本文研究了激光振蕩焊接對(duì)蒸汽羽流、熔池和小孔動(dòng)力學(xué)行為的影響。

摘要

研究了激光振蕩焊接對(duì)蒸汽羽流、熔池和小孔動(dòng)力學(xué)行為的影響。隨著振蕩頻率的增加，等離子體羽流的高度和面積減小，羽流形態(tài)的穩(wěn)定性有所提高。在束流振蕩條件下，熔池的形態(tài)和流動(dòng)特征也因合成能沉積而發(fā)生變化，從而影響焊縫的凝固過(guò)程。圓束振蕩的重熔效果可以消除氣孔的形成，提高焊接質(zhì)量。

1. 介紹

激光焊接通常是最可取的方法，在精心設(shè)計(jì)的加工措施，無(wú)論是對(duì)接和搭接配置。特別是激光深熔焊接具有功率密度高、熱輸入低、熱影響區(qū)窄等優(yōu)點(diǎn)，可以一次完成中厚板的連接，最大限度地減小焊縫零件的變形。然而，由于激光束聚焦在一個(gè)非常小的點(diǎn)上，關(guān)鍵的邊緣制備和合模精度是激光焊接不可缺少的。此外，由于梁-材料相互作用的不同，焊縫的一致性和無(wú)缺陷并不明顯，這嚴(yán)重依賴(lài)于工藝參數(shù)和材料屬性。激光調(diào)制技術(shù)，如脈沖和振蕩激光模式，已被證明是解決對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，調(diào)節(jié)焊接形貌，抑制缺陷的潛力。因此，激光振蕩焊接正成為材料加工應(yīng)用的主導(dǎo)方法。

由于其獨(dú)特的特性，激光振蕩焊接技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。激光光斑軌跡的改變可以影響加熱能量分配和熔體流動(dòng)，從而優(yōu)化焊縫形狀，抑制焊縫缺陷，細(xì)化晶粒，改善接頭性能。然而，振動(dòng)模式、振幅和頻率的各種參數(shù)的選擇將影響焊接的穩(wěn)定性和接頭質(zhì)量。我們之前的研究表明，圓束振蕩可以抑制缺陷，細(xì)化晶粒，提高工藝穩(wěn)定性。在補(bǔ)償誤差方面，束振蕩是增加焊縫寬度和工藝公差的有效措施，但振蕩參數(shù)對(duì)焊縫深度和形狀的影響必須考慮到。焊接梁振動(dòng)的形成機(jī)制主要是焊縫重疊率和焊接模式的轉(zhuǎn)變。束流振蕩可以調(diào)節(jié)熔體向擺動(dòng)模式流動(dòng)，顯著增加小孔直徑。在熔體中，表面張力效應(yīng)減弱，提高了小孔的穩(wěn)健性，降低了氣孔率。

獲得了最佳的顯微結(jié)構(gòu)效果。

值得注意的是，焊縫中可能存在一些隱形缺陷，這也可能導(dǎo)致焊縫質(zhì)量的下降。為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的質(zhì)量，利用LWD300LMDT電鏡觀察了焊縫區(qū)100和200量級(jí)的金相組織，如上圖所示。從圖中可以看出，晶界分布在焊縫區(qū)域的兩側(cè)，柱狀晶粒分為兩個(gè)方向，且保持均勻。細(xì)小柱狀晶有利于提高焊縫的強(qiáng)度、彈性和韌性。熱影響區(qū)較窄，有利于減少焊接變形。此外，焊縫中不存在氣孔、凝固裂紋等微觀缺陷，這些缺陷會(huì)顯著降低焊縫質(zhì)量?？偟膩?lái)說(shuō)，得到的最優(yōu)解的顯微組織能滿(mǎn)足焊接接頭的要求。

