在當(dāng)前的空間推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)組件中，高效高精的激光焊已經(jīng)成為產(chǎn)品科研制造的主流焊接方法，而隨著大推力技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)激光焊結(jié)構(gòu)中的高熔深需求也越來(lái)越多。氣孔是激光深熔焊接頭中最普遍存在的缺陷，而目前行業(yè)內(nèi)尚無(wú)系統(tǒng)性的理論基礎(chǔ)，因此工藝技術(shù)的瓶頸已逐漸凸顯。
由于氣孔狀況與深熔焊特有的匙孔現(xiàn)象息息相關(guān)，而匙孔的動(dòng)態(tài)行為又被焊接速度、離焦量、光束質(zhì)量等多種因素影響，因此文中從上述工藝因素出發(fā)開(kāi)展研究，以求探明各類(lèi)參數(shù)對(duì)氣孔特性的定量化影響規(guī)律，從而為抑制氣孔的工藝優(yōu)化需求提供思路，進(jìn)而提高實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力上限。
空間發(fā)動(dòng)機(jī)常用材料之一為1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，其激光焊接頭一般為對(duì)接形式，并采用不填絲自熔焊模式進(jìn)行連接，具體簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。
產(chǎn)品模擬試驗(yàn)件的尺寸為40 mm×4 mm，零件接觸面在裝配前要經(jīng)砂紙打磨、丙酮清洗和真空烘干，以保證焊接位置的粗糙度和潔凈度。焊前裝配時(shí)需對(duì)接頭進(jìn)行逐一計(jì)量，保證錯(cuò)邊不大于0．1 mm，間隙不大于0．03 mm。焊后對(duì)焊縫進(jìn)行X射線拍片，在底片成像設(shè)備上計(jì)量氣孔的數(shù)量和直徑，具體技術(shù)要求細(xì)則見(jiàn)表1，隨后對(duì)氣孔缺陷達(dá)標(biāo)的接頭進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、耐壓性能和氦氣漏率等多項(xiàng)檢查。
每場(chǎng)婚姻里，都有磨合與爭(zhēng)吵。李紅的臭脾氣，在婚后不遮不掩地偶爾爆發(fā)一下。齊海峰懊悔不已，如果當(dāng)時(shí)他再厚著臉皮去找找楊蓉，如果當(dāng)初他娶的是心里愛(ài)的蓉兒，一定會(huì)好上百倍。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)激光焊結(jié)構(gòu)示意圖
表1 推力室激光焊接技術(shù)要求
氣孔缺陷 抗拉強(qiáng)度Rm/MPa 53 MPa氮?dú)饽蛪簳r(shí)間t/min 35 MPa氦氣漏率Q/(Pa·m3·s－1)個(gè)數(shù)≤4，直徑和≤0．6 mm ≥755 ≥15 ≤1×10－7
激光深熔焊氣孔按形成原因大致可分三類(lèi)，一類(lèi)是由于母材受污染而產(chǎn)生的成分性氣孔;一類(lèi)是由于焊接過(guò)程中匙孔不穩(wěn)定而導(dǎo)致的工藝性氣孔;最后一類(lèi)是由于匙孔開(kāi)口處形成的湍流將保護(hù)氣卷入而形成的混入性氣孔［1］。
成分性氣孔需要通過(guò)焊前嚴(yán)格清理來(lái)減少和避免，文中不作具體研究。對(duì)于工藝性和混入性氣孔，需要從焊接過(guò)程出發(fā)加以詳細(xì)分析。
一日清理櫥柜，翻出了十四年前女兒出生時(shí)珍藏的一小布包胎發(fā)，鄭重其事地交與女兒保管，希望當(dāng)她有朝一日青絲變白雪之時(shí)，能手握這胎發(fā)想起已經(jīng)消失的父母，想起艱難走過(guò)的歲月。
為對(duì)比不同的焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫氣孔傾向的影響程度，以氣孔率為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定量評(píng)估。定義氣孔率S為氣孔直徑Ap之和與焊縫總長(zhǎng)度Aw的比例［2］，如式(1)所示
