【摘要】：已有研究表明在鎂合金、鋁合金及銅合金等高反射率材料激光焊接中,通過采用適當(dāng)?shù)墓β收{(diào)制措施可以增大熔深、減少飛濺和氣孔等缺陷。本研究對這一現(xiàn)象背后的物理機制進(jìn)行了初步探索。基于三元二次正交回歸試驗設(shè)計,進(jìn)行了AZ31鎂合金的正弦調(diào)制激光焊試驗。獲得了平均功率(P_A)、調(diào)制振幅(A)和調(diào)制頻率(F)對焊縫橫截面面積(A_(FZ))的影響規(guī)律。結(jié)果表明:P_A較小時功率調(diào)制措施可以顯著改善焊接過程能量耦合效率,隨著P_A的增大功率調(diào)制的促進(jìn)作用減弱甚至消失;P_A較小時"小振幅+高頻率"和"大振幅+低頻率"的2種條件都可以增大焊縫A_(FZ)。獲得并比較了頻率8 Hz正弦調(diào)制焊接在"不銹鋼(反射率約60%)+鎂合金(反射率約80%)"雙金屬試板中形成的焊縫縱截面形貌。發(fā)現(xiàn)功率從瞬時最大值開始減小時,低反射率材料2205中的熔深馬上開始同步減小,而高反射率材料AZ31中熔深開始減小的時刻則滯后了0.036 s(約占一個正弦周期的30%)。分析認(rèn)為,高反射率材料激光焊過程中利用大于AP的瞬時功率峰值形成大深寬比小孔后會使激光在小孔內(nèi)反射次數(shù)增加,因此在激光瞬時功率下降的過程中也可以使大深寬比小孔繼續(xù)維持大約三分之一個正弦周期。大深寬比小孔能夠形成并且在較長時間內(nèi)維持存在是調(diào)制措施能夠改善高反射率材料激光焊能量耦合效率的關(guān)鍵所在。
【圖文】：

438·稀有金屬材料與工程第46卷效率的影響十分顯著。A.Heider等人發(fā)現(xiàn)對激光功率正弦調(diào)制后不僅能夠顯著提高高反射率紫銅激光焊焊縫的熔深，而且能夠減少紫銅FLW過程中的氣孔和飛濺[20]，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在合適的調(diào)制頻率下紫銅FLW過程中小孔的穩(wěn)定性被顯著地改善[21]。工業(yè)領(lǐng)域最常用的激光為波長1μm左右的紅外激光，，而室溫下鎂合金對波長1μm左右激光的吸收率只有8%~20%[22]。本作者曾開展了功率正弦調(diào)制的AZ31鎂合金FLW試驗，結(jié)果表明將激光功率調(diào)制焊接技術(shù)應(yīng)用于鎂合金的焊接，可以增大焊縫熔深，如圖1所示。研究表明在焊接速度為5m/min時，常功率FLW和正弦波調(diào)制FLW將2.7mm厚試板焊透需要的平均激光功率分別為約3和2kW[23]。本實驗將進(jìn)一步分析功率調(diào)制對AZ31鎂合金FLW過程能量耦合效率的影響，并對功率調(diào)制影響高反射率材料FLW過程能量耦合效率的機理進(jìn)行初步試驗研究。1實驗如圖2所示，試驗所用激光器為IPGYLS-4000型光纖激光器。采用函數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)對激光功率的正弦調(diào)制。為了防止材料對激光反射而損傷保護(hù)鏡和聚焦透鏡，激光頭向后傾斜10°。焊接過程中，工件上下表面用氬氣進(jìn)行保護(hù)。試驗中首先進(jìn)行了以A、F和PA為變量的三因素五水平回歸正交試驗。試驗材料為120mm×25mm×8mm的AZ31鎂合金試板。焊后取橫截面，計算各橫截面熔化區(qū)面積作為回歸正交試驗的結(jié)果值，計算回歸系數(shù)得到描述調(diào)制焊接工藝參數(shù)與焊縫橫截面面積之間關(guān)系的三元二次回歸方程。根據(jù)回歸方程進(jìn)一步分析各參數(shù)對能量耦合效率的影響。隨后對功率調(diào)制影響高反射率材料FLW過程能量耦合行為的機理進(jìn)行了研究。試驗方法如圖3和圖4所示：在較低的調(diào)制頻率下進(jìn)行“2205+AZ31”雙金屬試板激光焊接試驗，焊后比較同一焊接過程在不?

用的激光為波長1μm左右的紅外激光，而室溫下鎂合金對波長1μm左右激光的吸收率只有8%~20%[22]。本作者曾開展了功率正弦調(diào)制的AZ31鎂合金FLW試驗，結(jié)果表明將激光功率調(diào)制焊接技術(shù)應(yīng)用于鎂合金的焊接，可以增大焊縫熔深，如圖1所示。研究表明在焊接速度為5m/min時，常功率FLW和正弦波調(diào)制FLW將2.7mm厚試板焊透需要的平均激光功率分別為約3和2kW[23]。本實驗將進(jìn)一步分析功率調(diào)制對AZ31鎂合金FLW過程能量耦合效率的影響，并對功率調(diào)制影響高反射率材料FLW過程能量耦合效率的機理進(jìn)行初步試驗研究。1實驗如圖2所示，試驗所用激光器為IPGYLS-4000型光纖激光器。采用函數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)對激光功率的正弦調(diào)制。為了防止材料對激光反射而損傷保護(hù)鏡和聚焦透鏡，激光頭向后傾斜10°。焊接過程中，工件上下表面用氬氣進(jìn)行保護(hù)。試驗中首先進(jìn)行了以A、F和PA為變量的三因素五水平回歸正交試驗。試驗材料為120mm×25mm×8mm的AZ31鎂合金試板。焊后取橫截面，計算各橫截面熔化區(qū)面積作為回歸正交試驗的結(jié)果值，計算回歸系數(shù)得到描述調(diào)制焊接工藝參數(shù)與焊縫橫截面面積之間關(guān)系的三元二次回歸方程。根據(jù)回歸方程進(jìn)一步分析各參數(shù)對能量耦合效率的影響。隨后對功率調(diào)制影響高反射率材料FLW過程能量耦合行為的機理進(jìn)行了研究。試驗方法如圖3和圖4所示：在較低的調(diào)制頻率下進(jìn)行“2205+AZ31”雙金屬試板激光焊接試驗，焊后比較同一焊接過程在不銹鋼側(cè)和鎂合金側(cè)形成的焊縫縱截面形貌，分析調(diào)制對高反射率材料能量耦合效率的影響機理。試驗所用圖1正弦調(diào)制焊接AZ31焊縫橫截面形貌Fig.1Cross-sectionmorphologiesofsinemodulatedFLWwelding(PA=2000W,Amplitude=500W,weldingspeed=5m/min)[23]:(a)0Hz,(b)100Hz,(c)200Hz,(d)300H

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