束流振蕩產(chǎn)生的焊接穩(wěn)定性、形貌、顯微組織和性能與加熱能量的重新分配、熔體流動(dòng)模式和小孔特性有關(guān)。相關(guān)研究表明，激光焊接過(guò)程中，熔池和蒸汽羽流行為與小孔穩(wěn)定性密切相關(guān)，可通過(guò)高速攝像機(jī)直接觀測(cè)和測(cè)量。激光深熔焊接的羽流出現(xiàn)了特征峰值和劇烈波動(dòng)。Shcheglov等人發(fā)現(xiàn)汽氣相流衰減了激光在整個(gè)羽流長(zhǎng)度內(nèi)的傳播。羽流的劇烈波動(dòng)降低了激光輻射的穩(wěn)定性，并可能導(dǎo)致宏觀焊接缺陷。金屬蒸氣的噴射方向與熔池有關(guān)。等離子體羽流振蕩主要是由劇烈的局部蒸發(fā)和嚴(yán)重的鎖孔幾何變化引起的。

Gao等提出，由于羽流和熔池的動(dòng)態(tài)特征對(duì)焊接穩(wěn)定性、焊接凝固和結(jié)晶過(guò)程的影響，可以準(zhǔn)確地判斷焊接質(zhì)量。此外，束的振蕩影響熔體池的流動(dòng)性，從而調(diào)節(jié)熔體池的形狀。紅外熱像圖顯示，較高的束流振蕩頻率形成了較長(zhǎng)的、較窄的熔體池。此外，振蕩頻率和振幅對(duì)焊縫形貌、熔池湍流和凝固行為均有影響。Huang等研究發(fā)現(xiàn)，羽流速度的變化與鎖孔形態(tài)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)有很好的同步。羽流速度隨鎖孔的縮小而減小，隨鎖孔的擴(kuò)大而增大。Schweier等人分析了激光振蕩焊接飛濺的形成也與熔池和小孔行為有關(guān)。

工藝參數(shù)對(duì)峰值溫度的交互影響。顏色越接近暖色，溫度越高。紅色:55以上?°C;黃色:50 - 55?°C;綠色:低于50?°C。(本圖圖例中有關(guān)顏色的參考資料，讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版。)

當(dāng)分析任意兩個(gè)參數(shù)之間的交互時(shí)，其他參數(shù)保持在中央級(jí)別。激光功率、光斑移動(dòng)速度和脈沖頻率對(duì)離體皮膚組織峰值溫度的相互作用如上圖所示。紅點(diǎn)是預(yù)測(cè)值以上的設(shè)計(jì)點(diǎn)。40?N/cm2以上的組織為有效粘接。因此，以最大粘接強(qiáng)度和最小熱損傷為優(yōu)化目標(biāo)。

上述研究表明，激光振蕩焊接在抑制缺陷和改善焊縫性能方面具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究主要集中在焊縫形貌和組織演化方面。等離子體羽流、熔體熔池和小孔等工藝特性是闡明和揭示束流振蕩焊接機(jī)理的關(guān)鍵，但卻很少有研究。本文系統(tǒng)地研究了奧氏體不銹鋼激光振蕩焊接工藝特性。

2. 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

使用6個(gè)?kW的IPG lls -6000光纖激光電源和六軸機(jī)器人焊機(jī)自動(dòng)焊接樣品板。工作激光波長(zhǎng)為1070?nm, BPP光束參數(shù)積為6.4?mm·mrad。IPG D50擺動(dòng)焊接頭由焦距為200?mm的準(zhǔn)直裝置和焦距為150?mm的f-θ聚焦裝置組成。束流振蕩由振鏡掃描儀控制，可振蕩最高頻率為1000?Hz，振幅為2.0?mm。在這項(xiàng)工作中，激光焊接的橫向和圓形振蕩模式，已廣泛應(yīng)用到目前為止，被使用。本實(shí)驗(yàn)焊接參數(shù)如表1所示。對(duì)不同光束振蕩模式的能量分布計(jì)算表明，隨著振蕩振幅和頻率的增加，能量峰值明顯減小。

