Effect of defocus on droplet transfer characteristics of high strength steel by laser welding with fill wire

高强钢具有高的屈服强度和断裂韧性、良好的耐磨性和耐腐蚀性、优良的热加工性等优点，在船舶制造、桥梁建筑、工程机械及车辆等方面应用广泛^[1-2]。激光焊接作为一种先进的特种加工技术，具有焊接效率高、热影响区窄及热变形小等优点，已被广泛应用在航空、航海和汽车等生产加工制造领域^[3-8]。相比于单独激光焊接，激光填丝焊技术可降低对工件装配精度的要求，并可通过填充焊丝来调整焊缝的冶金成分，改善焊缝成形^[9-11]。

激光填丝焊的影响因素众多，必然会出现多种熔滴过渡形式，而焊丝熔化过渡过程中降低了匙孔的稳定性，导致匙孔产生波动甚至闭合，从而引起焊接缺陷，所以焊接质量的好坏取决于熔滴过渡的状态^[12-13]。因此，对激光填丝焊熔滴过渡行为展开研究，有助于理解焊接缺陷产生机理及控制焊接质量，具有很高的研究价值。YU等人^[13]研究了光丝距对铝合金5A06激光填丝焊焊接稳定性的影响规律，结果表明，光丝距为0mm时，焊丝与激光束部分重叠，熔滴过渡行为表现为液桥过渡，在此过渡模式下，焊接过程最稳定，熔池面积较大，获得的焊缝成形优良。ZHENG等人^[14]研究了不同工艺参量下的热焊丝过渡行为，并将其分为滴状过渡、熔断过渡、连续过渡、顶丝过渡4种类型，结果表明，连续过渡焊接稳定，得到的焊缝成形良好，电阻热小于焊丝熔化热，且电阻热与熔池传热之和大于焊丝熔化热是获得稳定焊丝过渡的前提。LIU等人^[15]分析了铝合金光纤激光填丝焊焊丝熔入行为及其主要影响因素，研究了送丝方式与送丝角度对焊缝成形及焊接稳定性的影响，实验表明，不同的光丝距会得到铺展过渡、液桥过渡和大滴过渡3种过渡模式，送丝方式会影响焊丝熔化效率，送丝角度则影响激光吸收率及液态焊丝对熔池的冲击力。SALMINEN等人^[16]研究了激光填丝焊焊接参量对焊接质量的影响，结果表明，送丝位置和送丝角度会影响焊丝过渡行为，焊丝的定位不准确会增加激光的反射率，降低焊接质量。激光功率为5kW、送丝速率为8m/min时，焊丝仍会熔化，由于送丝速度过快，焊丝受热时间短，过渡行为表现为滴状过渡。TAO等人^[17]研究了光丝距、送丝角度、送丝方式对铝合金T形接头双侧激光填丝焊熔滴过渡行为及熔池力学行为的影响规律。他们将在不同的光丝距下的熔滴过渡行为定义为：液桥过渡模式、滴状过渡模式、铺展过渡模式。在研究送丝方式对焊接的影响时，发现采用前送丝方式焊丝熔化完全，焊接过程稳定，无飞溅发生，而采用后送丝方式激光的吸收率更高，获得的焊缝熔池较深，但焊接稳定性差，会导致气孔率增大。对于送丝角度从30°增大到60°时，焊丝对激光的反射率减少，更有利于气泡的逸出。上述内容主要研究了送丝角度、送丝方式等参量对熔滴过渡的影响，而离焦量对激光填丝焊焊丝熔入行为及焊接稳定性方面的研究较少。

基于以上研究背景，本文中采用高速摄像系统和工艺试验相结合的试验方法对不同离焦量时的高强钢激光填丝焊熔滴过渡行为及熔池动态行为进行了研究，获得不同的过渡形式，并进一步分析了过渡行为对匙孔及焊缝成形的影响。

试验材料采用高强钢钢板，用细砂纸对钢板进行打磨，直至钢板表面光滑无锈，然后用无水丙酮清洗表面，处理后的钢板尺寸为150mm×29mm×8mm。焊丝材料为304奥氏体不锈钢，直径D=0.6mm。高强钢和焊丝化学成分如表 1所示。

激光器采用德国通快公司生产的HL4006D型号Nd:YAG固体激光器，额定输出功率P₀=4kW，激光波长λ=1.06μm，光束质量因数为25mm·mrad，激光经220mm的透射聚焦镜聚焦后，获得直径为0.6mm的光斑。焊接时采用德国KUKA公司的六轴机械手臂夹持激光焊接接头和送丝接头按设定的轨迹运行，送丝机为济南焊达机械有限公司生产的WF-007A多功能自动氩弧焊填丝机，最大送丝速率为6m/min。试验设备如图 1所示。试验中采用平板堆焊的前送丝方式，保护气体为氩气，气体流量为20L/min，后置吹气方向与激光束夹角为60°，焊丝与激光束夹角为60°，光丝距为0mm。利用高速摄像系统对焊接过程进行实时观察，采集频率为5000frame/s。前送丝示意图如图 2所示。

