激光与其他光源一样是电磁波,另外还具有独特的性能,激光方向性好,亮度高,单色性好,相干性好,激光焊接加工时,被焊工件材料吸收的激光光能向热能的转化是在极短的时间内完成的,在这个极短的时间内,热能仅仅局限于被焊工件材料的激光辐照区内,而后通过热传导,该热量由高温区传向低温区并在被焊工件表面形成焊缝。采用激光焊接,生产效率高,焊接质量好,与一般焊接方法相比,激光焊接具有较多优点。聚焦后的激光束具有很高的功率密度(10⁵～10⁷ W/cm²或更高),加热速度快,可实现深熔焊和高速焊,激光加热范围小(激光光斑直径小于1 mm),在焊接功率和被焊工件厚度相同的条件下,焊接热影响区小、焊接应力和变形小^[1-5]。激光可发射和透射,可在空间传播相当距离而衰减很小,激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输和偏转,易于聚焦,特别适用于微型工件、难以接近或远距离部位焊接。激光焊接属于非接触式焊接,不需使用电极,没有电极污染或耗损问题,一台激光器可供多个工作台进行不同的加工。激光在大气中损耗很小,可以穿过玻璃等透明物体,适用于在玻璃制成的密封容器里焊接铍合金等剧毒工件材料; 激光不受电磁场的影响(电弧焊和电子束焊受电磁场影响),能精确地对准焊件进行焊接; 激光焊接不存在X射线防护问题,也无需真空保护。激光焊接可以焊接常规焊接方法难以焊接的材料,如高熔点金属、非金属材料(如陶瓷、有机玻璃等)等; 对热输入敏感的工件材料也可以实现激光焊接,焊后工件无需进行热处理; 激光焊接可以用于焊接各种异质材料的工件。

激光焊接是利用激光能(可见光或紫外光)作为热源熔化和连接工件的焊接方法,激光焊接时,激光照射到被焊工件材料表面,与工件材料发生作用,一部分被反射,一部分被吸收,吸收的激光进入工件材料内部,激光在工件材料表面的反射、透射和吸收过程,实质上是光波电磁场与工件材料相互作用结果的表现过程,激光光波入射进入到工件材料后,工件材料中的带电粒子依照激光光波矢量的谐振步调一起与激光光子振动,使激光光子的辐射能转变为带电粒子的动能,在此过程中还会产生能量较高的质子、自由电子、束缚电子、声子等,这些粒子原始激发能经过一定程度的集聚和积累,最终均转化为热能。金属材料的激光吸收系数为10⁷～10⁸ m^-1,激光在金属材料表面0.01～0.1 μm的厚度范围内被吸收并转变成热能,引起金属材料表面温度升高,该温度再传向金属材料内部,以实现焊接区域金属材料的熔化和焊缝的形成。金属材料对激光的吸收,主要与激光波长,金属材料的性质、温度、表面状态以及激光功率密度等因素有关; 一般来说,金属材料对激光的吸收率随着金属材料表面温度的上升而增大,随着金属材料电阻率的增加而增大,激光光子轰击金属材料表面可形成金属蒸气,蒸发的金属可以防止激光剩余能量被金属反射掉,如果被焊金属材料的导热性较好,则会在被焊金属材料上得到较大的焊缝熔深。激光焊接过程中,被焊工件和激光光束做相对运动,焊接过程中金属材料剧烈蒸发产生的强驱动力使“匙孔”前沿形成的熔化金属沿某一角度得到迅速加速,在“匙孔”后面金属材料的近表面处形成熔流,“匙孔”后方的液态金属受传热效应作用,该液态金属温度迅速降低并很快凝固,由此,在被焊金属工件材料表面形成了连续的焊缝^[6-10]。

单个激光点焊缝的抗剪力与热输入量遵循:

K=F/Q(1)

式中:F为单个激光点焊缝的抗剪力,N; Q为单个激光点焊缝的热输入量,J; K为单个激光点焊缝的抗剪力与热输入量的比值,N/J。

K值越大,说明单位热输入量所获得的抗剪力越大,在获得相同的抗剪力时,所需要的热输入量越小,被焊工件的变形量越小。

热输入量:

Q=PL/V(2)

