工艺参数对超薄不锈钢片微激光焊接焊缝成形的影响

工艺参数对超薄不锈钢片微激光焊接焊缝成形的影响南昌航空大学材料科学与工程学院焊接工程系（330063）陈玉华，徐世龙，柯黎明，邢丽，杨成刚摘要：采用微型脉冲激光实现了0.2mm厚321不锈钢片的对接焊，研究了脉冲频率、脉冲宽度和脉冲功率等工艺参数对焊缝成形的影响规律。结果表明，0.2mm厚321不锈钢片的微激光对接焊容易在焊缝处产生烧穿、在收弧处形成较深的弧坑。在其它工艺参数固定不变时，减小脉冲频率和脉冲宽度均可以避免焊缝的烧穿，改善焊缝成形；减小脉冲功率有利于避免焊缝收弧处较深弧坑的形成，但脉冲功率过小会导致未焊合。当脉冲功率百分比为12时，脉冲频率在较宽的范围内变化都能获得成形良好、无缺陷的焊接接头。焊缝组织由中心部位的等轴晶和边缘细小的柱状晶组成，在焊缝和母材的交界处几乎不存在焊接热影响区。关键词：超薄不锈钢片；微激光焊；焊缝成形；工艺参数中图分类号：TG456.70引言近年来，厚度小于0.3mm的超薄不锈钢片、带等材料在医疗器械、工业品及日用器皿中有着越来越广泛的应用。因此，常常会遇到超薄不锈钢材料的焊接问题。由于材料厚度太薄，焊接难度显著增大，目前通常采用电阻焊方法（主要有点焊和缝焊）。但由于电阻焊一般为搭接接头，在很多情况下会影响器件的使用和外观的美观［1］。钨极氩弧焊虽然是焊接不锈钢的合适方法，但焊接厚度为0.3mm以下的不锈钢片也比较困难［2］。小功率脉冲激光焊接具有功率密度高、能量集中、热输入小、焊缝窄和变形小等优点，而且激光束聚焦后可获得很小的光斑，能精密定位，这些特点使得激光焊接比其他焊接方法更适合于小尺寸工件的焊接［3-5］。对于超薄片状材料的激光焊接，特别是对接焊，由于材料本身很薄，表面少量汽化都会使焊点成孔，甚至形成烧穿，因此在保证焊透的情况下获得一条连续的、无烧穿的焊缝便成为超薄片状材料激光焊接的关键之所在。本文采用平均功率为80瓦的脉冲激光实现了0.2mm厚321不锈钢片的对接焊，研究了工艺参数对焊缝成形的影响规律。1试验材料及方法试验用321不锈钢片的规格为40mmX25mmX0.2mm。将焊接试样的表面和对接端面用600目砂纸打磨，去除表面氧化层和油污，然后采用丙酮清洗干净并吹干。采用自行研制的专用夹具将两片焊接试样对接固定在激光焊接工作台上进行焊接。激光焊设备为意大利SYSMA公司的SL—80型Nd:YAG脉冲激光焊接，平均功率为80瓦。焊接时采用氩气进行保护，焊接速度固定为0.3mm/s,光斑直径为0.3mm。在预试验的基础上，通过调整激光的脉冲功率百分比（P）、频率f）、脉冲宽度（T）和脉冲能量（E）进行焊接试验（其中脉冲能量由脉冲功率百分比和脉冲宽度决定），研究这些参数对焊缝表面形貌和横截面形貌的影响，试验采用的工艺参数共10组，分别如表1所示。表1试验采用的工艺参数试验编号P/%T/msf/HzE/J1231.99.02.72231.97.02.73231.95.02.74231.69.02.25231.29.01.76152.29.02.27122.89.02.2883.59.02.29122.87.02.210122.85.02.22结果讨论与分析脉冲频率对焊缝成形的影响微小尺寸工件的焊接和常规焊接有很大不同，由于工件本身尺寸小，其热容量很小，导热能力差在焊接热源作用下就会出现热量积累，有可能产生烧穿、孔洞等缺陷［6］。