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激光焊接专用气动喷嘴的研究

发布时间:2019-04-01 17:52:53人气:
激光焊接专用气动喷嘴的研究
唐霞辉朱海红朱国富李适民李再光
摘要:针对高功率CO2激光焊接,作者试验研究出一种气动喷嘴,用以保护导光聚焦系统,防止焊接过程中金属飞溅造成的镜片污染,通过对飞溅粒子运动轨迹的理论分析,设计出合理的喷嘴结构.采用气动喷嘴和普通同轴喷嘴,比较试验出高功率激光焊接过程中导光系统污染对激光功率的衰减、焊缝气孔率及有效熔深等的影响以及聚焦镜片上飞溅粒子的分布.结果表明:气动喷嘴从本质上减少了聚焦镜上飞溅粒子的数量,使激光功率损失减少,有效焊接长度增加,并且横向气流没有对焊缝造成任何不利影响.
关键词:激光焊接飞溅污染气动喷嘴镜片保护
引言
就几类典型的激光加工而言,激光熔覆和热处理焦距长、飞溅小、镜片污染少;激光切割喷嘴出气口小,气压大,能有效防止飞溅;而激光焊接焦距较短,熔池反应剧烈,飞溅大,但保护气流量有限,故极易造成镜片污染,成为激光焊接产业化中一个非常棘手的问题.镜片污染导致激光束产生散射,聚焦不良,长时间工作会出现焦点漂移,传输到工件的激光功率受到损失,使激光焊接性能变差.镜片的频繁清洗和更换严重影响工作效率,大量的飞溅使晶体镜片因热畸变而破裂.有色金属(Al,Cu)以及粉末冶金材料(如金刚石锯片)等的激光焊接,飞溅尤其严重,极易导致镜片毁坏.
传统的激光焊接喷嘴为圆锥状,分两路气体:一路同轴气体用于保护焊缝,一般采用惰性气体Ar气、He;另一路为侧吹辅助气体,用于控制等离子体,减少等离子体激光的屏蔽,增加熔深[1].传统喷嘴同轴保护气体流量有严格限制,喷嘴内径为2.5mm,气流量为7~9L/min,气流量太大,熔池翻动厉害,焊缝凹凸不平,出现孔洞.
气动窗口已在本单位的10kW CO2激光器上得到应用,其目的是使激光谐振腔内工作气体与外界空气隔离.我们研究的气动喷嘴是在激光束垂直方向通以高速气流,在光学元件的下方形成气体隔离层,阻挡金属飞溅物的上冲.这种喷嘴的研制成功及推广应用,对于解决易飞溅金属(如粉末冶金材料)的高功率激光焊接,焊枪配件,具有重要的理论意义和实用价值.
理论分析与结构设计
1.1 气体动力学分析
求解气动喷嘴内横向气动窗口的尺寸及所需的气体流量[2]的运动方程为:
F=rv2CdA/2 (1)
F=m(-a) (2)