此外，共情的因素也發(fā)生一定作用。轉(zhuǎn)移性羞恥的特點(diǎn)是羞恥的行為主體與情緒的體驗(yàn)主體不一致，母親是羞恥事件的當(dāng)事人，但自我是實(shí)際的羞恥體驗(yàn)者。如果自我需要獲得與母親相似的羞恥體驗(yàn)，親子間的共情將是必要的橋梁。共情研究發(fā)現(xiàn)，共情主體與對(duì)象之間的關(guān)系是共情發(fā)生的重要影響因素(顏志強(qiáng)，蘇金龍，蘇彥捷，2017)。母親與子女之間具有天然的血緣關(guān)系，并且在重要的價(jià)值觀上一致。因此，當(dāng)羞恥體驗(yàn)發(fā)生后，對(duì)親社會(huì)行為的影響呈現(xiàn)一致性。
第二，扶貧參與人員的執(zhí)行能力水平對(duì)扶貧的成果有重要的影響。此外，除了扶貧項(xiàng)項(xiàng)目與資源的管理能力和貧困戶(hù)的參與力度之外，加強(qiáng)對(duì)貧困信息的建設(shè)和發(fā)展自身的能力非常的重要。
日本大阪大學(xué)M．Mizutani和華中科技大學(xué)陳俐等人［3－4］的研究表明，在相對(duì)穩(wěn)定的激光深熔焊過(guò)程中，光束通過(guò)孔壁的多次反射到達(dá)匙孔底部，金屬蒸氣的周期性強(qiáng)烈噴發(fā)變化導(dǎo)致匙孔下部的液態(tài)金屬持續(xù)性地波動(dòng)，即整個(gè)匙孔的形狀都在不斷地發(fā)生變化。當(dāng)某個(gè)時(shí)刻波動(dòng)超過(guò)一定限度后，若干個(gè)孤立的氣泡就會(huì)產(chǎn)生，而如果氣泡離熔池表面的距離過(guò)遠(yuǎn)，或液態(tài)金屬的凝固速度過(guò)快，或氣泡上浮逸出的動(dòng)力不足，則它們最終將殘留于固態(tài)焊縫中而形成工藝性氣孔。此外激光焊一般采用惰性氣體進(jìn)行外部保護(hù)，假如保護(hù)氣施加參數(shù)不當(dāng)，則有相當(dāng)?shù)膸茁市纬煽卓谖闪鳎瑥亩烊氤卓變?nèi)部增加混入性氣孔的形成概率。綜上所述，適宜的工藝參數(shù)能減輕匙孔的波動(dòng)不穩(wěn)定性，或形成較好的熔池環(huán)境以利于氣泡的逸出，以及降低匙孔開(kāi)口處形成紊流的幾率，從而可以抑制氣孔超標(biāo)現(xiàn)象的產(chǎn)生。
固定垂直入射和表面實(shí)焦等參數(shù)不變，先從1．8～3．6 m/min范圍內(nèi)選取四個(gè)典型速度值，再在每個(gè)速度下以100 W為步進(jìn)變化功率施焊，最終所得熔深和氣孔率隨參數(shù)變化的情況如圖2所示。
在進(jìn)行模糊自適應(yīng)阻抗控制時(shí)，需用對(duì)模糊變量進(jìn)行模糊處理，小腿f(wàn)s和大腿f(wàn)b模糊化結(jié)果如式(5)所示，根據(jù)模糊結(jié)果對(duì)阻抗參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整。
由圖可知，首先相同焊接速度下熔深隨激光功率的增大而升高，相同激光功率下熔深隨焊接速度的增大而降低，顯示了焊接熱輸入對(duì)熔深的積極作用。其次氣孔率隨參數(shù)的變化規(guī)律與熔深類(lèi)似，區(qū)別是氣孔率遞增的程度更為顯著。但在實(shí)際的科研生產(chǎn)中，氣孔率與參數(shù)的關(guān)系并不實(shí)用，其與熔深的關(guān)系才具有定量化的指導(dǎo)意義，因此將氣孔率與熔深進(jìn)行對(duì)應(yīng)，所得的關(guān)系曲線如圖3所示。
圖2 激光功率和焊接速度對(duì)焊縫質(zhì)量的影響規(guī)律
圖3 焊縫氣孔率與熔深的關(guān)系
由圖可知，氣孔率與熔深大致成正比例關(guān)系，但在每個(gè)特定的熔深下，當(dāng)速度和功率的搭配發(fā)生變化時(shí)，焊縫的氣孔率有所差別:熔深＜1．85 mm時(shí)，慢速低功率的焊縫氣孔率更低;熔深≥1．85 mm時(shí)，快速高功率的焊縫氣孔率更低。
