在当前的空间推进动力系统的发动机组件中，高效高精的激光焊已经成为产品科研制造的主流焊接方法，而随着大推力技术的快速发展，发动机激光焊结构中的高熔深需求也越来越多。气孔是激光深熔焊接头中最普遍存在的缺陷，而目前行业内尚无系统性的理论基础，因此工艺技术的瓶颈已逐渐凸显。
由于气孔状况与深熔焊特有的匙孔现象息息相关，而匙孔的动态行为又被焊接速度、离焦量、光束质量等多种因素影响，因此文中从上述工艺因素出发开展研究，以求探明各类参数对气孔特性的定量化影响规律，从而为抑制气孔的工艺优化需求提供思路，进而提高实际产品结构设计的能力上限。
空间发动机常用材料之一为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，其激光焊接头一般为对接形式，并采用不填丝自熔焊模式进行连接，具体简化结构如图1所示。
产品模拟试验件的尺寸为40 mm×4 mm，零件接触面在装配前要经砂纸打磨、丙酮清洗和真空烘干，以保证焊接位置的粗糙度和洁净度。焊前装配时需对接头进行逐一计量，保证错边不大于0．1 mm，间隙不大于0．03 mm。焊后对焊缝进行X射线拍片，在底片成像设备上计量气孔的数量和直径，具体技术要求细则见表1，随后对气孔缺陷达标的接头进行抗拉强度、耐压性能和氦气漏率等多项检查。
每场婚姻里，都有磨合与争吵。李红的臭脾气，在婚后不遮不掩地偶尔爆发一下。齐海峰懊悔不已，如果当时他再厚着脸皮去找找杨蓉，如果当初他娶的是心里爱的蓉儿，一定会好上百倍。
图1 发动机激光焊结构示意图
表1 推力室激光焊接技术要求
气孔缺陷 抗拉强度Rm/MPa 53 MPa氮气耐压时间t/min 35 MPa氦气漏率Q/(Pa·m3·s－1)个数≤4，直径和≤0．6 mm ≥755 ≥15 ≤1×10－7
激光深熔焊气孔按形成原因大致可分三类，一类是由于母材受污染而产生的成分性气孔;一类是由于焊接过程中匙孔不稳定而导致的工艺性气孔;最后一类是由于匙孔开口处形成的湍流将保护气卷入而形成的混入性气孔［1］。
成分性气孔需要通过焊前严格清理来减少和避免，文中不作具体研究。对于工艺性和混入性气孔，需要从焊接过程出发加以详细分析。
一日清理橱柜，翻出了十四年前女儿出生时珍藏的一小布包胎发，郑重其事地交与女儿保管，希望当她有朝一日青丝变白雪之时，能手握这胎发想起已经消失的父母，想起艰难走过的岁月。
为对比不同的焊接工艺参数对焊缝气孔倾向的影响程度，以气孔率为标准进行定量评估。定义气孔率S为气孔直径Ap之和与焊缝总长度Aw的比例［2］，如式(1)所示
此外，共情的因素也发生一定作用。转移性羞耻的特点是羞耻的行为主体与情绪的体验主体不一致，母亲是羞耻事件的当事人，但自我是实际的羞耻体验者。如果自我需要获得与母亲相似的羞耻体验，亲子间的共情将是必要的桥梁。共情研究发现，共情主体与对象之间的关系是共情发生的重要影响因素(颜志强，苏金龙，苏彦捷，2017)。母亲与子女之间具有天然的血缘关系，并且在重要的价值观上一致。因此，当羞耻体验发生后，对亲社会行为的影响呈现一致性。
第二，扶贫参与人员的执行能力水平对扶贫的成果有重要的影响。此外，除了扶贫项项目与资源的管理能力和贫困户的参与力度之外，加强对贫困信息的建设和发展自身的能力非常的重要。
