system: [SYSTEM]

user: 3. 试验研究金属蒸气对熔池的影响 3.1. 孔内金属蒸气流对熔池孔壁的影响 为了更好的理解激光深熔焊接过程的小孔特征，日本大阪大学Arata等人 [ 7 ] 采用万瓦级高功率CO2激光焊接不锈钢厚板，利用X射线成像系统观察了小孔成形。由于CO2激光焊接产生了大量等离子体，在不采用侧吹保护气时激光被屏蔽，深熔小孔无法稳定形成；采用侧吹保护气可将上部等离子体云吹走，深熔小孔形成；进一步增大吹气流量的情况下，位于接近小孔开口处的等离子体始终不能消除，而大量的吹气可将小孔增大甚至吹走小孔后沿熔池。由此可见侧吹气流对深熔小孔的稳定形成影响很大。为了更有效避免等离子体的影响，Arata等人 [ 8 ] 在低于大气压的条件下进行了焊接试验，结果显示低压条件可完全避免等离子体的影响，随着真空度的增加深熔小孔尺寸减小深度增加，如图6所示，验证了环境压力对小孔的形成同样非常重要。 Matsunawa等人 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 观察表面熔池流动和小孔开口特征发现，大量的蒸气喷出可使得后沿熔池表面形成波纹，随着波纹移动到熔池远处再次返回时可导致小孔开口变窄。而在小孔深处，孔型极不稳定，后沿孔壁出现凹凸变化，变形的后沿孔壁对应的前沿壁上则偶尔出现不连续或小突起，这就意味着在前沿壁上将出现局部气化不均匀，气化的动态压力变化可导致后沿孔壁的波动，图7显示了不同深度小孔内局部气化对后沿孔壁的影响 [ 11 ] ，在孔底部位的局部气化极易导致气孔的产生。此外，作者还观察到小孔不稳定的同时，大量气孔在孔底形成，在后来的实验 [ 3 ] [ 12 ] - [ 18 ] 中发现低速焊接厚板时气孔的形成比高速焊接时更加容易。可能原因是低速焊接，由于孔深较大，小孔容易出现不稳定波动，因此气孔容易产生；而高速焊接时，小孔深度相对减小，虽然偶尔会有气泡在中间深度处形成，但是由于离表面更近，且前沿壁倾斜角度大，蒸气的喷出挤压后沿熔池使熔池更快的由孔内流向表面，促进了气泡的逃逸，气孔产生被避免。 相对而言，前述采用X射线成像观察激光深熔焊接小孔，仍然不能清晰分辨小孔轮廓。为此，Berger等人 [ 19 ] 采用激光在水和冰块中进行扫描移动，观察其过程中的小孔特征。在CO2激光与水的作用过程中，观察到了小孔的崩塌和气泡的形成，其中有两种类型的气泡。一种气泡在极短时间内(0.77 ms)消失。原因是：激光照射下水的大量气化和迅速膨胀，导致局部出现真空，只有真空气泡才能在极短时间内消失。另一种气泡可长时间存在，即使气泡周围的温度已经在气化温度以下，所以作者认为不消失的气泡里面包含了大气成分，因为如果全部是水蒸汽，气泡会经过一段时间冷却凝结变成水，如图8所示 [ 19 ] 。由于小孔内存在偶尔局部真空，孔外的大气将可能被吸入到孔内，从而在小孔内形成包含大气成分的气泡。此结果证实了日本学者的研究 [ 20 ] [ 21 ] ，激光深熔焊接气孔内包含大气成分和外加保护气成分。同时也说明，激光深熔焊接过程中，小孔内的气压不是一直比孔外气压大。在小孔的底部气泡的产生原因是：前沿壁上大量熔化材料流向孔底，在孔底产生强大的流体漩涡，冲击后沿孔壁，形成气泡。此过程与Matsunawa等人 [ 11 ] 对小孔底部局部气化冲击后沿孔壁产生气泡的分析一致。不过，这种孔底部的流体漩涡不是一直存在。以上对激光与水和冰块的研究，毕竟与激光深熔焊接金属材料的物理过程有些差别，其结论可作为研究实际激光深熔焊接机理的参考。 为了尽量观察到清晰的小孔轮廓，又要尽量接近实际的激光焊接过程，Mitkevich等人 [ 22 ] 和湖南大学激光所研究人员 [ 23 ] - [ 32 ] 采取在透明玻璃中间夹金属材料的试验方法。在此基础上对激光深熔焊接过程的小孔进行了实际观察分析，并对激光致等离子体羽的特征进行了分析研究。张明军等人 [ 30 ] [ 31 ] 在试验中拍摄观察了深熔小孔，研究了熔透焊接与非熔透焊接的小孔特征、金属蒸气喷射及孔壁流体流 图6. 