式中:P为单个激光点焊缝的焊接功率,W; L为单个激光点焊缝的长度,m; V为激光点焊时的焊接速度,m/s,Q为激光焊接时的热输入量,J。

激光点焊标准试片材料为NbHf10-1铌铪合金,其化学成分见表1,标准试片规格为100×20×1 mm和100×20×0.7 mm,分别焊接δ₁=1+1 mm和δ₂=1+0.7 mm两种厚度组合的NbHf10-1铌铪合金搭接标准试片,搭接长度为L=30 mm。焊接设备是机器人式激光焊接系统,该系统使用德国IPG公司生产的YLS激光器,最大焊接功率P_max=1 kW。

表1 NbHf10-1铌铪合金化学成分
Tab.1 Chemical compositions of NbHf10-1 alloy %

用NbHf10-1铌铪合金标准试片进行激光点焊试验,并对激光点焊后的标准试片进行理化和力学性能分析,以获得激光点焊的最佳焊接轨迹和焊接工艺参数,并在喷管模拟件上进行应用和验证。由图1可见,加强筋处于上方,喷管延伸段处于下方,加强筋壁厚为1 mm,延伸段壁厚为1 mm和0.7 mm。对于δ₁=1+1 mm和δ₂=1+0.7 mm两种厚度组合的NbHf10-1铌铪合金标准搭接试片进行激光点焊试验,当激光束与工件相对位置固定时,激光点焊易导致焊缝氧化和下凹,加之光致等离子体效应,使得激光点焊的有效熔深降低,为此,采用激光束与工件保持相对运动的激光点焊方式,相对运动方式为:平行线运动方式和圆形轨迹运动方式,采用平行线运动方式点焊,焊缝轨迹长度为20 mm,两平行线间距离为8 mm,δ₁=1+1 mm和δ₂=1+0.7 mm两种厚度组合的NbHf10-1铌铪合金标准搭接试片焊缝尾部下陷,焊缝表面质量不能满足设计技术要求; 采用圆形轨迹运动方式点焊,焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm,Φ7 mm,Φ6 mm,Φ10 mm,焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm时,δ₁=1+1 mm和δ₂=1+0.7 mm两种厚度组合的NbHf10-1铌铪合金标准搭接试片焊缝抗剪力与热输入量比值最大,焊缝形貌和表面质量满足设计技术要求; 焊缝轨迹中心线直径为Φ7 mm,Φ6 mm时,δ₁=1+1 mm厚度组合的NbHf10-1铌铪合金标准搭接试片焊缝抗剪力与热输入量比值较小,焊缝形貌和表面质量满足设计技术要求; 焊缝轨迹中心线直径为Φ10 mm时,δ₁=1+1 mm和δ₂=1+0.7 mm两种厚度组合的NbHf10-1铌铪合金标准搭接试片焊缝抗剪力与热输入量比值较小,焊缝形貌和表面质量满足设计技术要求(见图4); 经过试验与比较,喷管延伸段与三个加强筋搭接后采用圆形轨迹运动方式进行激光点焊,焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm,喷管延伸段与三个加强筋搭接后经过激光点焊连接成一个整体,可提高延伸段整体刚性,防止发动机在工作过程中发生失稳。激光点焊焊缝的抗剪力与焊缝熔深和被焊两层标准试片之间的有效熔合面积有关,该抗剪力与焊缝熔深和熔合面积成正比,为此,进行激光点焊焊缝金相试验,以获取焊缝熔深与焊接工艺参数之间的关系; 对标准试片进行力学性能试验,以获取圆形轨迹运动方式激光点焊工艺参数与抗剪力和热输入量比值之间的关系。