日本大阪大学M．Mizutani和华中科技大学陈俐等人［3－4］的研究表明，在相对稳定的激光深熔焊过程中，光束通过孔壁的多次反射到达匙孔底部，金属蒸气的周期性强烈喷发变化导致匙孔下部的液态金属持续性地波动，即整个匙孔的形状都在不断地发生变化。当某个时刻波动超过一定限度后，若干个孤立的气泡就会产生，而如果气泡离熔池表面的距离过远，或液态金属的凝固速度过快，或气泡上浮逸出的动力不足，则它们最终将残留于固态焊缝中而形成工艺性气孔。此外激光焊一般采用惰性气体进行外部保护，假如保护气施加参数不当，则有相当的几率形成孔口紊流，从而混入匙孔内部增加混入性气孔的形成概率。综上所述，适宜的工艺参数能减轻匙孔的波动不稳定性，或形成较好的熔池环境以利于气泡的逸出，以及降低匙孔开口处形成紊流的几率，从而可以抑制气孔超标现象的产生。
固定垂直入射和表面实焦等参数不变，先从1．8～3．6 m/min范围内选取四个典型速度值，再在每个速度下以100 W为步进变化功率施焊，最终所得熔深和气孔率随参数变化的情况如图2所示。
在进行模糊自适应阻抗控制时，需用对模糊变量进行模糊处理，小腿fs和大腿fb模糊化结果如式(5)所示，根据模糊结果对阻抗参数实时调整。
由图可知，首先相同焊接速度下熔深随激光功率的增大而升高，相同激光功率下熔深随焊接速度的增大而降低，显示了焊接热输入对熔深的积极作用。其次气孔率随参数的变化规律与熔深类似，区别是气孔率递增的程度更为显著。但在实际的科研生产中，气孔率与参数的关系并不实用，其与熔深的关系才具有定量化的指导意义，因此将气孔率与熔深进行对应，所得的关系曲线如图3所示。
图2 激光功率和焊接速度对焊缝质量的影响规律
图3 焊缝气孔率与熔深的关系
由图可知，气孔率与熔深大致成正比例关系，但在每个特定的熔深下，当速度和功率的搭配发生变化时，焊缝的气孔率有所差别:熔深＜1．85 mm时，慢速低功率的焊缝气孔率更低;熔深≥1．85 mm时，快速高功率的焊缝气孔率更低。
贴梗海棠（Chaenameles speciosa.）属蔷薇科木瓜属植物，原产于中国，为温带树种，分布于陕西、甘肃、四川、贵州、云南、广东等地，全国各地均有栽培，也叫铁杆海棠、铁角海棠、铁角梨[1-3]，缅甸、日本、朝鲜也有分布。其花色红黄杂揉，相映成趣，其花朵鲜润丰腴、绚烂耀目，果实大，香气浓，深受人们喜爱，不仅是美化园林、绿化环境的重要花木，更是优良的花果类盆景树种。果实营养价值和药用价值很高，可与猕猴桃媲美，以“百益之果”著称，是药食兼用食品，具有舒筋活络、化湿、顺气、止痛的功效，并能解酒去痰，煨食止痢。
分析认为首先对于某一定点处的匙孔来说，其内部存在着大量的高压金属蒸气，这些蒸气持续不断地向上逸出孔口，因此在该处匙孔完全闭合之前，金属蒸气顺利逸出的比例越多，最终形成的焊缝气孔率就越低，而孔越深则气体逸出所需的时间也越长，因此表现为气孔率与熔深的大致正相关。庞盛永［5］模拟了匙孔振荡和功率与速度的两种关系曲线，结果显示随着激光功率的增大或焊接速度的降低，匙孔振荡幅度显著增大，即匙孔的动态存在变得不稳定。由于焊缝熔深较小时激光功率也较低，可知此时匙孔的振荡很稳定，因此提高速度带来振荡稳定的优势难以体现。而高速度时每个定点处的匙孔存在周期会变短，并且液态熔池的凝固速度也会加快，即留给金属蒸气逸出的时间会大幅减少，因此高速的消极作用占了主导，即提高焊接速度反而增加了气孔率。焊缝熔深较大时激光功率也较高，熔池的峰值温度高且维持时间长，匙孔的振荡非常不稳定，此时高速度的快冷劣势不再主导，而其带来的振荡稳定优势开始凸显，此消彼长最终表现为更低的气孔率。
图4 离焦量对焊缝质量的影响规律