不同环境压力下的焊接小孔 图7. 小孔壁上的局部蒸发 图8. 激光与冰块作用 动特征。通过分析，作者认为焊接过程中飞溅的产生主要是由孔内蒸气的反冲压力和高速喷射的蒸气流对小孔壁的摩擦、带动后沿金属熔液飞出；背面的飞溅则主要是由于小孔前沿壁上流体凸台被蒸气压力和蒸气流摩擦力带动喷出而形成。本文作者前期研究工作中对万瓦级高功率光纤激光焊接机理的研究，同样采用类似的试验方法，并对早期的试验装置进行了改进，只采用一片玻璃与金属材料组合加紧，激光束在玻璃与金属材料间扫描 [ 29 ] [ 32 ] 。研究得出，深熔小孔前沿孔壁上的凸起，可改变照射在孔壁上的激光能量的分布，导致孔内蒸气流波动，在孔内蒸气流和反冲气压作用下小孔壁上出现向孔外移动的“蒸气波”，当“蒸气波”到达小孔出口时，熔池出现隆起、形成液柱和飞溅，小孔开口尺寸变小，金属蒸气喷出的角度发生变化。离焦量变化时，孔内激光能量分布随之发生变化，导致孔壁波动状态变化，如图9所示 [ 32 ] 。总结得出，激光能量分布与孔壁波动和蒸气波动关系密切，影响着熔池孔壁及小孔状态。 3.2. 孔外喷出的金属蒸气流对熔池的影响 除此之外，还有部分工作是从表面拍摄观察了激光深熔焊接小孔开口、气流喷出及熔池流动特征，分析了其中的相互关系。如，Kawahito等人 [ 12 ] [ 13 ] 观察万瓦级光纤激光焊接时的表面熔池和飞溅特征。分析得出，飞溅的产生是由于喷出的蒸气流具有较大的剪切作用力，小孔开口处的熔池被喷出的蒸气流带出孔外形成飞溅，如图10所示 [ 13 ] 。当改变激光束与板材表面角度，使激光束偏向熔池后方20˚时，由于被蒸气流带出的熔液倾向后沿熔池再加上熔池的张力作用可将熔液拉回到后沿熔池，减少了飞溅的产生。焊接过程中蒸气流的喷出、熔池的表面张力、熔池的流速流向都会对结果产生影响。 瑞典吕勒奥理工大学Kaplan等人和Ilar等人 [ 2 ] [ 33 ] [ 34 ] 对万瓦级高功率光纤激光焊接厚板的飞溅产生特征进行了深入分析，研究发现在不同的焊接参数下，飞溅分为四种不同的类型：a产生在小孔两侧边沿的飞溅；b小孔后方垂直液柱破碎形成飞溅；c小孔后方倾斜液柱破碎形成飞溅；d偶尔出现在小孔前沿的小颗粒飞溅，如图11(a)所示。作者还对飞溅产生的机理进行研究，描述飞溅的产生过程为：前沿局部材料气化；金属溶液在气化反冲力作用下被加速；熔液被迫流向熔池后沿；流动的熔液聚集在表面；当聚集的熔液具有足够大的向上加速度可克服表面张力束缚，则可形成液柱或飞溅，如图(b)所示。由此可知，飞溅的形成不仅与孔外喷出蒸气流的剪切力有关 [ 13 ] ，还与孔内的气流状态及熔池流动相关。 图9. 万瓦级光纤激光焊接深熔小孔 图10. 厚板焊接表面熔池飞溅 图11. 光纤激光焊接厚板形成的飞溅 张明军等人 [ 31 ] [ 35 ] 的研究表明，上表面或下表面飞溅产生的主要驱动力均来自小孔内部局部蒸发反冲压力和高速喷射的蒸气流对孔壁的摩擦力和剪切力，当熔液动能可克服表面张力时，飞溅产生；下表面飞溅的产生还与金属熔液静压力和重力相关。Fabbro等人 [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] 从表面观察了较低功率激光深熔焊接过程中金属蒸气流与熔池间的相互耦合作用，分析了焊接速度的变化对金属蒸气流与熔池相互作用的影响。结果显示，喷出的金属蒸气流与后沿熔池存在相互挤压关系：蒸气对熔池的挤压导致熔池表面的隆起，熔池对蒸气的挤压导致蒸气喷射方向的波动。随着焊接速度的增加，小孔前沿壁倾斜角增大，被直接吸收的激光能量跟高，蒸发更剧烈蒸气压力更大，因此蒸气流对熔池的相互挤压作用更加明显。图12为不同焊接时刻的蒸气与熔池相互作用，及不同焊接速度下的蒸气喷出特征 [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] 。 图12. 激光焊接时蒸气与表面熔池的相互挤压作用