宋 凡, 张祎玲, 林嘉伟, 周宇浩

(上海空间推进研究所, 上海 201112)

0 引言

激光焊接技术目前广泛应用于空间发动机的阀门和推力室等组件的生产过程，而根据熔池中是否出现匙孔可将激光焊分为热导焊和深熔焊两种模式，这两种模式发生转变的特定功率范围称为激光焊功率阈值区间，该阈值区间与焊接速度、离焦量、光束质量、保护气参数等多种因素有关。采用理论分析与工艺试验的方法研究了各类工艺参数对功率阈值区间的定量化影响规律，以求得到应用于空间发动机的最优激光焊工艺规范。

1 空间发动机激光焊接要求

空间发动机常用材料之一为GH3128高温合金，其主体推力室的激光焊简化结构见图1。焊后需对焊缝进行气孔缺陷、抗拉强度、爆破性能、耐压性能和氦气漏率等多项检查，具体技术要求见表1。

图1 推力室结构示意图

表1 推力室激光焊接技术要求

2 激光焊接原理与工艺试验

激光加热材料的效率通常使用激光功率密度Ek的概念来描述，其定义为：

(1)

式中：P为激光功率，W；v为焊接速度，mm/s；S为光斑面积，mm2。

焊接速度v和光斑面积S为设定值时，激光功率P即为决定Ek的唯一因素。研究结果表明：当Ek在102～104W/mm2范围内时，金属材料表层发生少许熔化形成稳定热导焊；当Ek达到104～105W/mm2范围内时，金属材料表层偶尔会直接发生气化，蒸气的反冲力使液态熔池凹陷成孔，即形成时深时浅的不稳定过渡焊；当Ek大于105W/mm2时，汽化的金属量和蒸气的反冲力都大幅增加，匙孔稳定形成且深度不断增加，此时光束在匙孔内壁多次向纵深反射，工件对光能的吸收比例大幅提高，从而形成稳定的深熔焊接过程[1]；过渡焊接段的功率范围即为激光焊的“阈值区间”。

为了探究焊接速度v对阈值区间的影响程度，我们在20～60 mm/s范围内选取五个典型的速度值，即v=20，30，40，50和60 mm/s，在Φ40×4 mm 的GH3128空心圆筒上进行焊接实验。测量并记录各条焊缝横截面的深宽尺寸，所得焊接速度与阈值区间的关系曲线见图2。

分析认为当焊接速度逐步加快时，激光对单位面积工件表面的辐照时间减短，即单位时间内输入某点熔池的激光能量减少，因此从热导焊向深熔焊转变所需的激光功率增大，表现为图中的区间中值和跨度都有一定程度地上升。此外从曲线的倾斜度可以看出，阈值区间的升高幅度远弱于焊接速度增长的幅度，即当焊接速度增大到3倍时，阈值区间中值仅增大到1.3倍。这需要从激光焊特有的匙孔效应来开展分析，计算机仿真模拟研究[2-3]表明，小孔仅用1 ms左右就极速增长至稳定深度的50%，再经过5～10 ms已快速增长至稳定深度的90%以上，对于常用的焊接速度区间20～60 mm/s(即0.02～0.06 mm/ms)来说，光束移动的速度与小孔成型的速度有较大的差距，即虽然提高了焊接速度，但小孔仍有充裕的时间完成生长，外在表现为焊接速度对阈值区间的影响较小。

图2 焊接速度与阈值区间的关系曲线

激光束传输时的状态并不是理想平直的圆柱形，而是先收细再张开的类沙漏状(细腰处为激光焦点)，因此当工件在激光焦点附近上下移动时，工件表面的光斑半径R与离焦量Z成双曲线规律变化[4]。由于光斑面积S=πR2，带入式(1)可知，激光功率密度Ek与离焦量Z成二次方反比关系，由此表明离焦量是影响激光阈值区间的因素之一。

为了探究离焦量Z对阈值区间的影响程度，在-2～+2 mm范围内选取五个典型的离焦量值，即Z=-2、-1、0、+1和+2 mm，在Φ40×4 mm 的GH3128空心圆筒上进行焊接实验。测量并记录各条焊缝横截面的深宽尺寸，所得离焦量与阈值区间的关系曲线见图3。

由图可知离焦量为零时功率阈值区间最低，因为此时工件表面的光斑面积最小，激光功率密度Ek可达最大值，熔池金属可更快地被加热汽化，从而最早产生了深熔焊所必需的匙孔。当离焦量向正或负方向逐渐增长时，阈值区间都会相应发生上移，因为此时光斑面积均较零离焦时更大，从而导致激光功率密度同步下降。然而在离焦量的绝对值相等时，正离焦的阈值区间要比负离焦的更高，且当Z=+2 mm时，已经很难观察到明显的熔深跃迁区间。对于这种正离焦时阈值更高的现象，研究分析认为激光深熔焊时光束与材料的能量耦合主要是通过“匙孔”来实现的，“匙孔”内存在着多种能量耦合机制，其中菲涅尔吸收占主要作用(即光束入射后在孔壁上发生多次反射，每次反射都有部分能量被熔池吸收)。由锥形小孔菲涅尔反射原理可知，负离焦时焦点位置处于工件表面以下，光束以汇聚状态与匙孔进行耦合，正离焦时焦点位置处于工件表面以上，光束以发散状态与匙孔进行耦合，根据相关文献[5-7]几何光学原理计算结果可知，汇聚状态的激光束更容易向小孔深处传播，从而使得更多光能可用以熔化更深处的金属，更容易带来深熔焊行为，即负离焦比正离焦的阈值区间更低。

