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在核电站、石油化工厂建设过程中，不可避免的会涉及到固定管道的焊接，这就对管道全位置焊接技术提出了迫切需求[1]. 特别是对于大型厚壁构件，通常采用传统电弧窄间隙形式进行多层多道焊接，坡口尺寸大，焊接速度慢，焊接过程热积累严重，增加了全位置焊接熔池控制难度[2]. 而激光焊接具有高速焊接的优势，热源能量集中，可采用超窄间隙坡口形式提高焊接效率，是一种具有广泛应用前景的全位置焊接技术.
传统全位置电弧焊接时，为了抑制窄间隙坡口侧壁熔合不良和熔池失稳下淌缺陷，哈尔滨工业大学徐望辉等人[3]采用窄间隙摆动MAG焊接方法发现摆动电弧能够增加对侧壁热输入、有效控制熔池形成过程，在非平焊位置下能够一定程度抵消重力影响，提高熔池稳定性. 山东大学Jia等人[4]提出旋转TIG电弧立焊技术，电弧循环旋转对熔池具有搅拌作用，提高焊缝表面成形质量. 相比于电弧焊接，常规激光焊接主要受到熔池表面张力和重力的影响，缺少电弧对熔池的作用力. 但是激光焊接速度快、热输入小，熔池凝固速率快，熔池表面张力和保护气体压力能够影响熔池流动，改善焊接稳定性[5-6]. 华中科技大学余阳春[7]发现焊丝以液桥形式过渡时对熔池冲击小，是最稳定的激光填丝焊接模式. 日本大阪大学Fujinaga等人[8]发现矩形调制激光作用于填充焊丝产生的金属反冲压力能够对非平焊位置熔滴过渡提供驱动力. 北京工业大学贾亚洲等人[9]同样发现激光作用下蒸气反冲力能够提高熔滴过渡频率.
针对于管道空间多位置激光填丝焊接，开展不同空间位置下熔滴过渡、熔池动态过程、焊缝成形的研究，为实现全位置高效激光焊接具有重要意义.
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试验材料为316L不锈钢，焊丝ER316奥氏体不锈钢，直径为1.0 mm. 试验采用最大输出功率为6 kW的连续激光器和定制激光头，可实现最大横向摆动幅值和频率分别为10.0 mm和300 Hz. 高速摄像系统主要由Olympus i-SPEED3高速摄影机、FC光纤耦合激光系统和滤光片组成. 采用波长808 nm、功率40 W的辅助激光光源为焊接熔池采集提供足够亮度. 焊接运行机构为FANUC六轴机器人和变位机，能够方便进行各空间位置下的焊接. 固定管道全位置激光填丝焊接示意图如图1所示，全位置焊接采用机器人控制激光运动轨迹，通过编程能够设定不同位置下的焊接工艺参数. 焊接过程采用前置送丝方式，送丝角度为45°，激光头倾斜角度为8°，单侧激光摆动幅度为2.0 mm，摆动频率为75 Hz，光丝间距为0 mm，采用多通道纯氩气体保护焊接高温熔池，同时对熔池表面提供一定的压力.
图 1 空间的多位置激光填丝焊接示意图
Figure 1. Schematic diagram of laser wire feeding welding process for various positions in space
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图2为横向摆动激光填丝焊接过程中的焊丝动态熔化与熔池形成过程. 当单侧激光摆动幅度为2.0 mm时，激光束的作用范围大于焊丝直径，激光束在垂直于焊接方向摆动时，间接性作用于填充焊丝. 当激光束直接照射于焊丝时，如图2b，2c，此时焊丝熔化主要依赖激光能量，使其能够充分熔化并以“液桥”形式向熔池过渡，而当激光束离开焊丝时，此时焊丝的熔化能量主要是熔池热传导，不足以使焊丝完全熔化，随着焊丝送进，未熔化的焊丝将插入到焊接熔池内部，由于摆动激光频率较快，随后在激光能量和熔池热传导的综合作用下充分熔化，仍然以“液桥”形式过渡到焊接熔池中，并铺展凝固形成焊缝，并且发现焊接等离子体随着激光束运动也呈现周期性横向摆动，主要是因为焊丝属于一维散热模式，熔化阈值较低[10]. 当激光束作用于填充焊丝会产生较强的金属蒸气，如图2b所示，蒸气反冲压力作用于熔滴，能够促进其过渡，同时摆动激光增加了熔池面积，有利于促进熔融填充金属向熔池两侧流动. 而常规激光填丝焊接时，激光持续照射于填充焊丝，在激光能量和熔池热传导的作用下焊丝能够充分熔化，此时熔融金属聚集在激光入射位置，流动性较差，降低焊缝表面成形质量.