貼梗海棠（Chaenameles speciosa.）屬薔薇科木瓜屬植物，原產(chǎn)于中國(guó)，為溫帶樹(shù)種，分布于陜西、甘肅、四川、貴州、云南、廣東等地，全國(guó)各地均有栽培，也叫鐵桿海棠、鐵角海棠、鐵角梨[1-3]，緬甸、日本、朝鮮也有分布。其花色紅黃雜揉，相映成趣，其花朵鮮潤(rùn)豐腴、絢爛耀目，果實(shí)大，香氣濃，深受人們喜愛(ài)，不僅是美化園林、綠化環(huán)境的重要花木，更是優(yōu)良的花果類(lèi)盆景樹(shù)種。果實(shí)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值很高，可與獼猴桃媲美，以“百益之果”著稱(chēng)，是藥食兼用食品，具有舒筋活絡(luò)、化濕、順氣、止痛的功效，并能解酒去痰，煨食止痢。
分析認(rèn)為首先對(duì)于某一定點(diǎn)處的匙孔來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部存在著大量的高壓金屬蒸氣，這些蒸氣持續(xù)不斷地向上逸出孔口，因此在該處匙孔完全閉合之前，金屬蒸氣順利逸出的比例越多，最終形成的焊縫氣孔率就越低，而孔越深則氣體逸出所需的時(shí)間也越長(zhǎng)，因此表現(xiàn)為氣孔率與熔深的大致正相關(guān)。龐盛永［5］模擬了匙孔振蕩和功率與速度的兩種關(guān)系曲線，結(jié)果顯示隨著激光功率的增大或焊接速度的降低，匙孔振蕩幅度顯著增大，即匙孔的動(dòng)態(tài)存在變得不穩(wěn)定。由于焊縫熔深較小時(shí)激光功率也較低，可知此時(shí)匙孔的振蕩很穩(wěn)定，因此提高速度帶來(lái)振蕩穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)難以體現(xiàn)。而高速度時(shí)每個(gè)定點(diǎn)處的匙孔存在周期會(huì)變短，并且液態(tài)熔池的凝固速度也會(huì)加快，即留給金屬蒸氣逸出的時(shí)間會(huì)大幅減少，因此高速的消極作用占了主導(dǎo)，即提高焊接速度反而增加了氣孔率。焊縫熔深較大時(shí)激光功率也較高，熔池的峰值溫度高且維持時(shí)間長(zhǎng)，匙孔的振蕩非常不穩(wěn)定，此時(shí)高速度的快冷劣勢(shì)不再主導(dǎo)，而其帶來(lái)的振蕩穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)開(kāi)始凸顯，此消彼長(zhǎng)最終表現(xiàn)為更低的氣孔率。
圖4 離焦量對(duì)焊縫質(zhì)量的影響規(guī)律
激光束在豎直傳輸時(shí)并非理想的平直狀態(tài)，而是縱截面為雙曲線式的沙漏形(最細(xì)處為焦點(diǎn))，因此當(dāng)工件在焦點(diǎn)平面附近上下移動(dòng)時(shí)，工件表面光斑面積S會(huì)與離焦量Z成二次方正比例關(guān)系變化［6］。
畢竟，暖氣的原理是熱水，而冰島熱水無(wú)須加工，直接來(lái)自火山，所以冰島的供暖便宜。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，冰島暖氣的收費(fèi)對(duì)比世界各地，幾乎是一半的價(jià)格。
從－4～4 mm范圍內(nèi)選取五個(gè)典型離焦量進(jìn)行試驗(yàn)，所得焊縫質(zhì)量與離焦量的關(guān)系如圖4所示。
1.改變單一枯燥的教學(xué)模式。在教學(xué)中可以專(zhuān)門(mén)給學(xué)生設(shè)一節(jié)課讓學(xué)生閱讀和做摘要，并定期召開(kāi)讀書(shū)研討會(huì)，讓每一位學(xué)生提出自己讀書(shū)中的想法，一起交流讀書(shū)的經(jīng)驗(yàn)。
由圖4a可知，焦點(diǎn)在工件表面或稍微下探時(shí)(即離焦量在0～－2 mm內(nèi))，熔深和氣孔率都相對(duì)最大，而焦點(diǎn)向上遠(yuǎn)離表面或向－2 mm以下深入時(shí)，熔深和氣孔率都會(huì)降低。分析認(rèn)為匙孔內(nèi)存在著多種能量耦合機(jī)制，其中菲涅爾吸收占絕對(duì)主要作用(即入射光束在孔壁上發(fā)生多次反射，每次反射都有部分能量被熔池吸收)。根據(jù)陳虹等人［7］的模擬研究證明，當(dāng)焦點(diǎn)處于工件表面以上時(shí)，光束以發(fā)散的狀態(tài)進(jìn)入匙孔，由錐形小孔內(nèi)光路傳播幾何特性可知，反射光束較難向孔底縱深方向傳播，因此獲得的匙孔深度更淺。而焦點(diǎn)處于工件表面以下時(shí)情況相反，所以負(fù)離焦可以加強(qiáng)深熔能力，但當(dāng)焦點(diǎn)過(guò)于深入內(nèi)部時(shí)，工件表面光斑面積過(guò)大，引起激光功率密度過(guò)小，因此熔深反而有所下降。