Figure 1.  Experimental setup

Figure 2.  Schematic diagram of leading direction

在激光功率、焊接速率、送丝速率等参量不变的情况下，只改变离焦量F这一参量，来研究其对熔滴过渡行为及相关特性的影响。离焦量决定激光作用到工件表面上的功率密度^[18]。若离焦量过大，会造成激光作用到工件上的功率密度很小，导致焊缝熔深小和未焊透等缺陷；而离焦量较小，作用到工件上的功率密度很大，引起焊丝和母材的烧蚀蒸发，造成焊缝表面缺陷。基于前期的大量试验, 作者选定了激光功率P_l=3500W，焊接速率v₁=1.2m/min, 送丝速度v₂=5m/min，光丝距为0mm, 在此参量下焊接过程稳定，焊缝成型良好。离焦量变化区间为+5mm~-5mm。

试验中使用高速摄像机采集焊接时的熔滴过渡图像，采集频率为5000frame/s。通过高速摄像采集的图像来研究离焦量的变化对熔滴过渡的影响。经过观察分析，将焊丝熔入熔池的行为分为液桥过渡、混合过渡、滴状过渡3种形式。

离焦量为-5mm时的焊丝熔入行为如图 3所示。在焊接开始后某t₁时刻，焊丝呈现为液桥过渡熔入行为，熔池流动相对稳定。随着焊接的进行在t₁+0.005s时刻，熔池剧烈沸腾，匙孔扩大，伴有大量金属液体飞溅，但飞溅的液体在自身的粘性作用下又回到熔池中，主要原因是激光焦点位于工件表面以下5mm处，母材内部的功率密度高于工件表面，更容易引起材料的熔化蒸发。此刻积累在熔池内大量的等离子体、金属蒸汽在激光的照射下向外喷发，从而引起熔池剧烈沸腾产生飞溅。在t₁+0.007s时刻熔池又恢复稳定。通过高速摄像发现熔池的沸腾飞溅具有周期性，产生这种现象的原因是熔池内的等离子体、金属蒸汽积累到一定浓度，在激光的照射下达到一定温度开始向外喷发, 并且发现上一次的飞溅到下一次飞溅时间间隔大约为0.007s。

离焦量为-3mm时的焊丝熔入行为如图 4所示。在t₁时刻，焊丝开始熔化，匙孔形成，由于离焦量为-3mm，激光的功率密度相对较高，作用在焊丝和工件上的能量较集中，在激光能量、光致等离子体和金属蒸汽辐射能量、熔池热辐射能量作用下，焊丝熔化形成的液体金属以液柱的形式流向匙孔中心，液柱又在匙孔中心受激光能量、光致等离子体和金属蒸汽辐射能量、熔池热辐射能量的二次加热，过热的液体金属发以高速度向四周飞溅，飞溅行为一直贯穿整个焊接过程。

Figure 4.  High-speed image of droplet transfer at F=-3mm

离焦量为-1mm时的焊丝呈现出液桥过渡熔入行为，熔入过程如图 5所示。在t₁时刻，激光分别照射在焊丝和母材上，焊丝熔化，匙孔形成。随着焊接的进行，熔池吸收的能量增加，形成稳定流动的熔池，由于作用在工件上的功率密度高，熔池散发的能量及等离子体较多。焊丝脱离激光能量直接照射，在光致等离子体和金属蒸汽辐射能量、熔池热辐射能量共同作用下，焊丝稳定的熔化，形成连续的液柱注入到匙孔前沿，整个过程十分稳定并无飞溅发生。焊后的焊缝形貌成形良好表面均匀，无缺陷。

Figure 5.  High-speed image of droplet transfer at F=-1mm

离焦量为+1mm时的焊丝熔入行为如图 6所示。可以看出，焊丝与激光部分重叠，部分激光用于熔化焊丝，部分激光熔化母材产生匙孔，由于作用在焊丝和工件上的功率密度增加，焊丝和母材受热更集中。在t₁时刻，焊丝受激光照射开始熔化，熔池形成。在t₁+0.004s时刻，受激光能量、光致等离子体和金属蒸汽辐射能量、熔池热辐射能量等共同作用下，焊丝快速熔化，产生的液体金属在重力和表面张力的作用下，形成连续的液柱沿着匙孔前沿熔入熔池，即液桥过渡熔入行为。而在t₁+0.015s时刻，连续的金属液柱中断，焊丝端部形成球状液滴，主要原因是在t₁+0.015s前某些时刻，焊丝受热熔化过快脱离了激光的直接照射，焊丝受光致等离子体和金属蒸汽辐射能量、熔池热辐射能量继续熔化，形成的球状液滴黏附在焊丝端部。在t₁+0.018s时刻，激光重新照射在焊丝端部，球状液滴滴落，对熔池产生冲击并在激光的照射下产生大量飞溅。在t₁+0.020s时刻，滴状过渡行为恢复为液桥过渡行为。能够看出离焦量为+1mm时, 焊接过程中既有液桥过渡行为也存在熔滴过渡行为，是一种混合过渡行为，焊接过程不稳定。