表1 本實(shí)驗(yàn)中的焊接參數(shù)。

在304奧氏體不銹鋼(厚度為20?mm)上進(jìn)行了BOP焊接試驗(yàn)，研究了擺動(dòng)參數(shù)對(duì)焊縫幾何形狀的影響。流量為15?L/min的Ar保護(hù)氣體位于焊接位置后方，抑制煙羽向上擴(kuò)散。用光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)試樣進(jìn)行橫向切片，測(cè)量焊縫的寬度和穿透度。確定了參數(shù)，得到了焊透度合適的無(wú)缺陷焊縫。圖1為激光振蕩焊接實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案。高速攝像系統(tǒng)包括高速攝像(Olympus, i-SPEED 3)、808?nm干涉濾光片和二極管激光背光光源。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，激光源保持靜止，平臺(tái)以焊接速度運(yùn)動(dòng)。記錄蒸汽羽流時(shí)，在焊接方向前獲取煙流的寬度，在焊接方向側(cè)面觀測(cè)煙流的高度、面積和傾角。利用808?nm二極管激光光源和衰減透鏡采集熔池圖像，消除羽流光的干擾，照射熔池表面。以1500幀/秒的幀率，在焊接方向前方70°呈現(xiàn)高速攝像機(jī)和二極管激光光源。材料內(nèi)部的激光鑰匙孔不能直接觀察到，因此采用不銹鋼和耐熱石英玻璃的“三明治”結(jié)構(gòu)。焊接時(shí)，將耐熱石英玻璃熔化，從玻璃側(cè)面觀察小孔輪廓。

圖1 激光振蕩焊接實(shí)驗(yàn)裝置方案。

3.結(jié)果與討論

3．1. 蒸汽柱配置文件

蒸汽羽流是從小孔中噴射出的金屬蒸汽，其動(dòng)態(tài)特性影響激光能量的傳輸，同時(shí)也反映了過(guò)程的穩(wěn)定性。蒸汽羽流由核心區(qū)(高密度等離子體)和外區(qū)(擴(kuò)散等離子體）組成。在焊接過(guò)程中，堆芯蒸汽穩(wěn)定且持續(xù)存在。典型的激光蒸汽羽流幾何形狀和圖像處理過(guò)程如圖2所示。對(duì)原始圖像進(jìn)行斬波、二值化和邊緣檢測(cè)。然后提取煙羽高度和面積來(lái)表征煙羽特征。

圖2 典型的蒸汽羽流幾何和圖像處理過(guò)程。

圖3、圖4、圖5為振幅為0.8?mm、頻率為100?Hz的周期內(nèi)各種振蕩模式的蒸汽羽流圖像。無(wú)振蕩激光焊接過(guò)程在不同發(fā)射方向的羽流特征如圖3所示。大尺寸、高海拔的蒸汽柱向激光入射方向擴(kuò)展，導(dǎo)致能量衰減，焊接過(guò)程不穩(wěn)定。由于激光能量傳輸?shù)牟环€(wěn)定，金屬蒸汽羽流的形狀和大小表現(xiàn)出較大的波動(dòng)特征。Shcheglov等發(fā)現(xiàn)激光焊接的蒸汽有嚴(yán)重的振蕩，這會(huì)導(dǎo)致激光輻射在焊接板上的波動(dòng)，導(dǎo)致焊接質(zhì)量變差。此外，周期性變化羽流與鎖孔的動(dòng)態(tài)行為密切相關(guān)?？梢钥闯鲂】琢炼入S羽流波動(dòng)而變化。t?+?2.0?ms時(shí)，鎖孔亮度減弱，羽狀同時(shí)縮小;t?+?3.0時(shí)，鎖孔亮度增強(qiáng)，羽狀擴(kuò)展。