图3 离焦量与阈值区间的关系曲线

用来表征激光光束质量的参数是光束聚焦特征参数值Kf，亦称为光束参数积(BPP，Beam Parameters Product)，其定义为[1]。

Kf=ω0·θ0

(2)

式中：ω0为焦点光斑半径，mm；θ0为远场发散半角，mrad。

激光光束质量越好代表激光传播时的汇聚性越好，即焦点处激光光斑半径和远场发散半角的乘积越小(Kf值越小)。现有两台激光焊机，型号分别为HL2006D和TLC3002。HL2006D焊机的焦点光斑半径ω01=0.45 mm，远场发散半角θ01=267 mrad，该焊机激光束较为发散但焦斑面积略小；TLC3002焊机的焦点光斑半径ω02=0.54 mm，远场发散半角θ02=60 mrad；该焊机激光束较为平直但焦斑面积略大。设置离焦量Z=0 mm，焊接速度v=40 mm/s，激光功率P=600～1 100 W，焊接试样为：Φ40×4 mm GH3128空心圆筒，使用两台激光焊机进行激光焊接工艺试验，可得到图4所示光束质量与阈值区间之间的关系曲线。

由图可见在激光焊接工艺参数相同的条件下，两台激光焊机不同光束的阈值区间基本相同。根据能量密度Ek的定义，式(1)，因为两种激光束的焦斑尺寸略有差异，故当两台激光焊机的激光功率相同时，各自焦斑位置的平均能量密度并不相同。然而考虑到不同光束内部存在着不同的能量分布机制，且激光器输出光束的功率存在±1%的正常波动范围，因而可认为工件表面在两种情况下接收到了等效能量密度的热输入[8]，从而在相同的功率区间内发生了从热导焊向深熔焊的转变。由此可见，不同Nd:YAG激光焊机的阈值区间应用各自工艺试验的实测值来确定。

图4 光束质量与阈值区间的关系曲线

激光在焊接过程中会持续电离光束传播路径内的气态物质，包括熔池喷涌出的金属蒸气和外部送入的保护气体。电离的过程会损耗掉一部分激光能量，且产生的等离子体会和金属蒸气一起使光束产生散射现象，即光束在向匙孔深处传播的过程中，有效焊接能力会发生一定程度的降低[1]。本文从气体成份、气体吹送方式和气体流量三个方面进行了焊接工艺试验，以研究保护气参数对阈值区间的影响规律。

激光焊常用的保护气有纯氩(Ar)和纯氦(He)两种，激光焊保护气一般以旁轴方式送入，根据喷嘴摆放位置的不同，可分为前吹、后吹和侧吹三种模式。设置离焦量Z=0 mm，焊接速度v=30 mm/s，焊接试样为：Φ40×4 mm GH3128空心圆筒，改变三类保护气参数进行激光焊接工艺试验，所得保护气参数与阈值区间的关系曲线见图5。

图5 保护气参数与阈值区间的关系曲线

首先由图可知，无论保护气成分是Ar气还是He气，其对阈值区间的影响均微乎其微。一般来说，Ar气的电离能为1 523 kJ/mol，其强特征光谱主要处于大于450 nm的可见光及近红外段；He气的电离能为2 372 kJ/mol，其强特征光谱主要处于小于400 nm的紫外段；即对于YAG激光器产生的1 030 nm波长的光束而言，在给定的激光功率下应该是Ar气更容易被电离，更有可能产生不利于深熔焊的等离子体。然而有研究[9-10]发现YAG激光焊接时熔池区的光谱分布呈连续态，说明此时电离耗能和等离子散射的不利影响基本不存在，这是因为YAG激光形成等离子体的临界功率密度比CO2激光要高两个数量级，这一点和我们观察到的实验结果相符合。

其次保护气体吹送方式和吹送流量均会显著影响阈值区间，侧吹和大流量都有利于阈值区间的降低。分析认为匙孔产生和存在的主要动力是金属蒸气逸出时造成的反冲力，而保护气体的存在不仅可以隔绝空气，还有将金属蒸气吹离匙孔上部的作用，因此当气体流量增大或侧面吹送时，金属蒸气能被更快、更彻底地被吹走，其反冲作用效果不断增强，因此深熔现象更早地出现，表现为阈值区间随气流增大而降低。实际焊接生产时，需综合考虑保护气体效果和熔深需求以确定保护气参数。

3 激光焊接工艺与结果

焊接设备采用德国通快公司生产的Nd:YAG固体激光器，具体型号为TLC3002，最大功率为3 kW，光束质量为8 mm·mrad，焦点光斑半径为0.54 mm，激光波长为1.03 μm，能量模式为准TEM00单模，焊接时使用纯度不小于99.99%的Ar气保护，并与光束轴线成45°旁轴方式进行吹送。