Figure 6.  High-speed image of droplet transfer at F=+1mm

离焦量为+3mm时的焊丝熔入行为如图 7所示。t₁时刻，部分激光用于熔化母材形成匙孔，部分激光照射在焊丝上，焊丝受热开始熔化。t₁+0.04s时刻，随着焊接的进行，熔池吸收激光能量逐渐稳定，在激光能量、光致等离子体和金属蒸汽辐射能量、熔池热辐射能量的共同作用下，焊丝充分熔化，并在表面张力和自身重力作用下，焊丝融化的液态金属以液柱的形式连续注入到熔池前沿，整个焊接过程十分稳定无飞溅发生。

Figure 7.  High-speed image of droplet transfer at F=+3mm

离焦量为+5mm时的焊丝呈现出滴状过渡熔入行为，熔入过程如图 8所示。在t₁时刻，激光的焦点在工件表面上方5mm处，在工件表面形成的光斑直径大于焊丝直径，此时部分激光照射在焊丝上用来熔化焊丝，部分激光照射在工件表面形成熔池，由于离焦量大，作用在焊丝上的功率密度小，焊丝熔化的速度缓慢，形成的小球状液滴在表面张力的作用下粘附在焊丝端部，焊丝端部与工件表面产生了一定的距离。随着焊接的进行，在t₁+0.071s时刻，焊丝受到激光照射能量、光致等离子体、金属蒸汽辐射能量等共同作用使焊丝加速熔化，因此球状液滴不断长大，并且长大的液滴在表面张力及等离子体蒸汽的压力作用下，克服自身重力朝着背离激光匙孔方向流动长大。在t₁+0.148s时刻，此时的球状熔滴长大成大球状熔滴，重力的作用克服其它力的共同作用，牵引着大熔滴开始与匙孔的前端接触。在t₁+0.173s时刻，大熔滴完全脱离焊丝，以一定的速度熔入熔池，新的小熔滴开始形成，此时匙孔闭合。在t₁+0.184s时刻，熔滴完全注入熔池，熔池中的金属液体急剧增多，液面高度超出工件表面，熔池中的液态金属受到激光的二次照射，散发出大量的金属蒸汽能和熔池辐射能，这些能量作用在焊丝端部新形成的小球状熔滴上，小球状熔滴受热加快增长表现形式与t₁+0.071s时刻一致。可以看出, 滴状过渡具有明显的周期性，是一种极不稳定的过渡形式，应该避免这种情况的发生。

Figure 8.  High-speed image of droplet transfer at F=+5mm

进一步由高速摄像观察到，不同的离焦量的变化范围对应着不同的过渡行为。如离焦量在－5mm~－1mm变化时，焊丝过渡为液桥过渡行为; 但离焦量为－5mm，－4mm时, 熔池液体反应剧烈，有飞溅发生; 离焦量在0mm~+1mm变化时，熔滴过渡模式为混合过度行为，过渡具有不稳定性; 离焦量在+2mm~+3mm变化时，由于作用到焊丝的能量降低，熔滴过渡模式又变为液桥过渡; 离焦量在+4mm~+5mm变化时，作用到焊丝的能量进一步降低，焊丝熔化缓慢，体现为滴状过渡行为。

不同的熔滴过度行为和熔池力学行为最终会影响焊缝质量^[19]。图 9为不同离焦量下得到的焊缝形貌和横截面几何形貌。

Figure 9.  Geometric profile and surface appearance of weld bead under different defocus

从图 9中可以看出，离焦量为-1mm和+3mm时, 焊缝边界平滑、无咬边、表面均匀、成形良好，从截面形貌可以看出此时焊缝都没有缺陷，如裂纹、气孔、未融合等，如图 9c和图 9e所示。离焦量为-5mm时, 焊缝边界凹凸不平、焊缝表面粗糙、焊缝有少量的小气孔，如图 9a所示。离焦量为-3mm时, 焊缝边表面粗糙且不规则，在这种情况下还能发现飞溅物，根据焊缝截面能看出焊缝既有大气孔也有小气孔，如图 9b所示。离焦量为+1mm时, 焊缝表面烧蚀氧化且出现大量凹坑，焊缝截面中出现较大的气孔, 如图 9d所示。离焦量为+5mm时, 焊缝表面粗糙，出现驼峰，成形不规则，从焊缝截面看出底部出现大的气孔，这主要是滴状过渡具有周期性，从而形成了如图 9f所示的焊缝形貌。

