊缝形状，相对应点焊缝的轮廓分别如图4中的H1 ，H2，H3所示。由此可以看出，点焊缝的形状与激光功率密度的分布形状相似，激光的功率密度呈高斯分布，以其为热源所形成点焊缝的轮廓必然与之相似，呈高斯分布或正态分布。由于光斑直径不变，激光功率增大，功率密度分布的峰值和平均值Eav随着增大，点焊缝的尺寸也随着增大，但熔深和深宽比的增大更快。
根据式（4），当激光功率P = 350 W和光斑直径d = d0时，可计算出Eav = 2.5 × 104 W/mm2。在图2d和图2e的点焊缝中均出现了气孔，而图2c的点焊缝中未出现气孔，由此说明，采用单模连续光纤激光对Q235钢进行点焊时，当激光平均功率密度大于2.5 × 104 W/mm2时，点焊缝中容易出现气孔，激光焊接模式由热导焊向深熔焊逐渐转变。
2.2 摆动幅度对点焊缝形状和尺寸的影响
在激光功率为450 W和焊接时间为50 ms（光束摆动1圈）情况下，不同摆动幅度下的点焊缝截面形貌如图5所示。对比各图可以看出，随着摆动幅度的增大，点焊缝的表面熔宽和熔池横截面积变化不大，边缘变得逐渐陡峭，底部逐渐变平，形状由钟铃状逐渐变化为碗盆状。摆动幅度对点焊缝尺寸和特征参数的影响如图6所示，随着摆动幅度从0.2 mm开始逐渐增大，点焊缝的熔深和深宽比都逐渐减小，表面熔宽缓慢增大而熔宽比逐渐增大，说明有效熔宽逐渐增大。
当光斑直径为d的激光束以摆动幅度为a进行圆形摆动时，可以将其扫描形成的圆环看作一个直径为a + d的圆光斑，则摆动幅度为a的圆光斑内激光平均功率密度Eav-a为
$$ {E_{\rm av - a}} = \dfrac{{{E_{\rm av}}\left( {{\text{π}} ad + \dfrac{{\text{π}} }{4}{d^2}} \right)}}{{\dfrac{{\text{π}} }{4}{{\left( {a + d} \right)}^2}}} = \dfrac{{\left( {4ad + {d^2}} \right){E_{\rm av}}}}{{{{\left( {a + d} \right)}^2}}} $$ (5) 摆动圆光斑内的平均功率密度Eav-a与未摆动光斑内的平均功率密度Eav之间的比例系数C为：
$$C = \dfrac{{{E_{\rm av - a}}}}{{{E_{\rm av}}}} = \dfrac{{4ad + {d^{\,2}}}}{{{{\left( {a + d} \right)}^{2}}}} $$ (6) 式中： Eav为光斑直径为d时光斑内的平均功率密度；a为激光摆动幅度，即激光圆形摆动的直径。
当光斑直径d = d0 = 0.133 mm时，由式（6）可计算出不同摆动幅度a所对应的比例系数C分别为1，1.12，0.81，0.63，0.51和0.43。当a = 0.2 mm时，比例系数C = 1.12，摆动圆光斑内的平均功率密度Eav-a最大，所对应的点焊缝的熔深和深宽比最大。当a继续增大时，C逐渐减小，Eav-a逐渐减小，所对应点焊缝的熔深和深宽比也逐渐减小。
由图5e可知，直径d = d0的激光在摆动幅度a = 0.8 mm时形成点焊缝的横截面轮廓如图7中的Ha所示，则摆动圆光斑内的功率密度分布形状与该点焊缝的轮廓形状相似，如图7中的Ea所示，其形状与多模激光的功率分布形状相似。
由于激光功率和焊接时间不变，激光能量保持不变，则形成点焊缝的体积基本不变；当摆动幅度增大时，平均功率密度逐渐下降且中心分布逐渐均匀，相当于在点焊缝熔池体积不变的情况下，把点焊缝底部逐渐向上挤压，点焊缝形状由深宽比较大的钟铃状转变为深宽比较小的碗盆状。
由以上分析可知，单模激光采用摆动方式相当于增大了光斑直径，改变了光斑内的功率密度分布，使中心处的分布变得比较均匀，功率密度分布由高斯状逐渐转变为杯状和碗盆状，相当于获得了多模激光的功率密度分布，从而改变了点焊缝的形状和尺寸；同时，光束摆动增大了焊缝的流动性，导致点焊缝的边缘变陡，使熔宽比增大。相对于摆动幅度为0 mm的点焊缝，摆动幅度为0.8 mm的点焊缝形状接近于矩形，熔深浅而有效熔宽大，此时，点焊缝的深宽比较小，而熔宽比较大，具有较优的深宽比和熔宽比。
2.3 焊接时间对点焊缝形状和尺寸的影响
在激光功率为300 W和摆动幅度为0.4 mm情况下，在不同焊接时间下点焊缝的形状变化不大，截面形貌与图5c的形状相似。焊接时间对点焊缝尺寸和特征参数的影响如图8所示，随着激光焊接时间的增大，表面熔宽和熔深都逐渐增加，熔宽比也逐渐增大，但深宽比基本保持不变。这说明焊接时间增大时激光能量随着增大，熔池的体积增大；但焊接时间的增大并未改变光斑内的功率密度分布，导致点焊缝的形状和深宽比变化不大，而点焊缝的熔深和熔宽等尺寸都逐渐增大，有效熔宽也增大。
3. 结论
（1）光纤激光光斑内的功率密度分布影响点焊缝的形状和尺寸。随着激光功率的增大，未摆动高斯光束形成点焊缝的形状由抛物线状逐渐转变为钟铃状，点焊缝的熔宽、熔深、深宽比和熔宽比都随之增大。
（2）光束摆动增大了激光与材料的作用面积，改变了功率密度分布和点焊缝的形状和尺寸。随着摆动幅度的增大，点焊缝的形状由钟铃状逐渐转变为碗盆状，点焊缝的熔深和深宽比都逐渐减小而熔宽比逐渐增大。
（3）激光功率密度不变时，焊接时间对点焊缝的形状影响不大。随着焊接时间的增大，点焊缝的熔深和熔宽都逐渐增大，但深宽比基本保持不变。
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表 1 试验参数表
试验号 编号 激光功率P/W 焊接时间t/ms 摆动幅度a/mm 试验一 1 250 50 0 2 300 50 0 3 350 50 0 4 400 50 0 5 450 50 0 试验二 1 450 50 0 2 450 50 0.2 3 450 50 0.4 4 450 50 0.6 5 450 50 0.8 试验三 1 300 50 0.4 2 300 100 0.4 3 300 150 0.4 4 300 200 0.4 5 300 250 0.4 
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