万瓦级扫描激光焊接背面焊缝成形规律研究

李 林，雷 振，孙 谦，曹 浩，赵德民

中国机械总院集团 哈尔滨焊接研究所有限公司，黑龙江 哈尔滨 150001

由于激光热源相较传统电弧焊接具有更大的深宽比、更窄的热影响区和更高的自动化能力，所以激光焊接成为工业领域主要焊接方法之一[1]。随着激光输出能力的不断提高，激光焊接技术已成功拓展至中厚板（3～25 mm）焊接领域，尤其以万瓦级为代表的高功率（10～100 kW）激光焊接技术已经成为该领域技术突破的一个重要解决途径[2]。中厚板主要应用于船舶、发电厂、压力容器、高速列车、起重设备、天然气管道等[3-4]。由于万瓦级高功率激光在高能量源多物理场耦合机制作用下，焊接过程不稳定，中厚板单道全熔透焊接背面较难得到稳定均匀成形的焊缝，极易出现驼峰、飞溅、表面不均匀等缺欠[5-6]。所以，寻找一种高效、稳定的万瓦级激光单面焊背面成形方法迫在眉睫。

国内外研究学者采用多种方式改善中厚板单面焊背面成形。大连理工大学周彦彬[7]采用MAGTIG 双电弧热源复合，实现了24 mm 厚钢板单面焊背面自由成形。Turichin等人[8]利用激光-电弧复合焊接技术实现了14 mm 厚X80 管线钢一次焊接成形。Yamane 等人[9]开发了一种“变速摆动焊接”的焊接方法，通过MIG/MAG 电弧沿着坡口前后变速摆动来实现中厚板打底焊接单面焊双面成形，其平均焊接速度为1.7 mm/s。还有学者针对12 mm厚不锈钢通过背面加陶瓷衬垫的熔化极电弧打底焊工艺获得了成形美观、性能良好的接头，焊前在焊缝背面粘贴陶瓷衬垫以强制成形[10]。

以上方法均是采用外加热源复合、添加衬垫、开坡口的形式实现中厚板单面焊背面成形，焊接过程繁琐、焊接效率低、成形质量不稳定，且焊接过程易产生飞溅、气孔、驼峰等缺欠。扫描激光焊接技术可通过不同路径改变激光能分布的方式，对促进熔池流动[11-12]、改善焊缝成形[13]、减少气孔率[14]、减少飞溅[15]等方面有显著作用，而目前该方法对于解决万瓦级激光焊接背面成形问题国内外文献中鲜有报道，属于基础前沿技术研究。因此本文提出通过采用万瓦级扫描激光进行Q235 低碳钢板单面焊双面成形试验，研究各焊接参数对焊缝背面成形的影响，对中厚板的高效、优质焊接具有重要意义。

试验用激光器为IPG-Photonics 公司的YSL-30000 型光纤激光器，最大输出功率30 kW，试验用激光枪为IPG-D50-Wobble 扫描激光枪，最大输出功率12 kW，试验用机器人为KUKA机器人。材料为8 mm 厚Q235 低碳钢，尺寸150 mm×50 mm×8 mm。通过扫描激光平板堆焊进行试板单面焊双面成形试验，并通过改变单一参数的方法进行工艺参数波动试验，万瓦级扫描激光单面焊接双面成形工艺参数见表1，试验装置如图1所示。

表1 万瓦级扫描激光焊接单面焊双面成形工艺参数Table 1 Technological parameters of single-sided welding and double-sided forming for ten thousand watt scanning laser welding

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of the testing device

激光光束在焊接过程中始终与焊接方向呈钝10°角。焊前对试板进行处理，用机械打磨方式去除试板表面氧化膜，之后用无水乙醇溶液擦拭试板表面去除油污。利用线切割取20 mm×10 mm×8 mm金相试样，用4%硝酸溶液腐蚀试样，在光学显微镜下观察宏观组织形貌，最后用Image-Pro Plus 软件定量测量背部余高的数值大小。

2.1 激光功率和焊接速度对焊缝成形的影响

焊缝背面余高在一定程度上可反应焊缝正面的塌陷程度，背面余高与背面熔池重力表面张力平衡状态密切相关，所以背部余高可以侧面反映焊缝熔池内部受力以及表面成形状态。因此，本研究将余高作为重要评价依据来优化调整焊接参数（对于8 mm碳钢板来说，一般等级余高≤2.6 mm），控制单面焊背面成形。

经过课题组前期正交试验设计，在固定离焦量-5 mm、扫描频率200 Hz、扫描幅度2 mm 的情况下对8 mm试板进行试验，研究焊接速度为0.3 m/min、0.6 m/min、0.9 m/min、1.2 m/min、1.5 m/min 时焊缝背面的成形情况。受激光器功率限制，焊接速度为1.5 m/min 时均未熔透，故不对速度速度1.5 m/min的焊缝成形情况进行分析。

