1. 重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054; 2. 重慶市特種焊接材料與技術(shù)高校工程研究中心，重慶 400054

摘 要：針對不銹鋼采用添加TiO2活性劑進行活性脈沖激光焊接研究，通過實時檢測焊接過程的結(jié)構(gòu)負載聲發(fā)射信號，研究了激光焊接過程等離子體信息的表征方法及其活性焊接機理. 結(jié)果表明，添加TiO2活性劑增強了材料對激光能量的吸收，增強了等離子體的能量及其對材料的傳熱，從而影響焊接過程傳熱效應(yīng)，這是添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接熔深增加的主要機理. 利用實時檢測焊接過程中的等離子體聲發(fā)射信號可以對活性脈沖激光焊接過程的等離子體變化行為進行檢測和評估. 由焊接過程中采集得到的等離子體聲發(fā)射信號統(tǒng)計而來的振鈴計數(shù)特征值，以及計算而來的RMS波形和相應(yīng)信號的功率譜分布，均反映了活性劑的添加增強了激光焊接過程等離子在時頻域上的活動.

關(guān)鍵詞：活性劑；脈沖激光焊；等離子體；聲發(fā)射

0 序 言

激光焊接是一種具有高能量密度熱源特征和高效率的焊接方法，在工業(yè)制造領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用. 而添加活性劑的活性激光焊可以顯著增大焊縫熔深，進一步提高焊接效率，這也已在行業(yè)內(nèi)形成共識. 對于MIG、TIG這一類電弧焊接方法的活性焊，國內(nèi)外研究者往往認為活性劑改變?nèi)鄢乇砻鎻埩α骱褪湛s電弧導(dǎo)電通道是熔深增加的主要機理[1, 2]. 而激光焊形成的熔池更小，熔池存在于液態(tài)的時間也遠小于電弧焊. 這使得表面張力在促進熔池對流的驅(qū)動力中不能起到電弧焊接方法中的主要作用. 因此，活性激光焊的熔深增加機制是研究活性激光焊并提高焊接質(zhì)量和效率的關(guān)鍵.

王小博等人[3]研究了鹵化物活性劑對Nd:YAG激光焊接鋁合金焊縫熔深的影響，并運用高速攝像及光譜診斷的方法來分析鹵化物活性劑對鋁合金激光焊接熔深增加的作用機理，結(jié)果表明，鹵化物活性劑使等離子體對激光的散射、折射和逆韌致吸收減小，可以導(dǎo)致透過等離子體照射在試件表面的激光功率密度增大. 權(quán)雯雯等人[4]研究了活性劑對低功率Nd:YAG脈沖激光焊接不銹鋼板焊縫熔深的影響，結(jié)果表明，熔深增加的主要原因是活性劑提高了激光的吸收率. 孫昊等人[5,6]研究了活性劑對鎂合金YAG激光焊接過程的影響，結(jié)果表明，激光焊縫熔深增加的主要原因是活性劑微細粉末在激光作用初期增加對激光能量的吸收率.

在脈沖YAG激光焊接過程中，雖然由于激光波長短，且逆韌致吸收降低，使激光等離子體對激光能量吸收的影響降低，材料對激光能量的吸收率得以提升. 但由于受激光能量作用產(chǎn)生顯著的金屬蒸發(fā)及其部分電離，從而形成一種“等離子體羽”，同樣可能影響材料對激光能量的吸收. 文中利用結(jié)構(gòu)負載聲發(fā)射(AE)檢測技術(shù)實時檢測活性脈沖激光焊接過程中的聲發(fā)射信號，借助對等離子體聲發(fā)射信號的分析研究活性脈沖激光焊接的機理.

1 試驗方法

焊接試驗所采用的焊接設(shè)備為脈沖YAG激光焊機，焊接的材料為4 mm厚304不銹鋼，焊接方式為表面堆焊. 采用的激光焊接工藝參數(shù)為：脈沖峰值4.5 kW，脈寬6 ms，脈沖頻率20 Hz，焊接速度10 mm/s，保護氣體為氬氣，氣流量為10 L/min. 為了獲得不同的焊接傳熱效應(yīng)，在-2～2 mm之間按照等差原則選擇了5種不同的離焦量. 進行活性焊前，將TiO2粉末用丙酮溶劑混合均勻，并涂覆于待焊材料表面，待丙酮揮發(fā)后進行脈沖激光焊接.

