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激光焊接气动喷嘴

气动窗口已在本单位的10kWC2激光器上得到应用,其目的是使激光谐振腔内工作气体与外界空气隔离。我们研究的气动喷嘴是在激光束垂直方向通以高速气流,在光学元件的下方形成气体隔离层,阻挡金属飞溅物的上冲。这种喷嘴的研制成功及推广应用,对于解决易飞溅金属(如粉末冶金材料)的高功率激光焊接,具有重要的理论意义和实用价值。

  1理论分析与结构设计1.1气体动力学分析求解气动喷嘴内横向气动窗口的尺寸及所需的气体流M2的运动方程为:械加工,局部损坏后可进行更换。如所示,4个部分分别为横流进气通道、横流出气通道、圆柱基体、圆锥尖端。进气通道设有一块方形金属丝网,以利气体均匀挺直、减少死点,通过调整不同的丝网来确定最佳气流面积及流速。

  2试验条件及方法采用美国Coherent公司1.25kW轴流CO2激光器,准基模输出。分别用ZnSe透射式聚焦镜和金属反射式聚焦镜,其45°反射镜为Cu镜镀M.;反射式抛物聚焦镜为Mo,镜片便于擦洗。焊接试验材料为45钢,表面抛光后,用等离子体热喷涂一层寸的方形试样位于数控工作台上,焊后沿焊缝横截面剖开,用美国M400-H,金相显微镜观察并测量焊缝形貌。主要焊接工艺参数为:激光功率P=1.2kW,焊速v―1.5mm,焊缝保护气体流量7L/min,Ar气保护。

  用手持式热量功率计测量激光经聚焦镜后照射到工件上的激光功率,以考察不同喷嘴保护时,聚焦系统对激光功率的损耗。对于不同的镜片保护试验,焊接完成后,将镜片取下,用干净胶带将镜片上沉积的飞溅粒子粘取下来,在低倍放大镜下观察并测量其尺寸,记录下特定区域内的粒子数分布。

  3试验结果及其分析3.1镜片破坏性试验首先采用ZnSe透镜聚焦,普通喷嘴同轴保护,焊接2800mm后,镜片破裂,据观察,破裂镜片表面粘有一层细颗粒飞溅物,覆盖层阻挡激光束的传输,经激光功率测量,由飞溅污染而引起的透射激光能量损失高达25%,过高的热量使镜片热畸变而损坏;另一片ZnSe镜片采用气动喷嘴保护,横向气流量200L/min,焊接7000mm后,镜片完好无损。同时研究了横向气流对喷嘴尖端同轴气流关系,结果也表明,在横向气流关、开瞬间及正常工作时,同轴喷嘴尖端几乎测不出横向气流附加的影响,即对焊缝的保护效果无任何不利影响。

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