圖3 非振蕩激光焊接的蒸汽羽流特征:(a)側(cè)面的焊接方向;(b)前方焊接方向。

圖4 橫向振蕩激光焊接在不同發(fā)射方向上的蒸汽羽流特征:(a)側(cè)面的焊接方向;(b)前方焊接方向。

圖5 不同發(fā)射方向的環(huán)形振蕩激光焊接的蒸汽羽流特征:(a)在焊接方向側(cè)面;(b)前方焊接方向。

消光系數(shù)不僅與羽流高度有關(guān)，而且與羽流傾角有關(guān)。應(yīng)用波束振蕩，如圖4、圖5所示，羽流沿高度方向?qū)挾茸儗捠湛s。激光輻射傳播通道中的羽流被稀釋?zhuān)档土思す饽芰吭谏畲┩负缚p上方的屏蔽作用。激光束的振蕩改變了激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡，改變了焊縫區(qū)域的能量分配，導(dǎo)致了焊縫羽流形態(tài)的周期性變化。

由圖6可以看出，與無(wú)振蕩激光焊接相比，具有線性振蕩和圓形振蕩的激光焊接光束移動(dòng)速度明顯提高。線性振蕩時(shí)運(yùn)動(dòng)速度隨光束位置變化明顯，并在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)處減小到最小值，而圓振蕩時(shí)運(yùn)動(dòng)速度略有波動(dòng)。激光在反轉(zhuǎn)點(diǎn)處的輻射時(shí)間大于線性振蕩的中心區(qū)域。汽羽更小的尺寸和高度和標(biāo)題角是更傾向于焊接方向,偏離的激光束入射方向(圖4)。此外,汽羽擴(kuò)大垂直焊接方向,導(dǎo)致激光束的橫向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于圖5中的圓振蕩模式，激光束沿焊接方向和反焊接方向周期性運(yùn)動(dòng)，在不同位置表現(xiàn)出不同的行為?？梢钥闯?，當(dāng)激光束的運(yùn)動(dòng)方向沿著焊接方向時(shí)，羽流會(huì)膨脹、增大。此時(shí)，激光束在熔池處輻照，熔池容易氣化，形成蒸汽羽流。當(dāng)移動(dòng)方向沿焊接方向時(shí)，羽流衰減，羽流向焊接方向傾斜較大。

圖6 不同光束振蕩模式下激光束的運(yùn)動(dòng)速度。(振幅0.8?mm，頻率100?Hz)。

圓形束振蕩的蒸汽羽流示意圖如圖7所示。蒸汽羽流特征隨激光軌跡相對(duì)位置和焊接方向的不同而不同。由于圓光束振蕩幅度較小，頻率較高，整個(gè)激光輻照區(qū)可視為小孔。因此，激光束的圓形軌跡會(huì)作用于鎖孔壁的不同位置，產(chǎn)生不同特征的蒸汽羽流?？梢钥闯?，當(dāng)激光束與焊接方向相反時(shí)，激光束照射在鎖孔的中間和后面的位置。此時(shí)，由于液態(tài)焊縫金屬被圓形束流推入，無(wú)法回流填充鎖孔，導(dǎo)致少量的蒸汽等離子體形成，鎖孔在穩(wěn)態(tài)時(shí)變寬。煙羽向焊接方向傾斜，傾斜角度較小。而當(dāng)激光束沿焊接方向時(shí)，如圖7(b)所示，形成了與無(wú)振蕩焊接過(guò)程相似的更大尺寸的蒸汽羽流，其擴(kuò)展方向與焊接方向相反。激光束在鎖孔前壁輻射，熔化母材，擴(kuò)大熔池區(qū)。母材金屬和液態(tài)焊接金屬在鎖孔前壁上堆積，產(chǎn)生更多的金屬蒸氣，并在鎖孔壁上形成更高的煙羽。羽流特征隨圓束振蕩呈現(xiàn)周期性變化。

