高反射率材料AZ31调制激光焊能量耦合行为的研究

发布时间：2019-11-17 04:12

【摘要】：已有研究表明在镁合金、铝合金及铜合金等高反射率材料激光焊接中,通过采用适当的功率调制措施可以增大熔深、减少飞溅和气孔等缺陷。本研究对这一现象背后的物理机制进行了初步探索。基于三元二次正交回归试验设计,进行了AZ31镁合金的正弦调制激光焊试验。获得了平均功率(P_A)、调制振幅(A)和调制频率(F)对焊缝横截面面积(A_(FZ))的影响规律。结果表明:P_A较小时功率调制措施可以显著改善焊接过程能量耦合效率,随着P_A的增大功率调制的促进作用减弱甚至消失;P_A较小时"小振幅+高频率"和"大振幅+低频率"的2种条件都可以增大焊缝A_(FZ)。获得并比较了频率8 Hz正弦调制焊接在"不锈钢(反射率约60%)+镁合金(反射率约80%)"双金属试板中形成的焊缝纵截面形貌。发现功率从瞬时最大值开始减小时,低反射率材料2205中的熔深马上开始同步减小,而高反射率材料AZ31中熔深开始减小的时刻则滞后了0.036 s(约占一个正弦周期的30%)。分析认为,高反射率材料激光焊过程中利用大于AP的瞬时功率峰值形成大深宽比小孔后会使激光在小孔内反射次数增加,因此在激光瞬时功率下降的过程中也可以使大深宽比小孔继续维持大约三分之一个正弦周期。大深宽比小孔能够形成并且在较长时间内维持存在是调制措施能够改善高反射率材料激光焊能量耦合效率的关键所在。
【图文】：

438·稀有金属材料与工程第46卷效率的影响十分显著。A.Heider等人发现对激光功率正弦调制后不仅能够显著提高高反射率紫铜激光焊焊缝的熔深，而且能够减少紫铜FLW过程中的气孔和飞溅[20]，并进一步发现在合适的调制频率下紫铜FLW过程中小孔的稳定性被显著地改善[21]。工业领域最常用的激光为波长1μm左右的红外激光，，而室温下镁合金对波长1μm左右激光的吸收率只有8%~20%[22]。本作者曾开展了功率正弦调制的AZ31镁合金FLW试验，结果表明将激光功率调制焊接技术应用于镁合金的焊接，可以增大焊缝熔深，如图1所示。研究表明在焊接速度为5m/min时，常功率FLW和正弦波调制FLW将2.7mm厚试板焊透需要的平均激光功率分别为约3和2kW[23]。本实验将进一步分析功率调制对AZ31镁合金FLW过程能量耦合效率的影响，并对功率调制影响高反射率材料FLW过程能量耦合效率的机理进行初步试验研究。1实验如图2所示，试验所用激光器为IPGYLS-4000型光纤激光器。采用函数发生器实现对激光功率的正弦调制。为了防止材料对激光反射而损伤保护镜和聚焦透镜，激光头向后倾斜10°。焊接过程中，工件上下表面用氩气进行保护。试验中首先进行了以A、F和PA为变量的三因素五水平回归正交试验。试验材料为120mm×25mm×8mm的AZ31镁合金试板。焊后取横截面，计算各横截面熔化区面积作为回归正交试验的结果值，计算回归系数得到描述调制焊接工艺参数与焊缝横截面面积之间关系的三元二次回归方程。根据回归方程进一步分析各参数对能量耦合效率的影响。随后对功率调制影响高反射率材料FLW过程能量耦合行为的机理进行了研究。试验方法如图3和图4所示：在较低的调制频率下进行“2205+AZ31”双金属试板激光焊接试验，焊后比较同一焊接过程在不?

用的激光为波长1μm左右的红外激光，而室温下镁合金对波长1μm左右激光的吸收率只有8%~20%[22]。本作者曾开展了功率正弦调制的AZ31镁合金FLW试验，结果表明将激光功率调制焊接技术应用于镁合金的焊接，可以增大焊缝熔深，如图1所示。研究表明在焊接速度为5m/min时，常功率FLW和正弦波调制FLW将2.7mm厚试板焊透需要的平均激光功率分别为约3和2kW[23]。本实验将进一步分析功率调制对AZ31镁合金FLW过程能量耦合效率的影响，并对功率调制影响高反射率材料FLW过程能量耦合效率的机理进行初步试验研究。1实验如图2所示，试验所用激光器为IPGYLS-4000型光纤激光器。采用函数发生器实现对激光功率的正弦调制。为了防止材料对激光反射而损伤保护镜和聚焦透镜，激光头向后倾斜10°。焊接过程中，工件上下表面用氩气进行保护。试验中首先进行了以A、F和PA为变量的三因素五水平回归正交试验。试验材料为120mm×25mm×8mm的AZ31镁合金试板。焊后取横截面，计算各横截面熔化区面积作为回归正交试验的结果值，计算回归系数得到描述调制焊接工艺参数与焊缝横截面面积之间关系的三元二次回归方程。根据回归方程进一步分析各参数对能量耦合效率的影响。随后对功率调制影响高反射率材料FLW过程能量耦合行为的机理进行了研究。试验方法如图3和图4所示：在较低的调制频率下进行“2205+AZ31”双金属试板激光焊接试验，焊后比较同一焊接过程在不锈钢侧和镁合金侧形成的焊缝纵截面形貌，分析调制对高反射率材料能量耦合效率的影响机理。试验所用图1正弦调制焊接AZ31焊缝横截面形貌Fig.1Cross-sectionmorphologiesofsinemodulatedFLWwelding(PA=2000W,Amplitude=500W,weldingspeed=5m/min)[23]:(a)0Hz,(b)100Hz,(c)200Hz,(d)300H

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