由圖4b可知，氣孔率和離焦量的對(duì)應(yīng)關(guān)系與熔深大致類(lèi)似，根據(jù)前一節(jié)的理論分析，在振蕩穩(wěn)定性不變的前提下，更大的孔深不利于氣體的逸出。
然而由圖4c可知，0離焦比－2離焦熔深稍高而氣孔率稍低，+2離焦與－4離焦也如此，且+4離焦時(shí)幾乎很少產(chǎn)生氣孔，即氣孔率與熔深的對(duì)應(yīng)關(guān)系不嚴(yán)格。分析認(rèn)為正離焦時(shí)由于孔口處的光斑面積更大且光束形態(tài)發(fā)散，因此需要更大的功率以熔化出與實(shí)焦時(shí)相同的孔深。金湘中等人［8］研究證明，當(dāng)光束在匙孔內(nèi)部進(jìn)行菲涅耳反射時(shí)，絕大部分的能量都在前三次的反射點(diǎn)處被液態(tài)金屬吸收，由于正離焦時(shí)前三次反射的位置更加偏向匙孔上部，故此時(shí)熔池中上部吸收的熱量更多，而高功率下金屬蒸發(fā)和熔化的體量都相對(duì)較多，導(dǎo)致匙孔的內(nèi)部空間和開(kāi)口角度同時(shí)增大，并且熔池的峰值溫度和高溫停留時(shí)間也會(huì)更大，所以此情況下匙孔閉合所需的時(shí)間更長(zhǎng)。再加上此時(shí)熔池邊界的冷卻梯度更小，即液態(tài)金屬凝固速度會(huì)相對(duì)減慢，多種優(yōu)勢(shì)因素相互疊加，造成孔內(nèi)氣體可以更順利地逸出。因此正離焦時(shí)雖然熔深比實(shí)焦焊時(shí)更大，但依然可以表現(xiàn)為焊縫氣孔率的顯著降低。
圖5 光束入射角對(duì)焊縫質(zhì)量的影響規(guī)律
光束入射角定義為入射光的軸線與工件表面法線的夾角，即光束垂直入射到工件表面時(shí)入射角為0°。若定義光束前傾時(shí)入射角為正，則光束后仰時(shí)入射角為負(fù)，從－10°～10°范圍內(nèi)選取五個(gè)典型入射角進(jìn)行試驗(yàn)，所得焊縫質(zhì)量與入射角的關(guān)系如圖5所示。
由圖5a和圖5b可知在每一個(gè)相同的焊接參數(shù)下，入射角度由負(fù)向正變化時(shí)，焊縫熔深和氣孔率同步逐漸變低，不過(guò)綜合比較可知?dú)饪茁氏陆档某潭雀?。因此將氣孔率與熔深進(jìn)行對(duì)應(yīng)的圖5c顯示在任一特定的熔深下，入射角度由負(fù)向正變化時(shí)焊縫氣孔率逐漸升高。
分析認(rèn)為:理想的匙孔形態(tài)一般為倒直立的圓錐，然而在實(shí)際的焊接過(guò)程中，由于光束的連續(xù)移動(dòng)和熔池的粘滯作用，匙孔會(huì)發(fā)生一定程度的向后彎曲變形［9］。當(dāng)光束后仰時(shí)(負(fù)入射角)，匙孔的彎曲程度會(huì)發(fā)生減小，而由于有效熱輸入保持不變，因此匙孔的最大長(zhǎng)度(即中心線的長(zhǎng)度)不變，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)特性可知，此時(shí)匙孔尾部到熔池表面的距離增加，即熔池最大深度增加，最終表現(xiàn)為熔深的少許增大。與此同時(shí)由于匙孔彎曲程度降低，金屬蒸氣的逸出通道更為垂直順暢，因此殘留在固態(tài)焊縫內(nèi)的幾率減小，最終表現(xiàn)為氣孔率的降低。而當(dāng)光束前傾時(shí)(正入射角)，匙孔的彎曲程度會(huì)增大，反向參考前面的分析過(guò)程，此時(shí)的熔深減小且氣孔率升高。
激光焊旁軸保護(hù)氣根據(jù)噴嘴擺放位置的不同，可分為前吹、后吹和側(cè)吹三種吹送模式。固定其他工藝參數(shù)不變，在以上三種模式下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，所得焊縫質(zhì)量與吹送方式的關(guān)系如圖6所示。