在焊接速度一定的情况下，脉冲频率对烧穿有很大影响，因此选择三组参数固定P、T、E值，改变f值（对应表1中的1、2、3组试验）进行试验，通过观察焊缝表面形貌研究脉冲频率对焊缝成形的影响。结果如图1所示。(b)f=7.0Hz焊接方向 1.5mm（a）f=5.0Hz图1脉冲频率对焊缝烧穿的影响（P=23,T=1・9ms,E=2・7J）由图1可知，随着脉冲频率从5Hz增加到9Hz,焊缝发生烧穿的间隔越来越短。频率为9Hz时（图1a），焊缝大约每间隔1mm就有一个烧穿的孔洞；频率为7Hz时（图1b）,焊缝大约每间隔3mm产生一个烧穿的孔洞；当频率减小到5Hz时，焊缝中间没有发生烧穿，但在起弧处仍然产生了孔洞、在收弧处有较深的弧坑（图1c）。分析其原因是，当焊接速度一定时，频率越大，单位长度焊缝内获得的热量越多，而且相邻脉冲之间的时间间隔越短，上一脉冲的能量还未来得及散失就立即受到下一脉冲的加热作用，因此能量聚集现象严重，导致烧穿发生的几率随之增加。因此，减小脉冲频率有助于改善焊缝烧穿现象。然而，在焊缝起弧处和收弧处，材料汽化严重，在本文的试验条件下（功率百分比为23、脉冲宽度为1.9ms、单脉冲能量为2.7J），脉冲频率即使减小到5Hz，仍然在起弧处发生了烧穿。如若继续减小频率，将会导致单个焊点之间的重叠率降低，容易出现未熔合、未焊透等其它焊接缺陷。因此，需要通过调整脉冲宽度、脉冲能量等其它参数来改善焊缝成形。脉冲宽度对焊缝成形的影响脉冲宽度是脉冲激光焊接的重要参数之一,为研究其对焊缝成形的影响，选择了三组参数固定P值和f值进行试验（对应表1中的第1、4、5三组试验）。焊缝表面形貌如图2所示，从图中可以看出，当脉冲宽度从1.9ms（焊缝表面形貌如图1a）减小到1.6ms（焊缝表面形貌如图2a）和1.2ms（焊缝表面形貌如图2b）时，焊缝表面均未出现烧穿现象。这主要是由于，一方面脉冲能量和脉冲宽度成正比，在功率百分比不变的情况下，脉冲宽度减小，脉冲能量也随之减小，单个脉冲传输给焊缝的热量也就少了；另一方面，脉冲宽度越小，对于单个脉冲来说，其作用时间也越短，这两方面因素使得脉冲宽度减小后，焊缝热量聚集的情况有所改善，因此烧穿就不容易发生。(a)T=1.6ms(b)T=1.2ms图2脉冲宽度对焊缝成形的影响（P=23,f=9.0Hz）虽然通过减小脉冲宽度在一定程度上避免了焊缝的烧穿，改善了焊缝成形，但从图2a和图2b可以看出，在收弧处依然存在较深的弧坑（弧坑形貌如图3所示），有的弧坑中心还有少量微小的裂纹。

图3收弧处弧坑的形貌综合第1〜5组试验结果进行分析后发现，在脉冲功率保持不变的情况下通过改变脉冲频率和脉冲宽度可以避免焊缝烧穿，但不能避免焊缝收弧处过深弧坑的存在，认为这种现象可能是由于脉冲功率过高造成的。因此有必要研究脉冲功率百分比对焊缝形貌的影响。脉冲功率对焊缝成形的影响保持频率不变（9Hz），将脉冲功率百分比从23分别减小到15、12和8，并相应调整脉冲宽度值（目的是使功率百分比不同时，脉冲能量均保持2.2J）进行试验（对应表1中的4、6、7、8组试验），焊缝表面形貌如图4所示。当功率百分比从23减小到15时，焊缝收弧处依然存在明显的弧坑（图4a）；功率百分比继续减小到12时，焊缝收弧处的形貌有很大的改善，弧坑很浅，基本和焊缝表面平齐（图4b）。分析其原因，是由于脉冲功率减小，会使材料表面升温过程减缓，同时减少了熔池液相金属的加热时间，使其达到沸点的可能性减小，汽化几率也随之减小，因此在收弧处汽化的金属较少、弧坑较浅。