不同速度下随着功率变化的焊缝背面形貌如图2 所示。可以看出，激光功率和焊接速度对焊缝背面成形影响较大。在4 种焊接速度下，焊缝熔透出现临界功率值分别为4.7 kW、7.3 kW、9.5 kW、10.2 kW时，随着功率的增加，焊缝均得以实现单面焊背面成形。

图2 不同焊接速度、不同激光功率下的焊缝背面成形Fig.2 Weld back formation under different welding speeds and laser powers

激光功率和焊接速度对背面余高的影响变化如图3所示。可以看出，焊速为0.3 m/min时余高变化幅度较大，余高最高能达到2.4 mm 以上，整体呈现不稳定、不连续、不均匀状态，焊速为0.6 m/min、0.9 m/min、1.2 m/min 时最大余高分别为1.85 mm、1.4 mm、1.94 mm，焊速为0.6 m/min和1.2 m/min时，未达到峰值前，0.6 m/min 背部余高大于1.2 m/min，达到小高峰时，1.2 m/min 背部余高大于0.6 m/min焊速，总体上这两种焊速下背部余高变化基本一致，而焊速为0.9 m/min时余高一直减小。背面余高最值之差如图4 所示，0.9 m/min、1.2 m/min 的余高最值之差接近，均能得到背面均匀稳定连续的焊缝成形。

图3 焊接热输入对背面余高变化影响Fig.3 Effect of welding heat input on back reinforcement change

图4 不同焊接速度的背面余高最值之差Fig.4 Difference between the maximum values of rear reinforcement

上述现象主要与激光能量分布有关。焊接速度较小时，母材受到激光能量密度增大，焊缝的激光能量集中，焊缝冷却及熔池凝固较慢，熔池金属堆积，使得焊缝成形较宽，余高较高，在扫描激光作用下背部熔池受力不平衡，使得成形不均匀，且金属熔化量较多，使得背面成形较宽，背面余高较高，正面塌陷严重，焊速为0.9 m/min、1.2 m/min 时激光作用下熔池受力平衡，均能形成均匀稳定的焊缝成形，但是0.9 m/min 焊速背部余高变化浮动更小，工艺更稳定。

2.2 扫描频率对焊缝成形的影响

在固定焊接速度1.2 m/min、焊接功率11.4 kW、离焦量-5 mm、扫描幅度2 mm 的情况下，对8 mm试板进行试验，研究扫描频率在0～400 Hz时焊缝背面成形情况。图5 为不同扫描频率下焊缝背面形貌，可以看出，随着扫描频率的增大，焊缝成形趋于均匀稳定，功率为150～200 Hz时，成形最稳定，达到稳定成形频率区间继续增大频率，焊缝会出现未熔透或不完全熔透。

图5 不同扫描频率下焊缝背面成形Fig.5 Weld back forming at different scanning frequencies from top to bottom

扫描频率对背面焊缝余高的影响如图6 所示。由图可知，随着扫描频率的增大，背面余高逐渐增大，最高可达1.6 mm，达到最大值之后，继续增大扫描激光频率，会出现未熔透的状况。

图6 背面余高随频率的变化Fig.6 Change of rear reinforcement with frequency

分析原因为：扫描频率变化会影响激光光束搅拌熔池的速度以及焊接过程稳定，从而影响焊缝背面成形状态。扫描频率较低时，焊接状态接近单激光，激光行走速度低，穿透性较强，表面凹陷，匙孔深度不稳定，使得背面成形不稳定；
当扫描频率增大到200 Hz 时，焊缝余高约为1.2 mm，此时焊缝表面成形稳定，均匀性也较好；
扫描频率增至250 Hz以上时，背部余高继续增加直至1.6 mm 以上，之后继续增加频率，背部余高降低，甚至出现未焊透情况。扫描激光光束搅动熔池定向旋转流动，可增加熔池的稳定性，同时增大背面熔池开口使余高增大，但是搅动越快匙孔深度越小，不利于激光的穿透性，所以背面余高下降，甚至未焊透。

2.3 扫描幅度对焊缝成形的影响

在固定焊接速度1.2 m/min、离焦量-5 mm、扫描频率200 Hz 的情况下，对8 mm 试板进行试验。改变扫描幅度（1 mm、2 mm、3 mm、4 mm）并调整焊接功率，观察焊缝背面成形情况。图7 为不同扫描幅度下焊缝背面成形状态。

图7 不同扫描幅度下焊缝背面成形状态Fig.7 Forming state of the weld back under different scanning amplitudes