由圖可知吹送方式對(duì)熔深幾乎無(wú)影響，但在氣孔率方面卻有一定區(qū)別，其中前吹和后吹氣孔率基本相同且較低，而側(cè)吹的氣孔率比兩者略高。分析認(rèn)為維持匙孔存在的動(dòng)力是金屬蒸氣逸出時(shí)的反沖力，而保護(hù)氣除隔絕空氣外還有將金屬蒸氣吹離的作用。在功率密度不變的前提下，單位時(shí)間汽化的金屬量相同，即熔池匙孔的深度一定，表現(xiàn)為焊縫最終熔深幾乎相同。而前/后吹時(shí)工件表面的氣體流道更通順［10］，此時(shí)孔口的金屬蒸氣能被更快地吹走，即孔內(nèi)金屬蒸氣可以更容易地逸出，且保護(hù)氣不會(huì)形成紊流，因此最后產(chǎn)生的混入性氣孔更少。
固定其他工藝參數(shù)不變，選定一種吹送方式，改變氣體流量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，所得焊縫質(zhì)量與吹送方式的關(guān)系如圖7所示。
由圖7可知?dú)怏w流量會(huì)影響熔深和氣孔率，且兩指標(biāo)都是隨流量的增大而增大。分析認(rèn)為氣體流量增大時(shí)孔口火焰被吹歪吹散，金屬蒸汽被更快地吹走，其折射光路和消耗光能的作用減弱，即用于熔化金屬的有效熱量增加，因此匙孔的深度必然有所增加，表現(xiàn)為焊縫的有效熔深逐漸增大［11］。前述分析結(jié)果認(rèn)為更大的孔深意味著更高的氣孔率，而且大流量更容易形成紊流，因此氣體流量不僅增大工藝性氣孔率，也帶來(lái)更高的混入性氣孔率。
圖6 保護(hù)氣吹送方式對(duì)焊縫質(zhì)量的影響規(guī)律
圖7 保護(hù)氣流量對(duì)焊縫質(zhì)量的影響規(guī)律
總結(jié)前一節(jié)的研究結(jié)果可知，在某一特定熔深的前提下，使用較快的焊接速度、更大的正離焦量、合適的負(fù)入射角、后吹稍小的氣流、補(bǔ)償以較大的功率時(shí)，所得焊縫的氣孔率相對(duì)更低。
針對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的焊縫技術(shù)要求(有效熔深要求達(dá)4 mm)，最終優(yōu)化的工藝規(guī)范見(jiàn)表2，采用該規(guī)范焊接的產(chǎn)品焊縫測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)優(yōu)秀，見(jiàn)表3，并且此發(fā)動(dòng)機(jī)已通過(guò)了飛行試驗(yàn)考核。由此表明:激光焊氣孔抑制措施的研究結(jié)果是正確、合理和有效的。
表2 產(chǎn)品模優(yōu)化焊接參數(shù)
速度v/(mm·s－1) 功率P/W 離焦量Z/mm 入射角θ/(°)50 ～60 4 200～4 500 +6～+8 －5～ －10
表3 產(chǎn)品焊縫性能測(cè)試結(jié)果
氣孔缺陷 抗拉強(qiáng)度Rm/MPa 53 MPa氮?dú)饽蛪簳r(shí)間t/min 35 MPa氦氣漏率Q/(Pa·m3·s－1)無(wú)933 ≥15 4．7×10－8
(1)當(dāng)熔深不超過(guò)1．85 mm時(shí)，慢速低功率焊縫的氣孔率更低;當(dāng)熔深超過(guò)1．85 mm時(shí)，快速高功率焊縫的氣孔率更低。
(2)在熔深相同的前提下，正離焦比負(fù)離焦的氣孔率更低，且當(dāng)正離焦提升至+4 mm以上時(shí)，即使熔深很大也極少產(chǎn)生氣孔;入射角度由正向負(fù)變化時(shí)，焊縫氣孔率逐漸降低;前/后吹加稍小的氣流量有利于減少混入性氣孔。
(3)在了解氣孔特性的基礎(chǔ)上總結(jié)出了最有利于抑制氣孔的激光焊工藝規(guī)范，采用該規(guī)范焊接的發(fā)動(dòng)機(jī)焊縫滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)要求，且應(yīng)用產(chǎn)品已通過(guò)了飛行試驗(yàn)考核。
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