1 引言

激光点焊具有能量控制精准、热变形小、可达性好等优点,被广泛应用于航空航天等工业领域^[1-3]。熔合面熔宽是决定焊点力学性能的重要指标^[4-5],采用激光深熔模式进行点焊时,激光的高穿透性使得焊点的深宽比较大。因此,在获取更大熔合面熔宽的同时,熔深势必剧烈增大。在薄壁构件搭接点焊中,过大的焊点熔深不仅不利于提升焊点力学性能,而且容易导致构件表面下榻、背部凸起^[6];而控制焊点熔深会导致熔合面宽度减小,力学性能降低。因此,获取较大的焊点宽深比(熔合面熔宽与熔深的比)是薄壁构件激光点焊的重要工艺需求。

激光点焊的成形机理、力学性能、过程质量监控以及数值模拟已得到广泛的研究^[7-9],而深熔焊接模式下的气孔缺陷控制也是研究热点之一^[10-13]。Hajavifard等^[10]采用不同脉冲整形方法实现了铝合金激光点焊,并减少了气孔及裂纹缺陷。赵守辉^[11]采用优化的缓降和锯齿波形使得点焊中小孔分段闭合,抑制了气孔和裂纹的产生。Hayashi等^[12]通过增大304不锈钢焊接过程中深熔小孔直径,减少了气孔缺陷并增大了熔合面熔宽。官祥威^[13]采用激光束旋转及振动的方式,有效调控了铝合金焊缝的熔深和熔宽,减少了气孔缺陷。然而,深熔模式焊接本身无法解决焊点深宽比大的问题,且气孔缺陷难以完全消除,这使得传统深熔模式的激光点焊工艺在薄壁构件点焊中存在一定局限性。

热导焊接不产生深熔小孔,过程稳定,气孔缺陷极少,在薄壁构件焊接中具有明显的工艺优势^[14-15]。然而,由于热导焊的焊点熔深小,搭接面处存在接触热阻^[16-17],因此,上板厚度不小于1 mm的焊接很难形成有效的搭接点焊接头。本文提出了一种基于热导机制的焦点高频旋转点焊工艺方法。该方法利用热导焊接时材料对光纤激光吸收率大的优点,同时结合了焦点高频旋转重复扫描下的熔池热积累效应,来获取宽深比大且无气孔缺陷的搭接焊点。研究了焦点旋转点焊工艺中焊点的成形机理,焦点旋转参数及焊接工艺参数对焊点形貌的影响规律;并与传统激光点焊试验结果进行了对比,分析了两种工艺条件下的焊点组织及显微硬度。

2 试验方法及设备

选用GH3128高温合金进行试验,上板试样尺寸为30 mm×30 mm×1 mm,下板试样尺寸为30 mm×30 mm×3 mm。采用搭接方式进行激光点焊试验,激光器为美国IPG公司的YLS-6000型掺镱光纤激光器,最大输出功率为6000 W,波长为1060~1070 nm,光束聚焦参数为8 mm·mrad,传输光纤直径为200 μm,输出耦合准直镜焦距为200 mm,光束直径为30 mm,聚焦镜焦距为300 mm。激光焦点旋转点焊示意图如图1所示,其中f为聚焦镜焦距,r为焦点旋转半径,θ为楔形镜楔角,δ为通过楔形镜后光束的偏转角。采用激光焦点旋转装置^[18]调控激光焦点运动参数,利用楔形透镜使得入射激光束发生偏转,经聚焦后焦点发生水平方向偏移。通过电机带动楔形镜转动,实现了焦点围绕一点作平面圆周运动。试验焦点旋转半径为1.5 mm,通过调节电机旋转频率改变焦点的旋转频率。试验过程中,激光功率为1600 W,焦点作用于上板表面,采用半导体照明激光照射熔池表面,利用日本Photron公司的Fastcam Mini UX100彩色高速摄像仪对点焊过程的熔池行为进行观测记录。

传统激光点焊试验采用的激光传输与聚焦参数同上。制备焊点试样,将试样抛光后用王水进行腐蚀,利用日本Olympus公司的GX51金相显微镜观测焊点形貌及组织;利用美国Future-Tech公司的FM-300显微硬度仪分析焊点显微硬度分布规律。

图 1. 激光焦点旋转点焊示意图

Fig. 1. Schematic of laser focus rotation spot welding process

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3 结果与分析

3.1 旋转点焊焊点形貌随时间的演变规律及成形机理分析

当焦点旋转频率为30 Hz时,焊点形貌及熔池表面状态随焊接时间的变化如图2所示。从图2(a)可以看出,在单道焊接时,焊点熔深浅,焊接羽辉小,焊点表面无飞溅,焊接过程为典型的热导焊接。这是因为激光焦点的旋转频率大,焦点扫描速度快,光斑作用于一点的时间很短,即使在功率密度达到深熔阈值的条件下也无法形成深熔小孔。当焊接时间为0.2 s时,焊点熔池为全液态,焊点表面熔宽增大。通过分析可知,在激光重复焊接的过程中,熔池不断冷却和升温,熔池持续发生凝固和重熔现象。随着激光旋转圈数的增加,热积累效应不断增大,环形焊缝温度持续升高,直至大于母材熔点,使得激光扫描区域全部变为液态,从而进入液态熔池的拓展阶段。并且0.2 s时焊点熔深仍小于上板的厚度,焊点呈非对称形貌。这是由于焊缝外围金属的热量散失大于环形焊点中心区,金属向焊点中心区熔化的趋势更加明显。