图 2 摆动激光填丝焊接焊丝熔化与熔池形成动态过程
Figure 2. Dynamic melting of filler wire and formation of molten pool with beam wobble welding. (a) t0 ms; (b) t0 +2.5 ms; (c) t0 +3.5 ms; (d) t0 +5.0 ms;
由图3可以看出，相比于常规激光填丝焊，横向摆动激光焊缝表面光滑连续，焊缝成形均匀性增加，且焊缝金属与母材之间的润湿铺展性得到显著提高. 焊缝熔宽由4.4 mm增加至6.3 mm.
图 3 焊缝表面成形
Figure 3. Weld surface forming. (a) transverse oscillating laser welding; (b) conventional laser wire feeding welding
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不同空间位置下重力方向的影响使得焊接熔池呈现出不同的特征，空间多位置激光填丝焊接熔池主要受到重力G、熔池界面表面张力Fσ、已凝固金属的支撑力N、蒸气反冲压力Fr、保护气压力Fg的作用. 其中重力分量、熔池界面张力分量是导致熔池失稳破坏的主要作用力. 保持空间位置激光填丝焊接熔池稳定存在的前提为：N, Fσ, Fr和Fg的垂直向上分量要大于G的垂直向下分量.
根据焊接熔池受力状况将空间位置分为8段区域，如图1所示，典型位置下的熔池形貌如图4和图5所示，焊接参数保持激光功率4.8 kW，焊接速度25 cm/min，送丝速度3.5 cm/min，离焦量+20 mm，扫描频率75 Hz，扫描幅度4.0 mm不变. 可见在不同位置下焊接熔池均稳定存在，未发生严重的失稳下淌现象. 在0° ~ 180°焊接区间，熔池固/液 界面张力和保护气压力是维持熔池稳定存在的主要作用力. 重力对焊接熔池的影响随着焊接角度而增加，导致焊接熔池拖尾长度呈现增加趋势. 熔池金属后向流动趋势减小，使得熔融金属在熔池前侧聚集，增加了熔池下淌倾向. 但是横向摆动激光增加了熔池液态金属侧向流趋势，增加了熔池边缘的表面张力，并且抑制了熔池液态金属在激光入射位置聚集，使得熔池质量能够均匀分布，有效缓解了熔池下淌.
图 4 典型向下位置激光焊熔池行为
Figure 4. Melting pool characteristics of laser welding in downward positions. (a) 0°; (b) 45°; (c) 90°; (d) 135°
图 5 典型向上位置激光焊熔池行为
Figure 5. Melting pool characteristics of laser welding in upward positions. (a) 180°; (b) 225°; (c) 270°; (d) 315°
在180° ~ 360°区间内，已凝固金属对熔池的支撑力和保护气压力增加，熔池重力的影响逐渐减小. 但是在270° ~ 360°区间内，由图5b，5c可见，熔池前侧液态金属在重力作用下高速向后侧流动，激光直接作用位置下的液态金属得不到及时补充，使得熔池拖尾长度增加. 当熔化金属重力较大时，熔池后向流动量较大，会对熔池产生较大冲击，会导致在熔池中后部区域产生液态金属间接性聚集.
不同空间位置下的焊缝表面成形及横截面形貌如图6和图7所示. 可见在0° ~ 180°区间内的焊缝表面成形良好且比较均匀，并未出现熔池失稳破坏现象；而在180° ~ 360°区间内，随着空间位置的增加，特别是在270°和315°位置，焊缝出现不连续现象，这主要是因为此时熔池表面张力难以抵消焊接熔池重力的影响，熔池向下流动趋势增加.