零件在焊前要先进行严格的清理，避免油污、水渍等杂质对光能耦合效果的干扰。具体清理流程为：先用有机高分子洗液除去机加油污，后用HF/HNO3/H2SO4混合剂除去本体金属氧化膜，再用清洗液为无水乙醇的超声波洗掉除油剂和酸洗剂，最后经过80～100 ℃/1～2 h的随炉热烘除去残余乙醇。

清理好的零件按照设计图纸进行焊接装配，装配完成后检测待焊焊缝的错边量和间隙量，确保两者均不超过0.05 mm，否则重新进行校正配合。装配合格的试件用手工焊进行待焊缝固定，一般形成对称分布的4～8个焊点。

焊接开始时先将试件装夹到卡盘上，随后运行专用程序测试光束焦点的实际位置，测试完成后再进行表面定焦和对缝，最后将预定的速度、功率、离焦量、吹气方式和气流量等参数输入程序进行焊接[11]。推力室的标准激光焊工艺流程如图6所示。

图6 推力室激光焊工艺流程框图

焊接参数设计的思路为：对于熔深极浅的热导焊区间，使用普通速度、中等虚焦、低功率的搭配模式(第1组)；对于熔深稍低的深熔焊区间，使用普通速度、实焦、较低功率的搭配模式(第3组)，对于熔深介于两者之间、较易出现过渡焊的区间，使用快速、少许虚焦、较低功率的搭配模式(第2组)；对于熔深很大的深熔焊区间，使用快速、大量虚焦、较大功率的搭配模式(第4组)。表2为产品模拟件工艺试验的实录参数。

表2 产品模拟件激光焊接工艺参数

先对焊缝表面进行质量评级，再对焊缝内部进行无损检测，同时记录焊缝内部气孔和裂纹的实测数据，各项指标均需满足Q/RJ71标准的II级焊缝质量要求(表面非黑，无裂纹，无焊瘤，咬边/未焊满≤10%壁厚，单气孔直径≤50%壁厚，总气孔数量≤5个/100 mm)。在焊缝内外质量均满足标准要求的前提下，对所有试件进行横截面金相制样切割，通过粗磨、精磨、抛光和电化学腐蚀，测量记录每条焊缝的有效熔深数据。此外针对第3、4组试件还要制作力学性能测试试样，测量记录其抗拉强度、爆破强度、耐压强度和氦气漏率数据。产品模拟试件焊后性能测试结果见表3，与表1对比可知均符合技术条件要求。

表3 产品模拟件焊缝性能测试结果

由上述工艺试验结果可得到推力室的最优激光焊接工艺规范(表4)，采用该规范焊接的产品已通过了飞行试验考核。由此表明：激光焊阈值特性的研究结果是正确、合理和有效的。

表4 推力室激光焊接的最优工艺参数

在探明激光焊接阈值区间表现规律的前提下，可以针对不同产品需求设计完美适配的激光焊接工艺参数窗口，以消除过渡焊造成的焊缝熔深一致性不稳定的问题，由此可大大提升激光焊接工艺参数批次复用性。该项技术研究成果已广泛应用于各类发动机的激光焊接生产之中，并正逐步向压力容器和通配件等其他各类组件焊接领域进行推广和应用。

4 结论

激光焊阈值区间与焊接速度呈正向关系，但阈值升高的幅度远弱于焊接速度加快的幅度，当焊接速度由20 mm/s增至60 mm/s时，功率阈值中值从580 W左右增至780 W左右。

由于表面功率密度和汇聚形态的原因，实焦焊时功率阈值区间最低，入焦、离焦时的阈值区间都会发生上移，且在离焦程度相同时正离焦的阈值区间相对负离焦的更高，其中在离焦量Z=+2 mm时已经很难观察到明显的熔深跃迁区间。

光束质量对阈值区间影响轻微且机制较为复杂，每台焊机需要用焊接试验的实测值来单独确定。

YAG激光焊机激光焊接时几乎不产生等离子体，即电离耗能和等离子散射对激光焊接的不利影响基本不存在，因此焊接生产时无论采用哪种成分的保护气体，对YAG激光焊的阈值区间基本没有影响；保护气前吹和后吹对阈值的影响作用相同，阈值区间保持不变，但侧吹有利于匙孔形成，其阈值区间更低；随着保护气体流量的增大，金属蒸气将会更快速地被吹走，匙孔能更好地暴露于激光束辐照之下，同样有利于深熔焊的成型，因此阈值区间也将会更低。

在空间发动机模拟件工艺试验的基础之上得到了激光焊接工艺规范，采用该规范焊接的空间发动机已通过了飞行试验考核。由此表明：空间发动机激光焊阈值特性研究与工艺试验是正确、合理和有效的。该项技术和研究成果已广泛应用于各类发动机的激光焊接生产之中，并正逐步向阀门、压力容器和通配件等其他各类组件焊接领域进行推广和应用。