TiO2活性剂对不锈钢激光焊接等离子体声发射效应的影响

1. 重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054; 2. 重庆市特种焊接材料与技术高校工程研究中心，重庆 400054

摘 要：针对不锈钢采用添加TiO2活性剂进行活性脉冲激光焊接研究，通过实时检测焊接过程的结构负载声发射信号，研究了激光焊接过程等离子体信息的表征方法及其活性焊接机理. 结果表明，添加TiO2活性剂增强了材料对激光能量的吸收，增强了等离子体的能量及其对材料的传热，从而影响焊接过程传热效应，这是添加TiO2活性剂的脉冲激光焊接熔深增加的主要机理. 利用实时检测焊接过程中的等离子体声发射信号可以对活性脉冲激光焊接过程的等离子体变化行为进行检测和评估. 由焊接过程中采集得到的等离子体声发射信号统计而来的振铃计数特征值，以及计算而来的RMS波形和相应信号的功率谱分布，均反映了活性剂的添加增强了激光焊接过程等离子在时频域上的活动.

关键词：活性剂；脉冲激光焊；等离子体；声发射

0 序 言

激光焊接是一种具有高能量密度热源特征和高效率的焊接方法，在工业制造领域获得了非常广泛的应用. 而添加活性剂的活性激光焊可以显著增大焊缝熔深，进一步提高焊接效率，这也已在行业内形成共识. 对于MIG、TIG这一类电弧焊接方法的活性焊，国内外研究者往往认为活性剂改变熔池表面张力对流和收缩电弧导电通道是熔深增加的主要机理[1, 2]. 而激光焊形成的熔池更小，熔池存在于液态的时间也远小于电弧焊. 这使得表面张力在促进熔池对流的驱动力中不能起到电弧焊接方法中的主要作用. 因此，活性激光焊的熔深增加机制是研究活性激光焊并提高焊接质量和效率的关键.

王小博等人[3]研究了卤化物活性剂对Nd:YAG激光焊接铝合金焊缝熔深的影响，并运用高速摄像及光谱诊断的方法来分析卤化物活性剂对铝合金激光焊接熔深增加的作用机理，结果表明，卤化物活性剂使等离子体对激光的散射、折射和逆韧致吸收减小，可以导致透过等离子体照射在试件表面的激光功率密度增大. 权雯雯等人[4]研究了活性剂对低功率Nd:YAG脉冲激光焊接不锈钢板焊缝熔深的影响，结果表明，熔深增加的主要原因是活性剂提高了激光的吸收率. 孙昊等人[5,6]研究了活性剂对镁合金YAG激光焊接过程的影响，结果表明，激光焊缝熔深增加的主要原因是活性剂微细粉末在激光作用初期增加对激光能量的吸收率.

在脉冲YAG激光焊接过程中，虽然由于激光波长短，且逆韧致吸收降低，使激光等离子体对激光能量吸收的影响降低，材料对激光能量的吸收率得以提升. 但由于受激光能量作用产生显著的金属蒸发及其部分电离，从而形成一种“等离子体羽”，同样可能影响材料对激光能量的吸收. 文中利用结构负载声发射(AE)检测技术实时检测活性脉冲激光焊接过程中的声发射信号，借助对等离子体声发射信号的分析研究活性脉冲激光焊接的机理.

1 试验方法

焊接试验所采用的焊接设备为脉冲YAG激光焊机，焊接的材料为4 mm厚304不锈钢，焊接方式为表面堆焊. 采用的激光焊接工艺参数为：脉冲峰值4.5 kW，脉宽6 ms，脉冲频率20 Hz，焊接速度10 mm/s，保护气体为氩气，气流量为10 L/min. 为了获得不同的焊接传热效应，在-2～2 mm之间按照等差原则选择了5种不同的离焦量. 进行活性焊前，将TiO2粉末用丙酮溶剂混合均匀，并涂覆于待焊材料表面，待丙酮挥发后进行脉冲激光焊接.

焊接过程中，由于高能量密度的激光束集中作用，被焊接材料吸收激光能量转化为热能. 随着激光作用能量的不同，材料被焊接区发生不同物态变化，包括熔化、气化，并进而形成小孔效应，产生等离子体. 当熔深达到一定深度，等离子体由小孔喷射出来时，产生的压力波会激发出声发射信号，并以空气或材料为载体进行传播. 研究中，对不同传热效应下的等离子体声发射信号进行检测，以获取脉冲激光焊接过程能量作用特征.

试验中，脉冲激光焊接过程等离子体所释放的声发射信号采用结构负载方式进行实时检测，试验系统如图1所示. 采用的声发射传感器为谐振频率150 kHz的压电传感器，安装于待焊接工件一端. 检测到的声发射信号经前置放大和信号调理，由数据采集卡进行采集，并传输入计算机进行处理和分析.

图1 焊接过程声发射信号检测系统示意图

Fig.1 Diagram of welding experiment setup

2 试验结果及讨论

脉冲激光焊接所得的焊缝表面成形和焊缝熔深对比分别如图2和图3所示. 可以看出，随着离焦量的变化，添加TiO2活性剂的活性激光焊焊缝成形的变化趋势基本与未添加活性剂焊接所得的焊缝一致. 但是，添加TiO2活性剂明显增大了焊缝熔深. 可见，在活性剂作用下，由于焊接过程传热效应的改变，获得了不同的熔透效果.