图 6 不同空间位置下的焊缝表面成形
Figure 6. Weld surface forming at various positions. (a) 0°; (b) 45°; (c) 90°; (d) 135°; (e) 180°; (f) 225°; (g) 270°; (h) 315°
图 7 典型位置下的焊缝横截面形状参数
Figure 7. Weld cross section morphology at various positions
由图7焊缝横截面形状参数可以看出，在45°焊接位置具有最大焊缝熔宽为8.6 mm，主要是因为一方面在重力分量的作用下熔池流速增加，同时在摆动激光和保护气压力作用下使其横向流动分量增加. 而在180°仰焊位置时，重力对熔池影响最为严重，抑制熔池在表面张力作用下的横向扩展，使得焊缝熔宽减小为5.8 mm. 其余位置下的焊缝熔宽基本维持在6.0 mm.
焊缝熔深随着焊接角度的增加呈现先减小后增加的趋势，这主要是因为在0° ~ 90°范围内，熔池在重力的作用下向激光入射位置流淌，影响激光能量向工件内部传输；而随着焊接角度增加，重力方向与焊接方向相反，熔池液态金属不能及时补充匙孔空腔[11]，使得焊接匙孔易于长大，更多的激光能量向匙孔内部传输，增加焊缝熔深.
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(1) 激光束周期性横向摆动使得填充焊丝呈现间歇熔化模式，当激光束直接作用于焊丝时能够充分熔化，而当激光束离开焊丝时，焊丝插入熔池；由于激光横向摆动频率较快，保证焊丝在熔池热传导和激光能量综合作用下充分熔化，并以液桥形式向熔池过渡.
(2) 激光作用于填充焊丝产生的等离子体反冲压力是促进熔滴过渡的驱动力. 结合熔池表面张力、保护气体压力和已凝固金属支撑力，能够改善空间位置焊接熔池稳定性，抑制熔池金属下淌现象.
(3) 典型位置下的焊缝成形可见，在45°焊接位置具有最大熔宽为8.6 mm，而在180°仰焊位置时，熔池重力削弱了表面张力作用，熔宽减小为5.8 mm. 焊缝熔深随着焊接角度的增加呈现先减小后增加的趋势.
Research on molten pool dynamic behavior and weld formation of transverse oscillating laser welding process for various positions in space
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摘要: 以316L奥氏体不锈钢管道为研究对象，在摆动激光焊接研究基础上，对管道多位置激光填丝焊接熔滴过渡和焊缝成形展开研究，分析焊接熔池动态特征，优化各位置区间工艺参数，进而实现管道全位置激光焊接. 结果表明，摆动激光束周期性的作用于填充焊丝，产生的反冲压力能够促进熔滴过渡，使得焊丝始终以“液桥”形式向熔池过渡；同时摆动激光增强了熔融金属侧向流趋势，提高熔池界面表面张力，削弱空间多位置下重力对熔池形貌的影响，保证各空间位置熔池均能稳定存在，焊缝成形连续均匀.Abstract: 316L austenite pipeline was used as experimental materials. Based on oscillating laser welding, the droplet transfer and weld morphology at various spatial positions were studied, and the molten pool characteristics and formation process were analyzed to optimize welding parameters, achieving pipeline all-position beam wobble lase wire feeding welding. The results show that transverse oscillating laser beam periodically irradiates on filler wire, it primarily provides a recoil force to promote droplet transfer in the form of liquid bridge transition. Meanwhile, oscillating laser beam increases lateral flowing trend of molten weld metal, increasing surface tension force at molten pool edge. The effect of gravity on molten pool is weakened, ensuring the stable existence of liquid metal at various welding positions. The weld surface formation is continuous and uniform.