用于金相分析的NbHf10-1铌铪合金激光点焊试验标准试片为δ₁=1+1 mm和δ₂=1+0.7 mm两种厚度组合的搭接试片,采用圆形轨迹运动方式激光点焊,焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm,离焦量Z=0,δ₁=1+1 mm厚度组合标准试片激光点焊工艺参数为:焊缝整周(100%圆周周长)激光焊接功率P₁=1 kW,焊接速度分别为:V₁=0.003 m/s,V₂=0.004 m/s,V₃=0.005 m/s,V₄=0.006 m/s,焊后试片编号为:1#～4#; 焊缝圆周前30%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周后70%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW,焊接速度分别为:V₁=0.003 m/s,V₂=0.004 m/s,V₃=0.005 m/s,V₄=0.006 m/s,焊后试片编号为:5#～8#; 焊接速度V₅=0.004 m/s,焊缝圆周前50%周长激光焊接功率P₁=1 kW、焊缝圆周后50%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW,焊缝圆周前10%周长激光焊接功率P₁=1 kW、焊缝圆周后90%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW,焊后试片编号为:9#～10#。δ₂=1+0.7 mm厚度组合标准试片激光点焊工艺参数为:焊缝整周(100%圆周周长)激光焊接功率P₁=1 kW,速度分别为:V₁=0.003 m/s,V₂=0.004 m/s,V₃=0.005 m/s,焊后试片编号为11#～13#; 焊缝圆周前50%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周后50%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW,焊接速度分别为:V₁=0.003 m/s,V₆=0.004 m/s,V₃=0.005 m/s,焊后试片编号为:14#～16#。对焊后试片焊缝进行金相分析,以获得焊缝熔深,由1#～8#、11#～16#试片激光点焊工艺参数和焊缝熔深可以得到圆形轨迹运动方式(焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm)激光点焊焊缝熔深与焊接速度之间的关系,见图2,由图2可见,对于δ₁=1+1 mm和δ₂=1+0.7 mm两种厚度组合的铌铪合金标准搭接试片进行激光点焊时,随着焊接速度的增加,焊缝熔深随之减小。由2#、6#、9#及10#试片激光点焊工艺参数和焊缝熔深可以得到圆形轨迹运动方式(焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm)激光点焊焊缝熔深与焊接功率之间的关系,见图3,由图3可见,随着激光焊功率的减小,焊缝熔深也随之减少,这是焊接热输入量减小所致。图2和图3中的C均为采用圆形轨迹运动方式进行激光点焊,焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm圆周的周长。

采用NbHf10-1铌铪合金标准搭接试片按表2激光点焊工艺参数进行焊接试验。激光点焊工艺试验,离焦量Z=0,δ₁=1+1 mm厚度组合标准试片激光点焊工艺参数为:焊缝轨迹中心线直径为Φ6 mm时,焊接速度V₁=0.001 m/s,V₂=0.002 m/s,焊缝两周(200%圆周周长)激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周10%周长激光焊接功率P₂=0.95 kW; 焊缝轨迹中心线直径为Φ7 mm时,焊接速度V₁=0.001 8 m/s,V₂=0.002 m/s,V₃=0.004 m/s,焊缝整周(100%圆周周长)激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周90%周长激光焊接功率P₂=0.95 kW; 焊缝两周(200%圆周周长)激光焊接功率P₁=1 kW; 焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm时,焊接速度V₁=0.004 m/s,焊缝圆周前70%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周后30%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW; 焊缝圆周前80%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周后20%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW; 焊缝圆周前85%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周后15%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW; 焊缝轨迹中心线直径为Φ10 mm时,焊接速度V₅=0.004 m/s,焊缝圆周120%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周70%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW。δ₂=1+0.7 mm厚度组合标准试片激光点焊参数为:焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm时,焊接速度V₁=0.004 m/s,焊缝圆周前60%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周后40%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW; 焊缝圆周前55%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周后45%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW; 焊缝轨迹中心线直径为Φ10 mm时,焊接速度V₁=0.004 m/s,焊缝圆周40%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周30%周长激光焊接功率P₂=0.95 kW; 焊缝圆周50%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周60%周长激光焊接功率P₂=0.95 kW。对激光点焊后标准试片进行抗剪力试验,试验所得焊缝抗剪力数值见表2。

图2 Nbhf10-1铌铪合金激光点焊焊缝熔深与焊接速度之间的关系曲线
Fig.2 Curves of relation between weld penetration and weldingspeed of Nbhf10-1 alloy laser spot-welding

图3 NbHf10-1铌铪合金激光点焊焊缝熔深与焊接功率之间的关系曲线
Fig.3 Curve of relation between weld penetration and weldingpower of Nbhf10-1 alloy laser spot-welding

由表2可见,激光点焊缝的抗剪力F>4 500 N,满足设计要求F_S≥4 500 N。

由表2、 公式(1)和公式(2)经过计算与分析,可得到图4所示的NbHf10-1铌铪合金标准搭接试片激光点焊缝抗剪力/热输入量与试验序号之间的关系曲线,由图2、图3和图4,可得出激光点焊NbHf10-1铌铪合金δ₁=1+1 mm和δ₂=1+0.7 mm两种厚度组合标准试片的工艺规范为:采用圆形轨迹运动方式激光点焊,焊缝轨迹中心线直径为Φ8 mm,离焦量Z=0,焊接速度为:V₁=0.004 m/s, 对于δ₁=1+1 mm厚度组合标准试片,焊缝圆周前85%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周后15%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW; 对于δ₂=1+0.7 mm厚度组合标准试片,焊缝圆周前60%周长激光焊接功率P₁=1 kW,焊缝圆周后40%周长激光焊接功率P₂=0.9 kW。