106W/cm2激光16mn无缝管焊缝的成形机理

即在能量密度大于106W/cm2激光光束作用下,为了研究大功率光纤激光焊在30416mn无缝管上的焊缝成形,使用57kW激光功率,10100mm/焊接速度在16mm厚的304奥氏体16mn无缝管上进行全覆盖参数试验。随后观察了焊缝的熔深、熔宽、焊缝形状等成形参数。结果表明,焊接速度低于20mm/时,焊缝表面会形成隆起,熔深随速度减慢,迅速增加;焊接速度在3040mm/时,焊缝表面变得凹凸不平且两边存在咬边,熔深随速度减慢且小幅增加;焊接速度介于50mm/和90mm/之间时,焊缝的熔深和熔宽几乎不变;而当速度达到100mm/时,熔深急剧减小,且钉头形焊缝的形状发生了很大的改变。通过以上试验结果结合小孔效应和熔池特性分析了16mn无缝管激光焊缝的成形机理,对大功率光纤激光焊接形成了更全面的认识。关键词：30416mn无缝管;光纤激光焊;小孔效应;成型机理

5630.2014.03.012Astudionformatofhighpowerfiberlasweldof304stainlesssteelGONGHongwei,LENGXiaochunShanghaiNo.1MachinToolWorkCo.,Ltd.,Shanghai201308,ChinaAbstractAfullcoveragexperiwith5-7kWlaserpowerand10-100mm/weldspeedarmadetostuditheweldbeadformatofhighpowerfiberlaserweldon304q345d无缝方管austinitstainlesssteel.Then,rdeepth,weldbeadwidthandshapearobserved.Trdepthincreasrapidliwhenthetravelspeedislowerthan20mm/s;weldbeadislowerthantheinitisurfacoccasionandundercutoccurwhenthetravelspeedis30-40mm/s;welddepthandwidtharalmostthesamewhenthetravelspeedaramong50-90mm/s;welddepthdecreassuddenliandshapeofnail??likweldchangalotwhenthetravelspeedarrivat100mm/s.Byanalystheresultinconnectwiththekeyholandmeltpoolcharacteristics,wehaveadeeperunderstandoftheweldformatmechanandhighpowerfiberlaserwelding.Keiword304stainlesssteel;fiber??lasweld;keyhole;formatmechan激光焊接技术的不断发展,大功率激光焊接16mn无缝管(激光功率5kW以上)逐渐进入了工业领域。目前世界上用于工业焊接的激光器主要有CO2激光和光纤图1不同材料对不同波长激光的吸收率Fig.1Absorptratioofdiffermateriwithdifferlaserwavelength激光两类。CO2激光以CO2气体作为工作介质,其激光波长为10.6μm,而光纤激光则以光纤作为工作介质,其激光波长为1.07μm目前世界上两种激光都研发出了15kW以上的激光器,且都拥有较好的光束质量。但由于工业中常用的铁基母材对光纤激光的吸收率要大于CO2激光(见图1,且光纤激光具有光电转化率高、柔性、维护成本低等特点,故光纤激光在工业领域具有一定的优势。本文所采用的即是功率为15kW多模光纤激光器。本试验所使用的母材为304奥氏体16mn无缝管,与其他类型的钢相比,奥氏体16mn无缝管是较易焊接的,任何温度下都不发生相变,对氢不敏感,焊接接头在焊态下具有较好的塑韧性［1］。30416mn无缝管在工业中的应用十分广泛,研究它激光焊接性能是十分有必要的以激光焊为代表的高能束焊,重要的特征是小孔效应。金属发生熔化的同时发生气化,气化所产生的反冲压力将四周的熔化金属排开从而形成小孔。小孔效应是研究焊缝成形的基础。除此之外,熔池流动也是焊缝成形的重要影响因素,而激光焊的熔池流动与蒸汽压、表面张力等多种内部驱动力有非常复杂的联系［2］。光学仪器第36卷第3期龚宏伟，等：30416mn无缝管大功率光纤激光焊成形研究一般而言,对于特定型号(光源、光纤尺寸、焦距、光斑直径等均相同)激光焊接系统,影响焊缝成形的主要参数为:激光功率、焊接速度和离焦量。激光功率与熔深成正比;焊接速度与熔深以及熔宽均成正比［3］;离焦量对焊缝的影响较为复杂,不同焊接设备、焊接参数下会产生不同的结果［3??6］。对于本文的光纤激光焊机而言,经过多次试验得知,离焦量在0附近时熔深,增大或减小离焦量均会使熔深减小。本试验的目的通过获得不同激光焊接参数下的焊缝成形特征(熔深、熔宽等),总结出小孔效应在激光焊中对焊缝成形的影响。图2试件形式Fig.2Formoftestsample1试验方法本试验所用的30416mn无缝管板厚度为16mm为了简化试验步骤,激光束直接作用于一块钢板的表面,等效于间隙为016mn无缝管钢板对接接头,试件形式如图2所示。由于本次试验的目的给焊接6.35mm试板对接接头提供参考,因此,采用了全覆盖试验,选择的激光功率范围为57kW每1kW递进),焊接速度为10100mm/每10mm/递进);为了减少试验数量,仅选用无离焦量一种。焊接完成后将三块试板沿割开,抛光并腐蚀剖面后,使用游标卡尺分别测量每条焊缝熔深和熔宽。2试验结果2.1焊缝熔深图3给出了所有试验焊接参数下焊缝熔深的变化曲线。由图可知,16mn无缝管焊接速度相同的条件下,激光功率越大,熔深也越大。但在激光功率相同的情况下,熔深图3不同焊接参数下的焊缝熔深Fig.3Prdepthofdifferent

专业特种钢管公司：盐源县16Mn无缝钢管