由图7 可知，在扫描幅度为1 mm 的情况下，功率为10 kW时，焊缝成形均匀稳定，随着功率增大至10.6 kW时焊缝成形不均匀，飞溅较大，部分位置出现焊穿焊漏，未能成形；
扫描幅度为2 mm 时，功率低至10 kW时，焊缝未熔透，背面不能成形，随着功率的增大到10.6 kW，焊缝成形稳定均匀连续，表面光滑，飞溅量少。因此摆动幅度1 mm、2 mm时均能得到单面焊背面成形稳定均匀的焊缝。由图8 可知，扫描幅度继续增大到3 mm、4 mm，熔池流动剧烈，熔池流动面积增大，焊缝均未熔透。

图8 扫描幅度为3 mm-10 kW、4 mm-10.2 kW时焊缝背面成形状态Fig.8 Forming status of weld back surface at scanning amplitudes of 3 mm-10 kW and 4 mm-10.2 kW

图9为不同扫描幅度的焊缝背部余高变化。扫描幅度为1 mm、2 mm 时，背面余高的最大值均在1.3 mm左右。

图9 不同扫描幅度下焊缝背面余高变化Fig.9 Change of weld back reinforcement under different scanning amplitudes

2.4 离焦量对焊缝成形的影响

在固定焊接速度1.2 m/min、扫描频率200 Hz、扫描幅度2 mm 的情况下，改变离焦量和焊接功率对8 mm 试板进行试验。研究了离焦量在-10 mm、-5 mm、0、+5 mm、+10 mm 情况下焊缝成形的变化规律，如图10 所示。由图可知，不同离焦量均能得到均匀、稳定成形的焊缝，负离焦量时随着激光功率的增大，焊缝成形更加均匀稳定，达到激光器限定功率12 kW时也成形良好；
离焦量为0 mm时，有部分未熔透情况；
正离焦量时成形有不连续、部分熔透、成形表面不光滑的情况，因此负离焦成形优于零离焦优于正离焦。

图10 不同离焦量的焊缝背面成形状态Fig.10 Forming state of the back of the weld seam with different defocusing amounts

离焦量对背面余高的影响如图11所示，均在完全熔透的情况进行背部余高测量。由图可知，零离焦时背部余高整体表现为上升，负离焦时背部余高开始为下降，随着激光功率的增加而增加，增加到一定值时又一次下降，负离焦背部余高达到峰值的激光功率为11 kW，正离焦背部余高达到峰值的激光功率为11.2 kW，零离焦背部余高达到峰值的激光功率为11.8 kW。-10 mm 离焦量起始背部余高是1.5 mm，-5 mm离焦起始背部余高是1.95 mm；
零离焦和正离焦起始余高数值相近，约为1.1 mm。如图12所示，-5 mm离焦量最值之差最大，-10 mm离焦量最值之差次之，其他零离焦及正离焦最值差数值较小，与成形规律相符合。

图11 离焦量对焊缝背面余高影响Fig.11 Effect of defocus amount on weld back reinforcement

产生上述的原因可能是与激光能量密度有关，激光功率最高为12 kW，无论激光束焦点在试板中间还是试板下方，均能保持匙孔稳定，熔池稳定流动，正离焦时激光的穿透能力与光束质量有关，当激光束达到焦点以后，激光能量会出现“散焦”现象，能量分布不再集中，穿透力下降，熔池作用复杂剧烈，受到等离子体、金属蒸汽的影响更大，能量波动导致熔池极不稳定产生脉冲涌动；
负离焦时激光匙孔表面开口能量作用较低，金属波动不剧烈，导致与大气中的氧反应程度有所变化，因此负离焦相对于正离焦成形更连续均匀，熔池内部所受重力与表面张力平衡，能形成均匀、稳定的背面成形。

图12 不同离焦量的背面余高最值之差Fig.12 Difference between the maximum back reinforcement of defocus amount

不过离焦量对扫描激光焊接单面焊背面成形的影响原因，涉及到流体力学、热场、光学，对于背面成形机制、熔池流动状态、熔池受力情况、等离子体吸收激光能量作用机制也有待于进一步研究。

（1）扫描激光可有效改善8 mm 碳钢单面焊背面成形质量，通过liner（垂直）扫描，200 Hz 扫描频率，扫描幅度1 mm或者2 mm可实现均匀、连续、根部熔合良好的单面焊背面成形焊缝。

（2）8 mm 碳钢板万瓦级扫描激光焊接中，焊接热输入对焊缝成形影响较大，通过提高焊接速度至0.9 m/min以上可得到背面成形良好的焊缝。

（3）在扫描激光作用下负离焦、正离焦、零离焦均可得到均匀成形的焊缝，但选用-10～0 mm 之间离焦量，焊缝成形更加稳定连续。

本研究仅从工艺角度探索了扫描激光功率对Q235低碳钢单面焊背面成形的影响，对扫描激光影响单面焊背面成形的作用机理尚不明确，未来研究方向应从熔池流动在状态，匙孔形貌，等离子体形态，熔池受力四个方面来研究扫描激光对单面焊背面成形影响机制。

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