关于CO₂激光深熔焊接的临界功率密度

　　提要　采用CO₂激光焊接1Cr18Ni9Ti，激光深熔焊接的临界平均功率密度不仅随光斑大小而变化，而且与功率密度分布有关，而光斑内的最高功率密度却基本相同，提示应以光斑内的最高功率密度作为描述激光深熔焊接临界功率密度的依据。
　　关键词　激光深熔焊接　蒸发　临界功率密度

On the Critical Power Density of CO₂ Laser Penetration Welding

Xiao Rongshi,Chen Jimin,Chen Tao,Zuo Tiechuan
(National Center for Laser Technology,Beijing Polytechnic University,100022)

Abstract　A CO₂ laser was used to weld stainless steel 1Cr18Ni9Ti.The experiment results demonstrate that the critical mean power density decreases with the increase of the beam size,and varies with power density distribution even for the same beam size at the transit point wher the welding process changes from thermal conductive welding to penetration welding.However,the maximum power densities are almost the same when the diameter of the beam spot changes from 0.53 to 0.71mm in our experiment.Therefore,the authors suggest that the maximum power density should be taken as the criterion of the threshold for laser penetration welding.The experiment results demonstrate that the threshold for penetration welding,which is about 7.0×10⁵W/cm² at the welding speed of 6mm/s,is much greater than that for vaporization on the same condition for CO₂ laser welding of stainless steel.
Key words　laser penetration welding,　vaporization,　critical power density

　　激光焊接有两种主要机制，即热导焊接机制和深熔焊接机制。热导机制受热传导的限制，只适用于薄小零件的焊接。当激光功率密度达到某一临界值时，激光焊接由热导机制转变为深溶机制，焊接深度和加工效率显著提高。而在临界功率密度附近一个极小的区间内，焊接过程是不稳定的，亦即焊接机制是不确定的^［1，2］。因此，焊接机制转变的临界功率密度是一个非常重要的概念。
　　长期以来，由于缺少对大功率激光光斑大小及功率密度进行测试的有效手段，激光加工时通常采用烧痕法测定和计算光斑大小及光斑内的平均功率密度^［3］，所得结果很不精确，激光焊接机制转变的临界功率密度至今仍然是非常模糊的。近年来，随着大功率激光光束光斑质量诊断仪的面世，我们可以对激光光斑大小和功率密度分布进行精细测量。
　　本文以不锈钢CO₂激光焊接为例讨论激光深熔焊接的临界功率密度。

试验条件

　　试验采用RS2500射频激励快速轴流CO₂激光器，额定功率2.5kW，光束直径20mm，模式TEM₁₁，激光束先经一铜反射凸面镜2.2倍扩束后采用f=400mm的旋转抛物镜聚焦，聚焦光斑直径0.53mm。光斑大小及功率密度分布采用UFF100光束光斑质量诊断仪测定，光斑大小定义为包含86％总功率的功率密度等高线所包围的区域。焦点附近光斑直径随离焦量而变化，焦点位于试样表面之上时定义为负离焦。
　　试验材料为1Cr18Ni9Ti，板厚10mm。为了保证试样表面状态的均匀一致，试验前采用180＃砂纸对试样表面仔细打磨，并用超声波清洗仪和丙酮对试样进行彻底清洗。
　　试验时没有采用辅助气体，直接在空气中进行。固定焊接速度和焦点位置，改变激光功率在试样表面进行扫描焊接，然后采用读数显微镜测量焊接深度，并绘制出焊接深度与激光功率的对应关系曲线，即可得出相应条件下激光深熔焊接的临界功率，然后对光斑内的功率密度分布进行诊断和分析，以确定激光深熔焊接的临界功率密度。

试验结果与讨论

　　图1所示为实验得到的不同离焦量时焊接深度与激光功率的关系曲线，其中焊接速度为6mm/s。离焦量为0时，深熔焊接的临界功率为1500W，而离焦量为-4mm时的临界功率则为1900W，当离焦量为+3mm，深熔焊接的临界功率为1700W。

图1　不同离焦量时焊接深度与激光功率的关系

　　表1所示为不同离焦量时的光斑大小及深熔焊接临界功率密度分布的测试结果，可见不同离焦量时，实现深熔焊接时光斑内的功率密度分布存在较大的差异。对测试结果进一步分析我们不难发现：① 不同离焦量时，随着光斑直径的增加，实现深熔焊接的平均功率密度减小。② 在离焦量分别为+3mm和-4mm时，虽然光斑直径大致相同（分别为0.71mm和0.69mm），但实现深熔焊接的平均功率密度却不同。在离焦量为+3mm时，光斑边缘功率密度低，亦即功率密度分布集中，实现深熔焊接的平均功率密度低。③不同离焦量时，随着光斑直径的增加，实现深熔焊接时光斑内的最高功率密度也具有减小的趋势，但在本文实验条件下，相对于平均功率密度而言，最高功率密度之间的差异很小。因此本文作者认为应以光斑内的最高功率密度来描述激光深熔焊接的临界功率密度。

表1　不同离焦量时深熔焊接临界功率及功率密度分布

　　众所周知，激光深熔焊接的前提是被焊接材料在激光辐射下的蒸发和在蒸汽压力作用下形成深熔小孔。高斯光束照射半无限体时材料蒸发的临界功率密度（光斑中心最高功率密度）可用下式计算^［4］：

式中：ρ₀,c，k分别为材料的密度、比热和热扩散率；T_v，T₀为材料的蒸发温度和初始温度；A为材料表面对激光的吸收率；r_F为聚焦光班半径；t为激光作用时间。考虑表面粗糙度和吸收率的温度效应，1Crl8Ni9Ti对CO₂激光的吸收率取为15％。材料的密度、比热和热扩散率取从室温至蒸发温度的平均值，计算结果列如表2中。激光作用时间取光斑直径与焊接速度之商。计算得到当焊接速度为6mm／s，光斑直径分别为0.53mm和0.7mm时材料蒸发的临界功率密度分别为3.6×10⁵W/cm²和2.9×10⁵W/cm²。可见不锈钢CO₂激光焊接时实现深熔焊接的临界功率密度远远高于计算得到的材料蒸发的临界功率密度。在实验过程中我们也发现，在深熔焊接临界功率之前的一个相当大的功率区间，焊接过程中在熔池上方产生红色的蒸气焰。从焊缝成型上也可以看出，材料不出现蒸发时的典型焊缝形状为“月牙形”；蒸发出现后的焊缝具有明显的熔深焊缝的特征，但是焊接深度仍然有限；一旦真正的深熔焊接过程建立后，焊接深度突然增加，与此同时，由于光致等离子体的作用，焊缝宽度也增加，如图2所示。

表2　1Cr18Ni9Ti不锈钢的有关热物理参数

图2　焦点在试样表面不同功率焊接时的焊缝成型

结　论

　　1. CO₂激光焊接从热导机制转变为深熔机制的临界平均功率密度不仅随着光斑直径的增加而减小，而且与光斑内功率密度分布有关。
　　2. CO₂激光深熔焊接的临界功率密度以光斑内的最高功率密度来描述为宜。
　　3. 激光深熔焊接的临界功率密度高于激光辐射时金属蒸发的临界功率密度。