图 2. 焊点形貌及熔池表面状态随焊接时间的变化。(a) 0.037 s;(b) 0.2 s;(c) 0.4 s;(d) 0.6 s;(e) 1.0 s;(f) 1.8 s

Fig. 2. Spot weld morphology and molten pool state versus welding time. (a) 0.037 s; (b) 0.2 s; (c) 0.4 s; (d) 0.6 s; (e) 1.0 s; (f) 1.8 s

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随着点焊时间的继续增加,环形熔池进一步向中心拓展,使得中心固态金属区域减小,同时焊点的熔深和熔宽逐渐增大。当焊接时间为0.4 s时,上板焊透并形成了有效的环形搭接焊点;随着焊接时间的进一步增加,焊点形貌呈双“V”形,如图2(d)所示,此时焊点中心区域金属全部熔化,形成一个圆形熔池。当焊接时间为1 s时,下板液态金属区域向中间部分持续拓展并最终熔合为一体,凝固后焊点形貌由双“V”形转变为“W”形。最后,当焊接时间增加至1.8 s时,中间部分熔深持续增大并得到“U”形焊点。

由焊点形貌变化规律可知,基于热导模式焊接的焦点高频重复扫描热积累效应是激光焦点旋转点焊的基本成形机理,焊点形态的演变规律是由环形高速重复加热的热源形式以及薄板搭接结构决定的。

图 3. 焊点尺寸随焊接时间的变化

Fig. 3. Spot weld size versus welding time

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焊点尺寸随焊接时间的变化如图3所示。结合图2可以看出,当点焊时间小于0.2 s时,上板未焊透,此时熔合面熔宽为零;当点焊时间为0.4 s时,下板形成环形熔池,此时熔合面熔宽较小;随着点焊时间的进一步增加,熔池主要向下板焊点中间位置拓展,使得熔合面熔宽由1.4 mm增大到3.86 mm;当点焊时间大于0.6 s后,熔合面处熔池截面为稳定的圆形,熔池主要向四周及下方拓展,熔合面熔宽增加幅度趋于稳定。这种变化主要与熔池的热积累及热扩散条件密切相关。

当点焊时间大于0.6 s时,熔深和熔合面熔宽均与时间呈正相关,且增大幅度相近,宽深比变化不大。宽深比对点焊时间保持较低的敏感性将有利于提高该工艺的稳定性。

3.2 焦点旋转频率对焊点形貌及尺寸的影响规律

焦点旋转频率对焊点形貌及尺寸的影响分别如图4、5所示,可以看出,当激光功率为1600 W,

图 4. 焦点旋转频率对焊点形貌的影响。(a) 30 Hz; (b) 50 Hz;(c) 70 Hz;(d) 90 Hz;(e) 110 Hz

Fig. 4. Influence of focus rotation frequency on spot weld morphology. (a) 30 Hz; (b) 50 Hz; (c) 70 Hz; (d) 90 Hz; (e) 110 Hz

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图 5. 焊点尺寸随焦点旋转频率的变化

Fig. 5. Spot weld size versus focus rotation frequency

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点焊时间为1.0 s,离焦量为0 mm时,焦点旋转频率的增大使得焊点形貌由“W”形向“U”形转变,同时焊点熔深减小,熔合面熔宽变化不明显,因此,宽深比随着旋转频率的增大而增大。当旋转频率过大时,熔池仅存在于上板母材,如图4(e)所示,熔合面熔宽为0 mm。随着旋转频率的增大,相同时间内重复加热次数增加,相对于外围低温无限体母材,熔池

圆形区中心的热量散失更慢,使得中心区域热积累效应更大,熔化效果明显,导致焊点形貌由“W”形向“U”形转变。

在相同的激光功率和焊接时间下,热源输入到熔池的总能量不变。当频率增大时,单次焊接速度加快,单圈焊接热输入量减小,使材料单次升温幅度减小,即使相同时间下重复加热次数增加,其总的热量散失也相对于低频率时更大,因此热积累效应也更小,从而使得熔池体量减小,熔深减小;而熔合面熔宽主要由扫描半径决定,变化幅度小。

3.3 两种点焊方式下焊点宽深比及气孔缺陷对比

焦点旋转点焊所得典型焊点形貌为“W”形或“U”形,其宽深比大。不同工艺参数下传统激光点焊焊点形貌见表1。可以看出,点焊时间、激光功率、离焦量以及聚焦镜焦距的改变对熔合面熔宽的改善均并不明显;焊点形貌均为“T”字形,焊点熔深大,气孔缺陷明显。