焊接過程中，由于高能量密度的激光束集中作用，被焊接材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能. 隨著激光作用能量的不同，材料被焊接區(qū)發(fā)生不同物態(tài)變化，包括熔化、氣化，并進而形成小孔效應(yīng)，產(chǎn)生等離子體. 當(dāng)熔深達到一定深度，等離子體由小孔噴射出來時，產(chǎn)生的壓力波會激發(fā)出聲發(fā)射信號，并以空氣或材料為載體進行傳播. 研究中，對不同傳熱效應(yīng)下的等離子體聲發(fā)射信號進行檢測，以獲取脈沖激光焊接過程能量作用特征.

試驗中，脈沖激光焊接過程等離子體所釋放的聲發(fā)射信號采用結(jié)構(gòu)負載方式進行實時檢測，試驗系統(tǒng)如圖1所示. 采用的聲發(fā)射傳感器為諧振頻率150 kHz的壓電傳感器，安裝于待焊接工件一端. 檢測到的聲發(fā)射信號經(jīng)前置放大和信號調(diào)理，由數(shù)據(jù)采集卡進行采集，并傳輸入計算機進行處理和分析.

圖1 焊接過程聲發(fā)射信號檢測系統(tǒng)示意圖

Fig.1 Diagram of welding experiment setup

2 試驗結(jié)果及討論

脈沖激光焊接所得的焊縫表面成形和焊縫熔深對比分別如圖2和圖3所示. 可以看出，隨著離焦量的變化，添加TiO2活性劑的活性激光焊焊縫成形的變化趨勢基本與未添加活性劑焊接所得的焊縫一致. 但是，添加TiO2活性劑明顯增大了焊縫熔深. 可見，在活性劑作用下，由于焊接過程傳熱效應(yīng)的改變，獲得了不同的熔透效果.

圖2 焊縫表面成形對比

Fig.2 Weld appearance of pulsed laser welding

圖3 焊縫熔深對比

Fig.3 Comparison of penetration depth

為了研究熔深增大的機制，激光焊接過程以結(jié)構(gòu)負載的方式實時檢測了等離子體聲發(fā)射信號變化. 圖4a為離焦量為0 mm時，檢測獲得的等離子體聲發(fā)射信號中時長為1.0 s的一段信號波形特征. 由于激光脈沖的頻率為20 Hz，等離子體噴發(fā)產(chǎn)生的聲發(fā)射脈沖事件頻率與激光脈沖作用頻率一致. 但是，等離子體聲發(fā)射事件的幅值有顯著差別，焊接中添加TiO2活性劑產(chǎn)生的等離子體聲發(fā)射信號幅值遠大于未添加活性劑的焊接過程. 而對應(yīng)于圖4b所示的焊縫表面成形和橫截面形貌也可以看出，由于添加活性劑，焊接過程熱效應(yīng)有增強的跡象.

圖4 焊接過程聲發(fā)射信號及其對應(yīng)的焊縫成形特征

Fig.4 Characteristics of AE signals and weld appearance

常用于評價聲發(fā)射信號的特征參數(shù)為振鈴計數(shù)，焊接過程中的單個等離子體聲發(fā)射脈沖事件如圖5a所示. 可以看出，等離子體聲發(fā)射脈沖事件由若干脈沖信號組成，若設(shè)定一個門限值，大于該門限值的脈沖計數(shù)即為聲發(fā)射振鈴計數(shù). 通常，振鈴計數(shù)更大的聲發(fā)射事件預(yù)示著聲發(fā)射源蘊藏著更強的能量釋放.

圖5 TiO2活性劑對脈沖激光焊接聲發(fā)射振鈴計數(shù)的影響

Fig.5 Influence of activating flux on AE cont in pulsed laser welding

基于以上定義，分別統(tǒng)計圖4b焊縫焊接過程2 s時長內(nèi)的等離子體聲發(fā)射脈沖事件的振鈴計數(shù)，如圖5b所示. 顯然，當(dāng)離焦量為0 mm時，添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接過程產(chǎn)生的等離子體聲發(fā)射脈沖事件振鈴計數(shù)特征值遠高于未添加活性劑的脈沖激光焊接過程. 可以由此推測，添加TiO2活性劑后，產(chǎn)生的脈沖激光等離子體釋放的聲發(fā)射能量更強，作用于材料的壓力波強度更大，這預(yù)示著TiO2活性劑增強了脈沖激光作用于材料產(chǎn)生的等離子體的能量. 圖6進一步顯示了在不同的離焦量下，在一定時間段內(nèi)的焊接過程中聲發(fā)射平均振鈴計數(shù)的變化特征. 可以看出，盡管隨著離焦量變化，焊接過程產(chǎn)生不同模式的傳熱效應(yīng)，但是，添加TiO2活性劑的焊接過程所產(chǎn)生的等離子體聲發(fā)射脈沖事件平均振鈴計數(shù)基本上均大于未添加活性劑的脈沖激光焊接過程. 這也意味著TiO2活性劑在各離焦量范圍內(nèi)均增強了脈沖激光作用于材料產(chǎn)生的等離子體能量.

