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保護氣體對不鏽鋼光纖激光焊接的影響

   随着工業生産能力的提高,高效、敏捷、環保的加工技術正受到越來越廣泛的重視。激光焊接作為一種高質量、高精度、低變形、高效率的焊接方法,正好契合了業界這一需求,在航空航天、汽車、造船等領域獲得越來越廣泛的應用。在諸多影響激光焊的因素中,保護氣體占有重要地位。近幾年,随着高功率光纖激光器的誕生與發展,光纖激光焊接在以汽車為代表的加工行業迅速普及開來。光纖激光器屬于固體激光器的範疇,波長1070nm,遠小于CO2激光10.6μm的波長。由于材料對不同波長激光的吸收比例不一樣,光纖激光與CO2激光的焊接效果自然有區别。但是,針對光纖激光焊接保護氣體研究并不多見。鑒此,本文采用不鏽鋼材料進行了一系列保護氣體參數試驗,意在加深對不鏽鋼光纖激光焊接的理解。
  試驗材料為3mm厚的SUS304不鏽鋼闆。焊接熱源為美國IPG公司的YLR-6000光纖激光器,最大輸出功率6kW,光束發散角8mmomrad。保護氣噴嘴内徑為4mm,距離工件高度4mm。為減小不相幹因素對試驗的幹擾,将一部分參數設為固定值:激光功率為1kW,焊接速度為1.5m·min-1,焦距為250mm,離焦量為0mm,焊接方式為單面堆焊。總共進行了四組試驗,分别是:氣體類型試驗(分别選用Ar、He、N2三種氣體,比較其對不鏽鋼的作用效果)、氣體混合比例試驗(将Ar、He按不同比例混合,觀察對焊縫表面形貌及熔深的影響)、吹氣角度試驗(不同吹氣角度對熔深的影響)以及保護氣(在工件上的)落點位置對焊縫成形影響的試驗。
   采用Ar、He或者N2三者之一做保護氣體時,受到氣體電離能以及等離子體維持阈值等因素的影響,焊縫熔深按照He>N2>Ar的順序排列。Ar、He混合氣體中He含量越高、或者保護氣的總流量值越大時,熔深也相應增大。受到保護氣體在工件表面流動狀态(層流/紊流)改變的影響,焊接熔深随保護氣體側吹角度的增大而減小。随着保護氣落點與激光光斑之間相對距離的變化,熔深在增大與減小兩種趨勢間不斷轉變;當氣體落點距光斑約±1.5mm左右時獲得極大值,而在原點(激光光斑)附近得到極小值。