激光束在竖直传输时并非理想的平直状态，而是纵截面为双曲线式的沙漏形(最细处为焦点)，因此当工件在焦点平面附近上下移动时，工件表面光斑面积S会与离焦量Z成二次方正比例关系变化［6］。
毕竟，暖气的原理是热水，而冰岛热水无须加工，直接来自火山，所以冰岛的供暖便宜。根据统计，冰岛暖气的收费对比世界各地，几乎是一半的价格。
从－4～4 mm范围内选取五个典型离焦量进行试验，所得焊缝质量与离焦量的关系如图4所示。
1.改变单一枯燥的教学模式。在教学中可以专门给学生设一节课让学生阅读和做摘要，并定期召开读书研讨会，让每一位学生提出自己读书中的想法，一起交流读书的经验。
由图4a可知，焦点在工件表面或稍微下探时(即离焦量在0～－2 mm内)，熔深和气孔率都相对最大，而焦点向上远离表面或向－2 mm以下深入时，熔深和气孔率都会降低。分析认为匙孔内存在着多种能量耦合机制，其中菲涅尔吸收占绝对主要作用(即入射光束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)。根据陈虹等人［7］的模拟研究证明，当焦点处于工件表面以上时，光束以发散的状态进入匙孔，由锥形小孔内光路传播几何特性可知，反射光束较难向孔底纵深方向传播，因此获得的匙孔深度更浅。而焦点处于工件表面以下时情况相反，所以负离焦可以加强深熔能力，但当焦点过于深入内部时，工件表面光斑面积过大，引起激光功率密度过小，因此熔深反而有所下降。
由图4b可知，气孔率和离焦量的对应关系与熔深大致类似，根据前一节的理论分析，在振荡稳定性不变的前提下，更大的孔深不利于气体的逸出。
然而由图4c可知，0离焦比－2离焦熔深稍高而气孔率稍低，+2离焦与－4离焦也如此，且+4离焦时几乎很少产生气孔，即气孔率与熔深的对应关系不严格。分析认为正离焦时由于孔口处的光斑面积更大且光束形态发散，因此需要更大的功率以熔化出与实焦时相同的孔深。金湘中等人［8］研究证明，当光束在匙孔内部进行菲涅耳反射时，绝大部分的能量都在前三次的反射点处被液态金属吸收，由于正离焦时前三次反射的位置更加偏向匙孔上部，故此时熔池中上部吸收的热量更多，而高功率下金属蒸发和熔化的体量都相对较多，导致匙孔的内部空间和开口角度同时增大，并且熔池的峰值温度和高温停留时间也会更大，所以此情况下匙孔闭合所需的时间更长。再加上此时熔池边界的冷却梯度更小，即液态金属凝固速度会相对减慢，多种优势因素相互叠加，造成孔内气体可以更顺利地逸出。因此正离焦时虽然熔深比实焦焊时更大，但依然可以表现为焊缝气孔率的显著降低。
图5 光束入射角对焊缝质量的影响规律
光束入射角定义为入射光的轴线与工件表面法线的夹角，即光束垂直入射到工件表面时入射角为0°。若定义光束前倾时入射角为正，则光束后仰时入射角为负，从－10°～10°范围内选取五个典型入射角进行试验，所得焊缝质量与入射角的关系如图5所示。
由图5a和图5b可知在每一个相同的焊接参数下，入射角度由负向正变化时，焊缝熔深和气孔率同步逐渐变低，不过综合比较可知气孔率下降的程度更大。因此将气孔率与熔深进行对应的图5c显示在任一特定的熔深下，入射角度由负向正变化时焊缝气孔率逐渐升高。