圖7 圓束振蕩的蒸汽羽流示意圖:(a)后向運(yùn)動(dòng);(b)激光束與焊接方向的共軛運(yùn)動(dòng)。

提取平均600幀圖像在穩(wěn)定階段的連續(xù)羽流高度和面積，計(jì)算相對(duì)頻率分布，以反映在一定姿態(tài)和區(qū)域內(nèi)的蒸汽頻率概率。圖8、圖9給出了不同振蕩模式下蒸汽羽流高度和面積的時(shí)域和相對(duì)頻率分布。對(duì)于無(wú)振蕩激光焊接，蒸汽羽流具有顯著的波動(dòng)特性。從相對(duì)頻率圖可以看出，羽流高度和面積的分布較為離散。羽流高度集中在60像素以下，羽流面積在4000 ~ 6000像素處達(dá)到最大值。蒸汽羽的波動(dòng)表明焊接過(guò)程不穩(wěn)定，導(dǎo)致焊透不均勻和焊縫缺陷。與無(wú)振蕩焊接過(guò)程相比，有振蕩焊接過(guò)程的蒸汽羽流相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)較小。羽流高度和面積主要集中在低值帶。特別是在環(huán)形振蕩模式下，羽流高度受到抑制，主要集中在20像素以下。

圖8 圖像序列的羽流高度和面積的時(shí)域:(a)非振蕩;(b)橫向振蕩;(c)環(huán)形振蕩。

圖9 不同振蕩模式下羽流的相對(duì)頻率分布:(a)羽流高度;(b)羽流區(qū)。

束流振蕩頻率決定了整個(gè)焊接區(qū)域的激光能量分配。圖10為不同圓振蕩頻率下的蒸汽羽流相對(duì)頻率分布。由表2可以看出，激光束的移動(dòng)速度隨著光束振蕩頻率的增加而顯著增加。當(dāng)振蕩頻率為200?Hz時(shí)，直線焊接速度由無(wú)振蕩焊接時(shí)的0.3?m/min增加到30?m/min。降低激光能量密度，降低激光穿透能力。振蕩頻率大于200?Hz時(shí)，煙羽高度逐漸減小，主要集中在20像素以下。隨著振蕩頻率的增加，蒸汽羽流的穩(wěn)定性增加，表明焊接過(guò)程變得更加穩(wěn)定。

圖10 圓形振蕩的羽流高度和面積隨振蕩頻率的相對(duì)頻率分布。

表2 不同圓光束振蕩頻率下激光束的運(yùn)動(dòng)速度。

３．２．熔池和鑰匙孔

研究了束流振蕩模式和頻率對(duì)熔池幾何形狀的影響。在相同的焊接位置獲得不同焊接參數(shù)下的熔池圖像，以排除熱積累的影響。提取熔池特征值、熔池寬度、熔池長(zhǎng)度和凝固前沿角，如圖11所示。不同的光束振蕩模式主要影響整個(gè)焊接區(qū)激光能量的分配。激光束的振蕩幅度和頻率增大了激光束的加熱面積，從而影響激光的能量密度。在本研究中，束流振蕩幅值保持不變。束流振蕩可以增大熔池寬度，減小熔池長(zhǎng)度。

圓形振蕩焊熔池的凝固前沿角較小，影響焊縫金屬的溫度梯度和凝固過(guò)程。Kraetzsch等發(fā)現(xiàn)熔體池湍流會(huì)影響凝固行為，Hagenlocher等發(fā)現(xiàn)循環(huán)振蕩中溫度梯度的降低會(huì)導(dǎo)致晶粒細(xì)化。激光束振蕩實(shí)際上增加了線速度，降低了能量密度，因?yàn)樵谒械慕?jīng)驗(yàn)中，每長(zhǎng)度的能量保持恒定。線性焊接速度越大，溫度梯度越大，加熱時(shí)間越短。而振動(dòng)頻率下能量分布和熔體流動(dòng)更加均勻，有利于焊接過(guò)程的穩(wěn)定。圖11(b)顯示了不同圓振蕩頻率下熔體池的特征。熔池寬度隨振蕩頻率的增加而略有增加，而熔池長(zhǎng)度在50?Hz頻率較高時(shí)先減小后增大，這是由于激光束振蕩將激光能量分布在整個(gè)加工區(qū)，吸收的能量增加所致。但隨著束流振蕩頻率的增加，熔池寬度增加的幅度較小，這是由于在較高的線速度下，冷卻速率增大，熱傳導(dǎo)時(shí)間縮短所致。