从上述分析可知，离焦量为-1mm和+3mm时, 熔滴过渡行为是液桥过渡，在此条件下得到的焊缝成形良好，表面均匀，焊缝截面无缺陷。而在离焦量为+5mm时，熔滴过渡行为为大滴状过渡，得到的焊缝质量最差，焊缝表面粗糙，有驼峰产生。

激光匙孔的稳定性及大小直接影响着焊缝气孔率的高低，从而影响着焊缝的质量和性能^[20]。匙孔的尺寸大，有利于焊接过程中产生的气泡从熔池逸出，焊接质量好。为了对比不同离焦量下的匙孔大小，测量了足够长时间内液态填充过程中匙孔尺寸的大小，绘成折线图，如图 10所示。

Figure 10.  Line chart of keyhole area under different defocus

从图 10中可以看出，离焦量为正时的匙孔面积大于离焦量为负时的匙孔面积，虽然离焦量为负，形成的匙孔较深，但熔池里液体金属会对匙孔产生压力，造成匙孔压缩，而离焦量为正时，焦点位于工件上方，离焦量越大光斑直径就越大，形成的匙孔就越大。图 10a是离焦量为-5mm时的匙孔面积折线图。从图中看出匙孔相对稳定，没有出现匙孔闭合现象，但是匙孔面积较小。图 10b是离焦量为-3mm时的匙孔面积折线图。可以看出匙孔最不稳定，上下波动较大，出现匙孔闭合现象。图 10c是离焦量为-1mm时的匙孔面积折线图。匙孔的波动范围不大，且一直处于张开状态，说明匙孔稳定。图 10d是离焦量为+1mm时的匙孔面积折线图。匙孔出现少量波动，但匙孔一直处于张开状态，匙孔面积有所增大。图 10e是离焦量为+3mm时的匙孔面积折线图。能够看出匙孔面积明显增大，随着时间的变化，匙孔始终处于张开状态，匙孔面积上下波动小，有利于气泡逸出，这表明焊接过程稳定。图 10f是离焦量为+5mm时的匙孔面积折线图。可以看出匙孔面积较大，其过程中匙孔面积变化波动不大，但出现了匙孔的闭合，主要由于大的金属液滴滴落，直接遮挡了激光，以至于激光不能射入熔池形成匙孔，匙孔的闭合时间与球状熔滴滴落时间相一致。

从上述分析得到，离焦量为+3mm时的液桥过渡匙孔很稳定且面积较大，有利于气泡逸出。离焦量为-3mm时的匙孔最不稳定，匙孔面积上下波动极大，出现了匙孔闭合现象，不利于提高焊接质量。离焦量为+5mm时的滴状过渡，匙孔出现了周期性闭合现象。

通过高强钢激光填丝平板堆焊来研究离焦量对熔滴过渡及相关特性的影响规律，并借助高速摄像对焊丝熔化和过渡行为进行了详细的分析。

(1) 通过高速摄像发现，不同离焦量下的焊丝过渡行为具有液桥过渡、滴状过渡、混合过渡3种类型。离焦量为-5mm~-1mm和+2mm~+3mm时为液桥过渡行为；离焦量为0mm~+1mm时为混合过渡行为；离焦量为+4mm~+5mm时为滴状过渡行为。其中液桥过渡为最理想的过渡行为。

(2) 研究了离焦量对焊缝成形的影响规律，发现离焦量通过影响熔滴过渡行为来影响焊缝质量。离焦量为-1mm和+3mm时的液桥过渡行为焊接过程稳定，从而形成的焊缝表面均匀，质量良好，焊缝截面无气孔及裂纹等缺陷；离焦量为+5mm时的滴状过渡行为焊接过程不稳定，焊缝有驼峰产生，从焊缝截面看出底部有大气孔；离焦量为-5mm，-3mm时的焊缝成形相对离焦量为-1mm，+1mm和+3mm时的较差，焊缝截面有部分小的气孔。

(3) 研究了不同离焦量下的匙孔面积变化规律，匙孔面积的大小与离焦量有直接关系。离焦量为正时的匙孔面积大于离焦量为负时的匙孔面积。离焦量为+3mm时的液桥过渡匙孔很稳定且面积较大，有利于气泡逸出；离焦量为-3mm时的爆炸过渡匙孔不稳定，匙孔面积上下波动极大，出现了匙孔闭合的现象，不利于提高焊接质量；离焦量为+5mm时的滴状过渡，匙孔出现了闭合现象，最不利于气泡的逸出。