分析认为:理想的匙孔形态一般为倒直立的圆锥，然而在实际的焊接过程中，由于光束的连续移动和熔池的粘滞作用，匙孔会发生一定程度的向后弯曲变形［9］。当光束后仰时(负入射角)，匙孔的弯曲程度会发生减小，而由于有效热输入保持不变，因此匙孔的最大长度(即中心线的长度)不变，根据几何结构特性可知，此时匙孔尾部到熔池表面的距离增加，即熔池最大深度增加，最终表现为熔深的少许增大。与此同时由于匙孔弯曲程度降低，金属蒸气的逸出通道更为垂直顺畅，因此残留在固态焊缝内的几率减小，最终表现为气孔率的降低。而当光束前倾时(正入射角)，匙孔的弯曲程度会增大，反向参考前面的分析过程，此时的熔深减小且气孔率升高。
激光焊旁轴保护气根据喷嘴摆放位置的不同，可分为前吹、后吹和侧吹三种吹送模式。固定其他工艺参数不变，在以上三种模式下进行对比试验，所得焊缝质量与吹送方式的关系如图6所示。
由图可知吹送方式对熔深几乎无影响，但在气孔率方面却有一定区别，其中前吹和后吹气孔率基本相同且较低，而侧吹的气孔率比两者略高。分析认为维持匙孔存在的动力是金属蒸气逸出时的反冲力，而保护气除隔绝空气外还有将金属蒸气吹离的作用。在功率密度不变的前提下，单位时间汽化的金属量相同，即熔池匙孔的深度一定，表现为焊缝最终熔深几乎相同。而前/后吹时工件表面的气体流道更通顺［10］，此时孔口的金属蒸气能被更快地吹走，即孔内金属蒸气可以更容易地逸出，且保护气不会形成紊流，因此最后产生的混入性气孔更少。
固定其他工艺参数不变，选定一种吹送方式，改变气体流量进行对比试验，所得焊缝质量与吹送方式的关系如图7所示。
由图7可知气体流量会影响熔深和气孔率，且两指标都是随流量的增大而增大。分析认为气体流量增大时孔口火焰被吹歪吹散，金属蒸汽被更快地吹走，其折射光路和消耗光能的作用减弱，即用于熔化金属的有效热量增加，因此匙孔的深度必然有所增加，表现为焊缝的有效熔深逐渐增大［11］。前述分析结果认为更大的孔深意味着更高的气孔率，而且大流量更容易形成紊流，因此气体流量不仅增大工艺性气孔率，也带来更高的混入性气孔率。
图6 保护气吹送方式对焊缝质量的影响规律
图7 保护气流量对焊缝质量的影响规律
总结前一节的研究结果可知，在某一特定熔深的前提下，使用较快的焊接速度、更大的正离焦量、合适的负入射角、后吹稍小的气流、补偿以较大的功率时，所得焊缝的气孔率相对更低。
针对某型号发动机实际的焊缝技术要求(有效熔深要求达4 mm)，最终优化的工艺规范见表2，采用该规范焊接的产品焊缝测试结果表现优秀，见表3，并且此发动机已通过了飞行试验考核。由此表明:激光焊气孔抑制措施的研究结果是正确、合理和有效的。
表2 产品模优化焊接参数
速度v/(mm·s－1) 功率P/W 离焦量Z/mm 入射角θ/(°)50 ～60 4 200～4 500 +6～+8 －5～ －10
表3 产品焊缝性能测试结果
气孔缺陷 抗拉强度Rm/MPa 53 MPa氮气耐压时间t/min 35 MPa氦气漏率Q/(Pa·m3·s－1)无933 ≥15 4．7×10－8
(1)当熔深不超过1．85 mm时，慢速低功率焊缝的气孔率更低;当熔深超过1．85 mm时，快速高功率焊缝的气孔率更低。
(2)在熔深相同的前提下，正离焦比负离焦的气孔率更低，且当正离焦提升至+4 mm以上时，即使熔深很大也极少产生气孔;入射角度由正向负变化时，焊缝气孔率逐渐降低;前/后吹加稍小的气流量有利于减少混入性气孔。
(3)在了解气孔特性的基础上总结出了最有利于抑制气孔的激光焊工艺规范，采用该规范焊接的发动机焊缝满足标准I级要求，且应用产品已通过了飞行试验考核。
参考文献
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