当进一步减小功率百分比到8时，却产生焊缝未焊合的现象（图4c），焊接完成之后，熔化的金属并未连接成整体，而在焊缝中心留下一条缝。这是由于脉冲功率过小，不能使焊接区的金属完全熔透，部分熔化的金属中一部分汽化、余下的不足以填充焊接试板间的间隙，因而导致未熔合。(b)P=12，T=2.8ms（c）P=8，T=3.5ms图4脉冲功率对焊缝成形的影响（f=9.0Hz,E=2.2J）当功率百分比保持12不变、脉冲宽度均为2.8ms时，脉冲频率分别调整为7Hz和5Hz后（表1中的9、10组试验）依然能够获得良好的焊缝表面形貌，焊缝表面光洁、平整，无烧穿、弧坑等缺陷（如图5所示）。这说明，当功率百分比为12时，脉冲频率在较宽的范围内变化都能获得良好的焊缝成形。图5P为12,T为2.8ms,f为5Hz时焊缝(a)P=15，(a)P=15，T=2.2ms焊接接头横截面形貌和显微组织在获得良好焊缝表面成形的基础上，对第8、9、10组试样的焊接接头横截面形貌进行了观察（其中第10组试样的焊接接头横截面形貌如图6所示），焊缝区域由于熔化金属的少量汽化和填充对接试板的间隙导致焊缝厚度较母材有所减薄、焊缝正、反表面有所凹陷。整体上，焊接接头横截面形貌良好、无缺陷。图6焊接接头横截面形貌(P=12,T=2.8ms,f=5.0Hz,E=2.2J)在高倍金相显微镜下观察焊接接头的显微组织，如图7所示。由图可见，焊缝组织由中心部位的等轴晶和边缘细小的柱状晶组成。在等轴晶和柱状晶的交界处存在分界线，而且焊接热影响区非常窄，在焊缝和母材的交界处几乎看不到热影响区，如图7b所示。这种组织特征的形成是由超薄片状材料微激光焊接的特点和工艺参数决定的。微激光焊接的能量非常集中，焊接时焊接接头只有局部区域加热，母材受到的热作用较小、基本没有升温，因此热影响区非常小；在焊缝的边缘，由于靠近母材，受到母材的冷却作用，温度梯度很大，有利于生成柱状晶；而在焊缝中心，温度分布相对均匀，温度梯度0.3mm较小，和晶粒的生长速度较为接近，因此易于生成等轴晶。3结论0.2mm厚321不锈钢片的微激光对接焊容易在焊缝处产生烧穿、在收弧处形成较深的弧坑，但在合适的工艺参数下仍然能够获得良好焊缝成形的焊接接头。在其它工艺参数固定不变时，减小脉冲频率和脉冲宽度均可避免焊缝的烧穿，改善焊缝成形；减小脉冲功率有利于避免焊缝收弧处较深弧坑的形成，但脉冲功率过小会导致未焊合。(3)当脉冲功率百分比为12时，脉冲频率在较宽的范围内变化都能获得良好的焊缝表面形貌和横截面形貌，焊接接头成形良好、无缺陷。焊缝组织由中心部位的等轴晶和边缘细小的柱状晶组成，在焊缝和母材的交界处几乎不存在焊接热影响区。参考文献李中友,李德刚,赵东健.不锈钢超薄件的焊接[J].山东机械,1992，(6):42-43.黄培源.超薄特硬不锈钢的焊接工艺[J].航天工艺,1993,(4):20-23.TzengYF.ProcesscharacterizationofpulsedNd：YAGlaserseamwelding[J].AdvancedManufacturingTechnology,2000,16(1):10-18.胡席远,熊建钢,胡伦骥,等.薄板激光焊接质量影响因素研究[J].应用激光,1998,18(1):38-40.陈涛，王智勇，丁岳，等.脉冲激光(固体YAG)焊接中参数制约的分析[J].应用激光，1998