为了进一步对比焊点宽深比和气孔倾向,进行了不同参数下两种点焊方式的工艺试验,并测量了焊点宽深比和气孔倾向(单个焊点截面的气孔面积)^[19]。两种点焊方式下焊点质量随激光功率的变化如图6所示。从图6(a)可以看出,在不同工艺条件下,焦点旋转点焊的焊点宽深比为1.7~2.7,而传统点焊宽深比基本小于1。这是因为激光焦点旋转点焊的过程稳定,不产生深熔小孔,宽深比较大;而传统激光点焊为深熔模式焊接,激光的强穿透性使得焊点熔深大,同时,激光非作用区域的熔池拓展行为受搭接界面接触热阻^[16-17]的影响明显,使得焊点熔宽在熔合面处发生突变,焊点宽深比较小。

从图6(b)可以看出,当离焦量为0 mm时,随着激光功率的增大,传统激光点焊产生气孔的倾向明显增大,在1800 W时孔隙面积达到了0.72 mm²;+8 mm离焦时,其气孔倾向仍然较大。而焦点旋转点焊的焊点气孔缺陷基本消失,气孔倾向基本保持为零,只在激光功率为1800 W以上时有少许微小气孔。这是因为焦点旋转点焊采用的热导焊接模式有效避免了深熔焊接模式才会产生的气孔缺陷。

3.4 旋转点焊与传统点焊组织及显微硬度对比

当激光功率为1600 W,焊接时间为1.0 s,离焦

图 6. 两种点焊方式下焊点质量随激光功率的变化。(a)宽深比;(b)气孔倾向

Fig. 6. Spot weld quality versus laser power under two spot welding processes. (a) Width-depth ratio; (b) porosity repression

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量为0 mm时,两种点焊方式的焊点显微组织分别如图7、8所示。从图7可以看出,传统激光点焊的焊点从熔合线至焊点中心依次为树枝晶和等轴晶。焊点组织呈典型的高能束焊接焊缝组织分布,具有明显的组织晶粒状态的过渡现象。由于焊点凝固时,由熔合线向焊点中心的温度梯度逐渐减小,靠近熔合线处的温度梯度较大,因此,树枝晶垂直于熔合线向中心生长,其树枝晶的主轴较长,横向枝晶很短^[20-21];而中心区域的温度梯度小,呈树枝状等轴晶分布。

图 7. 传统激光点焊焊点的显微组织。(a)熔合线区;(b)柱状晶区;(c)中心等轴晶区

Fig. 7. Microstructure of spot weld under traditional laser spot welding process. (a) Fusion line zone; (b) columnar grain zone; (c) centered equiaxed zone

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图 8. 焦点旋转点焊焊点的显微组织。(a)熔合线区;(b)柱状晶区;(c)中心区域

Fig. 8. Microstructure of spot weld under focus rotation spot welding process. (a) Fusion line zone; (b) columnar grain zone; (c) central zone

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从图8可以看出,焦点旋转点焊的焊点没有明显的组织晶粒状态的过渡现象,均为树枝晶形态,且主轴更长,其一次主轴由熔合线直至焊点中心;中心区附近分布着含有二次枝晶臂的短树枝晶。

两种点焊方式下焊点的显微硬度如图9所示。可以看出,两种焊点的显微硬度均大于母材的。传统激光点焊焊点区域内不同位置处的显微硬度相近,但中心等轴晶区的硬度稍有增大。而激光旋转点焊焊点中心区域显微硬度远大于母材及其他区域的。

由于传统激光点焊显微组织在焊点中心处为等轴晶,而旋转点焊在焊点中心处没有出现等轴晶,因此,激光焦点旋转点焊工艺获得的焊点中心显微硬度较大。二者的树枝晶区域内均呈细长树枝晶形态,故该区域内显微硬度差别不大。在两种激光点焊方式下,熔池凝固均表现为非平衡态的快速凝固行为,获得的焊点组织晶粒均细于母材的,因此,焊点显微硬度均大于母材的。

图 9. 两种点焊方式下焊点的显微硬度。(a)传统;(b)焦点旋转

Fig. 9. Microhardness of spot weld under two spot welding processes. (a) Tradition; (b) focus rotation

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4 结论

运用激光焦点高频旋转的方法对GH3128高温合金进行了搭接点焊工艺试验,并且与传统激光点焊进行了对比,得到以下结论。

1) 激光焦点旋转点焊工艺的成形机理为基于热导焊接模式下的焦点高频重复扫描热积累效应。

2) 激光焦点旋转点焊工艺可以有效调控焊点形貌,获取具有较大宽深比的“W”形和“U”形焊点形貌,并且可有效抑制气孔缺陷。

3) 针对GH3128材料,与传统激光点焊相比,激光焦点旋转点焊工艺获得的焊点组织树枝晶主轴更长,且焊点中心区域无等轴晶。焊点区域总体显微硬度均大于母材的。