式中,F为气体作用于飞溅粒子上的阻力,Cd为阻力系数,A为粒子在运动方向的正面面积,r为气流中空气密度,v为粒子相对气流的运动速度,m为飞溅粒子质量,a为粒子因阻力产生的加速度(负加速度).
根据有关文献及相关假设来估算飞溅粒子进入气流层后的运动轨迹[3],飞溅粒子近似为球形,直径p0.1mm,起始运动速度为8m/s,阻力系数Cd近似为无压缩、无粘性的流体中的阻力系数,根据文献[4]可以对粒子尺寸和初始运动速度在一定范围内进行理想分类,并在不同气体流速下解方程.1为不同气流速度、粒子速度、粒子质量下求解的运动轨迹.根据现有的焦距f=100mm的圆锥喷嘴,一个粒子垂直向上运动30mm,必须水平运动20mm才不至于落到聚焦镜片上[4],按此推算,1中当横向气体流速为15~20m/s正好合适.
1.2 
气动喷嘴的结构设计
喷嘴结构基于聚焦镜片焦距和空间条件限制,整体分成可拆卸的4个部分,以便安装及机械加工,局部损坏后可进行更换.如图2所示,4个部分分别为横流进气通道、横流出气通道、圆柱基体、圆锥尖端.进气通道设有一块方形金属丝网,以利气体均匀挺直、减少死点,任丘焊接配件,通过调整不同的丝网来确定最佳气流面积及流速.
试验条件及方法
采用美国Coherent公司1. 25kW轴流CO2激光器,准基模输出.分别用ZnSe透射式聚焦镜和金属反射式聚焦镜,45.反射镜为Cu镜镀Mo;反射式抛物聚焦镜为Mo,镜片便于擦洗.焊接试验材料为45#,表面抛光后,用等离子体热喷涂一层0.2mm-200Fe,200mmt200mmt4mm尺寸的方形试样位于数控工作台上,焊后沿焊缝横截面剖开,用美国M400-H1金相显微镜观察并测量焊缝形貌.主要焊接工艺参数为:激光功率P=1.2kW,焊速v=20mm/s,焦距f=100mm,离焦量f=-1.5mm,焊缝保护气体流量7L/min,Ar气保护.
用手持式热量功率计测量激光经聚焦镜后照射到工件上的激光功率,以考察不同喷嘴保护时,聚焦系统对激光功率的损耗.对于不同的镜片保护试验,焊接完成后,将镜片取下,用干净胶带将镜片上沉积的飞溅粒子粘取下来,在低倍放大镜下观察并测量其尺寸,记录下特定区域内的粒子数分布.
试验结果及其分析
3.1 镜片破坏性试验
首先采用ZnSe透镜聚焦,焊接配件,普通喷嘴同轴保护,焊接2800mm,镜片破裂,据观察,破裂镜片表面粘有一层细颗粒飞溅物,覆盖层阻挡激光束的传输,经激光功率测量,由飞溅污染而引起的透射激光能量损失高达25%,过高的热量使镜片热畸变而损坏;另一片ZnSe镜片采用气动喷嘴保护,横向气流量200L/min,焊接7000mm,镜片完好无损.同时研究了横向气流对喷嘴尖端同轴气流关系,结果也表明,在横向气流关、开瞬间及正常工作时,同轴喷嘴尖端几乎测不出横向气流附加的影响,即对焊缝的保护效果无任何不利影响.
3.2 
激光传输效率比较
通过聚焦系统后的被测激光功率与之前激光功率之比为传输效率,其比值随焊接长度增加而下降,如图3所示,在焊接相等长度2800mm,任丘焊枪配件,普通喷嘴传输效率只有71%,而气动喷嘴为96%,提高了25%.据此推测,当传输效率降至71%,气动喷嘴可以焊接18000mm,是普通喷嘴的6倍多.
3.3 
飞溅粒子分布
粒子分布如图4所示,与普通喷嘴相比,气动喷嘴几乎可去除80%的较小粒子(小于0.2mm2)和所有大于0.2mm2的粒子.
3.4 
焊缝质量分析
焊接特征比较分析同样说明两种喷嘴之间的区别,普通喷嘴开始出现深熔焊,一定长度后变成有限深度的传热焊,镜片破裂时,深熔焊缝与传热焊缝的长度之比约为1.据试验现象可看到,焊缝的变化是由于镜片污染使光束不稳定,激光功率下降.气动喷嘴焊缝检验结果表明,95%总长度的焊缝为深熔焊.
焊缝横截面的气孔分布面积如图5所示,据观察,气动喷嘴焊缝横截面有几个小气孔(4t103~6t103mm2数量级),焊缝平均气孔率约为2%,普通喷嘴出现单一大气孔(105mm2数量级),平均气孔率高达17%,据分析,气孔率不同的原因是由于采用气动喷嘴保护镜片,焊缝保护气体流量可以降低,从而减少了对熔池的扰动,故气孔率低,而普通喷嘴为保护镜片,必须采用较大气流量,使焊缝气孔率增加[6].
结论
在焊接喷嘴结构中,横向气动喷嘴在保护反射式和透射式光学元件方面非常有效,ZnSe镜片在横向气流保护下,焊接7000mm后仍完好无损,而普通喷嘴焊接2800mm后即损坏,同样焊接长度,与普通喷嘴相比,气动喷嘴几乎能去除80%的飞溅粒子.研究结果表明,气动喷嘴的优势为:(1)激光束通过带气动保护的聚焦镜传到工件上的功率损耗可减少25%;(2)稳定深熔焊缝可达总焊接长度的90%以上;(3)聚焦镜两次清洗之间的焊接长度为普通喷嘴的6;(4)焊缝气孔率低于2%.(5)喷嘴尖端无横向气流的影响.
作者简介:唐霞辉,,196311月出生.副教授.主要从事高功率CO2激光焊接方面的科研及产业开发工作.
唐霞辉(华中理工大学激光加工国家工程研究中心,武汉,430074)
朱海红(华中理工大学激光加工国家工程研究中心,武汉,430074)
朱国富(华中理工大学激光加工国家工程研究中心,武汉,430074)
李适民(华中理工大学激光加工国家工程研究中心,武汉,430074)
李再光(华中理工大学激光加工国家工程研究中心,武汉,430074)
参考文献
[1]唐霞辉,朱海红,朱国富 et al.中国激光,1997;24(2):174~178
[2]
李力钧,秦玉忠,赵仲.中国激光,1990;17(1):35~37
[3]
程祖海,岳超瑜,李再光.中国专利, 85100856,1985:50
[4]Carison K W.Welding J,1989;(3):49~57
[5]Metzbower E A.Welding J,1993;(8):403~407
[6]Banas C M.Opt Engng,1988;18(3):200

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