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Key words:
- various position at space /
- laser welding /
- molten pool dynamic behaviou /
- weld formation
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图 1 空间的多位置激光填丝焊接示意图
Figure 1. Schematic diagram of laser wire feeding welding process for various positions in space
图 2 摆动激光填丝焊接焊丝熔化与熔池形成动态过程
Figure 2. Dynamic melting of filler wire and formation of molten pool with beam wobble welding. (a) t0 ms; (b) t0 +2.5 ms; (c) t0 +3.5 ms; (d) t0 +5.0 ms;
图 3 焊缝表面成形
Figure 3. Weld surface forming. (a) transverse oscillating laser welding; (b) conventional laser wire feeding welding
图 4 典型向下位置激光焊熔池行为
Figure 4. Melting pool characteristics of laser welding in downward positions. (a) 0°; (b) 45°; (c) 90°; (d) 135°
图 5 典型向上位置激光焊熔池行为
Figure 5. Melting pool characteristics of laser welding in upward positions. (a) 180°; (b) 225°; (c) 270°; (d) 315°
图 6 不同空间位置下的焊缝表面成形
Figure 6. Weld surface forming at various positions. (a) 0°; (b) 45°; (c) 90°; (d) 135°; (e) 180°; (f) 225°; (g) 270°; (h) 315°
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[1] 岳建锋, 李亮玉, 姜旭东, 等. 全位置MAG焊缝成形控制技术及研究进展[J]. 中国机械工程, 2012, 23(10): 1256 − 1259. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2012.10.026 Yue Jianfeng, Li Liangyu, Jiang Xudong, et al. All position MAG welding formation control technology and research review[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(10): 1256 − 1259. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2012.10.026 [2] 雷正龙, 杨雨禾, 李福泉, 等. X70钢管道全位置激光-MAG电弧复合根焊焊缝成形试验研究[J]. 中国激光, 2015, 42(4): 51 − 57. Lei Zhenglong, Yang Yuhe, Li Fuquan, et al. Research on weld appearance of X70 steel joints prepared by laser-MAG hybrid welding process for all-position root welding[J]. Chinese Journal of Lasers, 2015, 42(4): 51 − 57. [3] 徐望辉, 林三宝, 杨春利, 等. 摆动电弧窄间隙GMAW熔滴过渡规律[J]. 焊接学报, 2017, 38(2): 109 − 114. Xu Wanghui, Lin Sanbao, Yang Chunli, et al. Study on droplet transfer of swing arc narrow gap GMAW[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2017, 38(2): 109 − 114. [4] Jia C B, Yan Q Q, Wei B, et al. Rotating-tungsten narrow-groove GTAW for thick plates[J]. Welding Journal, 2018, 97(10): 273 − 285. doi: 10.29391/2018.97.024 [5] Koga S, Inuzuka M, Nagatani T. Relationship between welding position and proper welding parameters in all position electron beam welding. Study on all position electron beam welding of large diameter pipeline joints[J]. Welding International, 2001, 15(2): 92 − 99. doi: 10.1080/09507110109549324 [6] Keskitalo M, Hietala M, Mantyjarvi K. The influence of shielding gas configurations on formability of the ferritic stainless steel laser weld[J]. Physics Procedia, 2017, 89: 80 − 88. doi: 10.1016/j.phpro.2017.08.008 [7] 余阳春. 激光填丝焊的焊丝熔入行为及工艺研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2010. Yu Yangchun. Study on the technology and filler wire melting dynamics during the laser welding with filler wire[D]. Wuhan: Huazhong University of Science & Technology, 2010. [8] Fujinaga S, Ohashi R, Urakami T, et al. Development of an all-position YAG laser butt welding process with addition of filler wire[J]. Welding International, 2005, 19(6): 441 − 446. doi: 10.1533/wint.2005.3440 [9] 贾亚洲, 陈树君, 肖珺, 等. 脉冲激光与电弧布置方式对铝合金焊接熔滴过渡与焊缝形貌的影响[J]. 焊接学报, 2019, 40(12): 23 − 30. Jia Yazhou, Chen Shujun, Xiao Jun, et al. Effect of pulse laser-arc arrangement on metal transfer and bead formation characteristics of aluminum alloy welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2019, 40(12): 23 − 30. [10] 杨武雄, 信纪军, 方超, 等. 百毫米级304不锈钢超窄间隙激光焊接头的组织及性能[J]. 中国激光, 2018, 45(7): 86 − 91. Yang Wuxiong, Xin Jijun, Fang Chao, et al. Microstructure and mechanical property of hundred-millimeter-grade thickness 304 stainless steel joint by ultra-narrow gap laser welding[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(7): 86 − 91. [11] Doruk Yelkenci, 陈俊宏, 温鹏, 等. 钛合金激光立焊烧穿和气孔缺陷及其数值模拟[J]. 焊接学报, 2019, 40(1): 10 − 14. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400003 Doruk Yelkenci, Chen Junhong, Wen Peng, et al. Burn through holes and porosities during laser welding of titanium alloy in vertical position and their numerical model[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2019, 40(1): 10 − 14. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400003 -
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