崔辉 徐良 杨海锋 徐富家 王旭友

摘要： 分别研究了单光束与摆动光束两种光束模式下光斑尺寸对6 mm厚Q345碳钢激光焊焊缝成形和气孔的影响。结果表明，相对于单光束激光焊，摆动激光光束模式激光焊能够有效改善焊缝成形、降低焊缝气孔率。随着光斑尺寸的增大，两种光束模式激光焊的焊缝成形均趋于均匀、稳定，焊缝的气孔率均明显降低。该试验条件下，光斑直径d≥0.6 mm时，摆动光束激光焊焊缝气孔消失，此时单光束激光焊仍有明显的气孔存在。

关键词： 激光焊; 离焦量; 成形; 气孔率

中图分类号： TG 456.7

Abstract： The effects of two beam modes of single beam and swing beam and the spot size on the weld formation and porosity of laser welding of 6 mm thick Q345 carbon steel were studied. The results show that compared with single beam laser welding， swing laser beam laser welding can effectively improve weld formation and reduce weld porosity. With the increase of spot size， the weld formation of the two laser beam modes tends to be uniform and stable， and the porosity of the weld decreases obviously. Under the condition of this experiment， when the spot diameter d ≥0.6 mm， the weld porosity disappears， and there are still obvious pores in single beam laser welding.

Key words： laser scanning; laser welding; porosity

0 前言

碳素鋼因其优良的综合性能、低温性能、冷冲压性能、焊接性能和可切削性以及较高的性价比被广泛地应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等方面[1]。目前，碳钢板的焊接普遍采用埋弧自动焊、焊条电弧焊以及熔化极惰性气体保护电弧焊（MIG）等方法。

MIG 焊在厚板的焊接过程中，飞溅大、焊接过程稳定性差，容易出现焊缝成形不良。

埋弧焊则需要填充较多焊剂，并且一旦出现焊剂不纯或装配不良时，容易产生熔透不足及夹渣等焊接缺陷[2]。

激光焊具有能量密度高、精度高、速度快、穿透比大等特点[3-4]，在中厚板碳钢的焊接中独具优势，国内外已经开展了广泛的研究。然而，这些研究大多数都是在单光束模式下进行的，对于同样焊接厚度下，光斑大小对摆动光束激光焊的焊缝成形以及气孔率的影响研究较少[5-6]。

基于当前碳钢激光焊接工艺的现状，研究了单光束激光与摆动激光两种光束模式下的焊接效果，并就激光光斑直径大小对碳素钢的焊缝成形和气孔率的影响进行了研究，为碳钢的激光焊接应用提供一定试验依据。

1 试验材料与方法

试验采用平板堆焊，单面焊双面成形，激光热源为 YLS-10000 型激光器，光纤芯径=400 μm，激光焦距l=300 mm。摆动激光为垂直摆动模式，摆幅H=1mm，频率 f=60 Hz。试验材料为 6 mm 厚的Q345 碳钢，母材的化学成分见表1。保护气体纯氩气，焊接工艺参数见表2，试验原理如图1 所示。

2 试验结果及分析

2.1 光束模式对焊缝成形与气孔的影响

在激光束作用点位于焦点位置时来考察单光束和摆动光束两种光束模式对焊缝成形和气孔率的影响，结果见表3。从表3 可以看出，摆动激光焊的正面成形优于单光束激光焊，相比于摆动激光焊，单光束激光焊焊缝正面下凹程度更大，咬边缺欠也更为严重，并且更易产生飞溅，其背部的飞溅颗粒大小差异较大，均匀性较差。两种激光模式的焊缝背面均可成形，相比于单光束激光焊，摆动激光焊的焊缝背部余高稍矮、背部熔宽稍宽，铺展更为均匀、连续、稳定。

表4为激光束作用点位于焦点位置，两种光束模式激光焊焊缝的 X 射线探伤照片，焊缝气孔率统计如图2所示，结果表明，同样在焊透 6 mm 接头的条件下，摆动光束激光焊的焊缝气孔率为 2.8%，相比单光束激光焊气孔率下降了约 88.71%，摆动激光焊产生气孔的倾向比单光束激光焊小，这说明摆动光束在抑制气孔方面比单光束激光焊更有优势。

2.2 光斑尺寸对焊缝成形与气孔率的影响

2.2.1 光斑尺寸对焊缝成形的影响

表5为负离焦下不同光斑尺寸对两种光束模式激光焊焊缝成形的影响。从表5可以看出，两种光束模式激光焊焊缝的正面成形咬边缺陷均较为严重，并且随光斑大小的变化，两种光束模式激光焊焊缝的正面咬边缺陷并没有明显改善，但相比于单光束激光焊，摆动光束激光焊的背面成形更为连续、稳定，背部铺展更为均匀、一致。随着光斑直径逐渐变大，两种光束模式激光焊焊缝背面成形有所改善，铺展趋于均匀、稳定。

图3为负离焦下两种光束模式激光焊焊缝背部熔宽随光斑尺寸的变化规律，结果表明，焊缝背部熔宽随光斑尺寸的增大而增加，并且单光束激光焊背面熔宽的增加趋势更为明显。

表6为正离焦下不同光斑尺寸对两种光束模式激光焊焊缝成形的影响，从表6 可以看出，正离焦下光斑大小的变化对两种光束模式激光焊焊缝正面、背面影响的规律与负离成形改善不明显，都存在咬边、下凹等缺陷。