图2 焊缝表面成形对比

Fig.2 Weld appearance of pulsed laser welding

图3 焊缝熔深对比

Fig.3 Comparison of penetration depth

为了研究熔深增大的机制，激光焊接过程以结构负载的方式实时检测了等离子体声发射信号变化. 图4a为离焦量为0 mm时，检测获得的等离子体声发射信号中时长为1.0 s的一段信号波形特征. 由于激光脉冲的频率为20 Hz，等离子体喷发产生的声发射脉冲事件频率与激光脉冲作用频率一致. 但是，等离子体声发射事件的幅值有显著差别，焊接中添加TiO2活性剂产生的等离子体声发射信号幅值远大于未添加活性剂的焊接过程. 而对应于图4b所示的焊缝表面成形和横截面形貌也可以看出，由于添加活性剂，焊接过程热效应有增强的迹象.

图4 焊接过程声发射信号及其对应的焊缝成形特征

Fig.4 Characteristics of AE signals and weld appearance

常用于评价声发射信号的特征参数为振铃计数，焊接过程中的单个等离子体声发射脉冲事件如图5a所示. 可以看出，等离子体声发射脉冲事件由若干脉冲信号组成，若设定一个门限值，大于该门限值的脉冲计数即为声发射振铃计数. 通常，振铃计数更大的声发射事件预示着声发射源蕴藏着更强的能量释放.

图5 TiO2活性剂对脉冲激光焊接声发射振铃计数的影响

Fig.5 Influence of activating flux on AE cont in pulsed laser welding

基于以上定义，分别统计图4b焊缝焊接过程2 s时长内的等离子体声发射脉冲事件的振铃计数，如图5b所示. 显然，当离焦量为0 mm时，添加TiO2活性剂的脉冲激光焊接过程产生的等离子体声发射脉冲事件振铃计数特征值远高于未添加活性剂的脉冲激光焊接过程. 可以由此推测，添加TiO2活性剂后，产生的脉冲激光等离子体释放的声发射能量更强，作用于材料的压力波强度更大，这预示着TiO2活性剂增强了脉冲激光作用于材料产生的等离子体的能量. 图6进一步显示了在不同的离焦量下，在一定时间段内的焊接过程中声发射平均振铃计数的变化特征. 可以看出，尽管随着离焦量变化，焊接过程产生不同模式的传热效应，但是，添加TiO2活性剂的焊接过程所产生的等离子体声发射脉冲事件平均振铃计数基本上均大于未添加活性剂的脉冲激光焊接过程. 这也意味着TiO2活性剂在各离焦量范围内均增强了脉冲激光作用于材料产生的等离子体能量.

图6 不同离焦量下平均振铃计数特征

Fig.6 Characteristics of AE cont affected by defocusing amout

为了对脉冲激光焊接过程等离子体的声发射脉冲事件作进一步的分析，图7a分别提取了离焦量为0 mm时的焊接过程声发射信号的一个脉冲事件. 可以看出，由于信号中的频率成分较为复杂，使该信号的可辨识度较低. 因而，对信号进行低通滤波处理，并求解波形信号的均方根(rootmean square, RMS)，得到均方根波形，如图7b所示. 经过信号处理，在信号的RMS波形中，已经能够辨识焊接过程中等离子体声发射信号强度的变化特征. 显然，对于单个声发射脉冲事件而言，添加TiO2活性剂进行的脉冲激光焊接等离子体声发射信号的强度幅值大于未添加活性剂的焊接过程.

为了对等离子体声发射信号的能量特征进行分析，对图7a中的单个脉冲等离子体声发射信号求解功率谱，得到反映等离子体声发射信号能量特征的功率谱分布，如图7c所示. 可以看出，无活性剂添加时，等离子体声发射脉冲事件的能量主要分布在10 kHz以下的频率区间，而对于添加TiO2活性剂进行的脉冲激光焊接，等离子体声发射脉冲事件的能量除了分布在10 kHz以下的频率区间，在10～15 kHz以上的较高频率区间同样有显著的分布. 并且，除了频域分布的差别外，添加TiO2活性剂焊接所获得的等离子体声发射脉冲事件功率谱能量峰的强度也大大增强. 这些功率谱信息较为敏锐地反映了激光焊接等离子体的变化. 可见，添加活性剂的脉冲激光焊接过程获得了更强的等离子体活动.

图7 等离子体声发射单一脉冲事件信号时频域特征

Fig.7 Characteristics of single pulsed AE event of plasma plume in time domain

综合上述分析可以判断，添加TiO2活性剂的脉冲激光焊接过程，由于活性剂增强了材料对激光能量的吸收，导致更大量的元素被气化，从而增强了等离子体的活动强度，改变了焊接过程传热效应，获得了相对于未添加活性剂焊接更大的焊缝熔深. 这应该是添加TiO2活性剂的脉冲激光焊接熔深增加机理.

3 结 论

(1) 添加TiO2活性剂的脉冲激光焊接可以显著地增加焊缝熔深，通过对焊接过程中的等离子体声发射信号进行实时检测，可以对活性脉冲激光焊接过程的等离子体变化行为进行检测和评估.

(2) 由等离子体声发射信号统计而来的振铃计数特征值，以及计算而来的RMS波形和相应信号的功率谱分布，均可以在一定程度上反映活性激光焊接过程产生的等离子体在时频域上的变化特征，以及等离子体能量的变化特征.

(3) 添加TiO2活性剂的脉冲激光焊接过程，活性剂增强了材料对激光能量的吸收，增强了等离子体的能量及其对材料的传热，从而影响焊接过程传热效应，这应该是添加TiO2活性剂的脉冲激光焊接熔深增加的主要机理.

参考文献：

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收稿日期：2015-06-26

基金项目：重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ1400930)；重庆市基础与前沿研究计划资助项目(cstc2015jcyjA60009)；重庆市高等学校青年骨干教师资助计划

作者简介：罗 怡，男，1979年出生，博士，教授. 主要从事先进焊接技术与工艺方面的教学和科研工作, 发表论文70余篇. Email： luoyi@cqut.edu.cn