圖11 熔體池特點(diǎn):(a)各種振蕩模式;(b)各種圓振蕩頻率。

不同的振蕩模式產(chǎn)生獨(dú)特的激光能量分布。由于激光輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，更多的激光能量集中在交叉或反轉(zhuǎn)區(qū)域。束流振蕩對(duì)熔池的幾何形狀和流動(dòng)特性也有影響。對(duì)于無(wú)振蕩焊接過(guò)程，如圖12(a)所示，小孔反沖壓力導(dǎo)致熔池振蕩，液態(tài)金屬?gòu)娜鄢刂袨R射出來(lái)。由于激光光斑的振蕩使熔池流動(dòng)發(fā)生了明顯的變化，在側(cè)向振蕩的反轉(zhuǎn)點(diǎn)會(huì)形成一些飛濺。如圖6所示，在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)處，激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了很大的突變。當(dāng)激光束移動(dòng)到反轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，液態(tài)金屬流動(dòng)到熔池邊緣區(qū)域，由于激光束移動(dòng)速度快，導(dǎo)致液態(tài)金屬無(wú)法穩(wěn)定存在。熔體池的劇烈波動(dòng)導(dǎo)致液柱無(wú)法回流到熔體池中。此外，邊緣區(qū)輻射時(shí)間和能量輸入較高，產(chǎn)生較大的匙孔蒸汽反沖壓力，導(dǎo)致從倒轉(zhuǎn)位置發(fā)射的飛濺形成，如圖12(b)所示。所幸的是，由于能量分配均勻，熔體池流動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)突變，圓形振蕩飛濺的形成基本受到抑制。

圖12 濺射形成過(guò)程:(a)非振蕩;(b)橫向振蕩。

不同振蕩參數(shù)下的匙孔地層剖面如圖13所示。Wu等人發(fā)現(xiàn)在光束振蕩下，鎖孔變大，抑制了鎖孔的閉合和坍塌，減少了鎖孔誘導(dǎo)的氣孔。在深熔激光焊接中，激光能量的照射引起鑰匙孔的形成和鑰匙孔壁金屬的強(qiáng)烈蒸發(fā)。煙羽的擴(kuò)張通過(guò)逆軔致吸收吸收激光能量，進(jìn)而影響其動(dòng)力學(xué)。而對(duì)于光纖激光焊接過(guò)程，由于其波長(zhǎng)較短(1070?nm)，蒸汽羽流對(duì)激光的衰減較小，可以忽略CO2激光焊接過(guò)程(10.6?μm)的影響。因此，在激光振蕩焊接過(guò)程中，鎖孔狀態(tài)尤其是鎖孔壁的形態(tài)是造成蒸汽羽流動(dòng)態(tài)特性的主要原因。