圖6 不同離焦量下平均振鈴計數(shù)特征

Fig.6 Characteristics of AE cont affected by defocusing amout

為了對脈沖激光焊接過程等離子體的聲發(fā)射脈沖事件作進一步的分析，圖7a分別提取了離焦量為0 mm時的焊接過程聲發(fā)射信號的一個脈沖事件. 可以看出，由于信號中的頻率成分較為復(fù)雜，使該信號的可辨識度較低. 因而，對信號進行低通濾波處理，并求解波形信號的均方根(rootmean square, RMS)，得到均方根波形，如圖7b所示. 經(jīng)過信號處理，在信號的RMS波形中，已經(jīng)能夠辨識焊接過程中等離子體聲發(fā)射信號強度的變化特征. 顯然，對于單個聲發(fā)射脈沖事件而言，添加TiO2活性劑進行的脈沖激光焊接等離子體聲發(fā)射信號的強度幅值大于未添加活性劑的焊接過程.

為了對等離子體聲發(fā)射信號的能量特征進行分析，對圖7a中的單個脈沖等離子體聲發(fā)射信號求解功率譜，得到反映等離子體聲發(fā)射信號能量特征的功率譜分布，如圖7c所示. 可以看出，無活性劑添加時，等離子體聲發(fā)射脈沖事件的能量主要分布在10 kHz以下的頻率區(qū)間，而對于添加TiO2活性劑進行的脈沖激光焊接，等離子體聲發(fā)射脈沖事件的能量除了分布在10 kHz以下的頻率區(qū)間，在10～15 kHz以上的較高頻率區(qū)間同樣有顯著的分布. 并且，除了頻域分布的差別外，添加TiO2活性劑焊接所獲得的等離子體聲發(fā)射脈沖事件功率譜能量峰的強度也大大增強. 這些功率譜信息較為敏銳地反映了激光焊接等離子體的變化. 可見，添加活性劑的脈沖激光焊接過程獲得了更強的等離子體活動.

圖7 等離子體聲發(fā)射單一脈沖事件信號時頻域特征

Fig.7 Characteristics of single pulsed AE event of plasma plume in time domain

綜合上述分析可以判斷，添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接過程，由于活性劑增強了材料對激光能量的吸收，導(dǎo)致更大量的元素被氣化，從而增強了等離子體的活動強度，改變了焊接過程傳熱效應(yīng)，獲得了相對于未添加活性劑焊接更大的焊縫熔深. 這應(yīng)該是添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接熔深增加機理.

3 結(jié) 論

(1) 添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接可以顯著地增加焊縫熔深，通過對焊接過程中的等離子體聲發(fā)射信號進行實時檢測，可以對活性脈沖激光焊接過程的等離子體變化行為進行檢測和評估.

(2) 由等離子體聲發(fā)射信號統(tǒng)計而來的振鈴計數(shù)特征值，以及計算而來的RMS波形和相應(yīng)信號的功率譜分布，均可以在一定程度上反映活性激光焊接過程產(chǎn)生的等離子體在時頻域上的變化特征，以及等離子體能量的變化特征.

(3) 添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接過程，活性劑增強了材料對激光能量的吸收，增強了等離子體的能量及其對材料的傳熱，從而影響焊接過程傳熱效應(yīng)，這應(yīng)該是添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接熔深增加的主要機理.

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收稿日期：2015-06-26

基金項目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究資助項目(KJ1400930)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃資助項目(cstc2015jcyjA60009)；重慶市高等學(xué)校青年骨干教師資助計劃

作者簡介：羅 怡，男，1979年出生，博士，教授. 主要從事先進焊接技術(shù)與工藝方面的教學(xué)和科研工作, 發(fā)表論文70余篇. Email： luoyi@cqut.edu.cn