圖13 鎖孔特性:(a)無(wú)束流振蕩;(b) f?=?5?Hz的圓振蕩;(c) f?=?100?Hz的圓振蕩。

鎖孔的動(dòng)平衡是由鎖孔表面張力、蒸汽羽流的后坐壓力和保護(hù)氣體在鎖孔壁上的超壓來(lái)維持的。從圖13(a)中可以看出，無(wú)振蕩激光焊接時(shí)，鎖孔更寬，而鎖孔壁波動(dòng)較大。當(dāng)鎖孔收縮時(shí)，激光照射在鎖孔壁上的位置會(huì)發(fā)生變化，從而引起鎖孔表面張力和反沖壓力的變化。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，鎖孔重新打開(kāi)，更多的激光能量傳輸?shù)絻?nèi)鎖孔，促進(jìn)金屬蒸汽的形成，并在鎖孔上方形成更大的煙羽。鎖孔壁局部膨脹和坍塌，導(dǎo)致氣體留在鎖孔內(nèi)，形成孔隙。氣泡進(jìn)入熔池并向后移動(dòng)。由于快速的凝固速度，氣泡無(wú)法溢出，最終以氣孔的形式存在于焊縫中。氣孔主要分布在焊縫底部，呈圓形。振動(dòng)頻率較低，為5?Hz，前后鑰匙孔壁發(fā)生劇烈的變形，并因其移動(dòng)速度較慢而在中間區(qū)域縮頸。鎖孔位置隨激光束的周期性運(yùn)動(dòng)而變化，從而引起羽流的動(dòng)態(tài)變化。振蕩頻率越小，小孔穩(wěn)定性越差，孔隙的形成趨勢(shì)越明顯。當(dāng)振蕩頻率增加到100?Hz時(shí)，鎖孔形狀保持穩(wěn)定，上區(qū)較寬，下區(qū)較窄，這是由于激光束對(duì)熔融金屬液的多次輻射造成的。

圖14 圓束振蕩抑制孔隙的原理圖。

較高的激光能量振蕩頻率可以使存在的氣孔重新熔化，促進(jìn)氣體從小孔溢出(圖14)。Vincent等認(rèn)為，焊接速度越高，小孔傾角越大，焊接過(guò)程越不穩(wěn)定，飛濺越多。由圖13可以看出，隨著圓束振蕩頻率的增加，鎖孔傾角增大。此外，當(dāng)束流振蕩頻率為100?Hz時(shí)，與無(wú)振蕩和低振蕩頻率的焊接工藝相比，鎖孔傾角與焊接方向相反。這是因?yàn)檩^高的光束振蕩頻率使得鎖孔在整個(gè)光束移動(dòng)區(qū)域內(nèi)擴(kuò)張，有利于吸收鎖孔內(nèi)的激光能量，穩(wěn)定鎖孔形狀，如圖7所示。在較低的振蕩頻率5?Hz時(shí)，鑰匙孔是分開(kāi)的，不能形成一個(gè)整體，導(dǎo)致鑰匙孔壁不穩(wěn)定和扭曲。鎖孔壁穩(wěn)定，在較高的振蕩頻率下深度更均勻，有助于提高工藝穩(wěn)定性。Zhang 等認(rèn)為重疊系數(shù)越大，孔隙率越低，說(shuō)明重熔過(guò)程可以消除孔隙。因此，在較高的圓振蕩頻率下形成較高的重疊比，可以改變焊接周期，降低焊縫氣孔率。在較高的束流振蕩頻率下，熔體池振蕩增大，促進(jìn)了熔體池中氣孔的流動(dòng)和溢出。

4. 結(jié)論

1.蒸汽羽流特性與鎖孔穩(wěn)定性密切相關(guān)，可以反映工藝穩(wěn)定性。當(dāng)出現(xiàn)圓形振蕩時(shí)，水蒸氣更加穩(wěn)定，波動(dòng)較小，羽流高度和面積隨振蕩頻率的增加而減小。

2.激光束振蕩實(shí)際上增加了激光束的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡，從而調(diào)節(jié)能量分配和改變?nèi)鄢亓鲃?dòng)。熔池表面長(zhǎng)度和寬度增大，熔池凝固前沿角度減小，影響焊縫凝固過(guò)程。

3.對(duì)于圓振蕩模式，激光能量均勻，鎖孔形貌穩(wěn)定，提高了焊接穩(wěn)定性，抑制了鎖孔坍塌。振蕩頻率較高時(shí)的重熔效應(yīng)有助于消除氣孔。

來(lái)源：Analysis of vapor plume and keyhole dynamics in laser weldingstainless steel with beam oscillation，Infrared Physics& Technology，doi.org/10.1016/j.infrared.2020.103536

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