余世航，陳岱民

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

激光焊接技是激光加工技術(shù)的主要方向之一，具有焊接速度快，熱變形小，能夠獲得較大的深寬比等顯著優(yōu)點(diǎn)。在汽車生產(chǎn)用用CO2激光焊接轎車底板，焊線全自動(dòng)化并配有焊縫監(jiān)控系統(tǒng)，在熱影響區(qū)小于1mm，形成焊縫長(zhǎng)1950mm，板厚0.9mm，焊縫光亮平整焊接單件時(shí)間為20s。4.7kwCO2激光焊接焊接車輪輪盤鋼圈，其工藝生產(chǎn)在焊接速度為25cm/min能完成厚lmm鋼圈整個(gè)生產(chǎn)過程，只需一名操作工人便可完成整條生產(chǎn)線的電子計(jì)算機(jī)控制。近年來，國(guó)內(nèi)激光焊接的研究也取得一定的成果，陳濤、王志勇、丁岳等人通過脈沖焊接試驗(yàn)中激光參數(shù)分析，得到了電壓和脈寬的相互制約關(guān)系，為激光焊接提供了參數(shù)選擇的范圍參考。閻啟通過對(duì)焊縫熔寬的測(cè)量分析了焊縫寬度與焊接速度的關(guān)系，對(duì)激光焊接選用的焊接速度提供了參考。這些研究往往考慮的是單一因素對(duì)焊接的影響，事實(shí)上激光焊接質(zhì)量是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，因此考察多個(gè)因素共同作用時(shí)對(duì)焊接影響具有重要的研究?jī)r(jià)值，本文采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化重點(diǎn)考察脈沖寬度，焊接速度，激光頻率對(duì)焊接的影響。

1 試驗(yàn)方法的選擇

激光焊接是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，各影響因素之間存在著一定的影響關(guān)系。激光深熔焊接的熔深可由以下經(jīng)驗(yàn)公式表示:

式中:h—激光焊接的熔深

P—激光的功率密度(w)

v—焊接速度(mm/s)

β、γ—取決于激光光源、聚焦系統(tǒng)和焊接材料的常數(shù)

實(shí)際的焊接過程中，熔深也受到脈寬、頻率的影響?？梢妴我灰蛩胤治黾す夂附淤|(zhì)量具有很大不足，同時(shí)研究激光焊接的多個(gè)因素有著重要的意義。

無交互作用的正交試驗(yàn)的原理是:選取具有代表性的焊接參數(shù)組合的本部分實(shí)驗(yàn)來代替全部試驗(yàn)，能夠有效減少試驗(yàn)次數(shù)，本文的正交試驗(yàn)建立在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)進(jìn)行，單因素試驗(yàn)以激光功率為例進(jìn)行優(yōu)化，如表1所示。

表1 激光功率密度對(duì)焊接的影響

為了更加直觀的考察焊接參數(shù)與焊縫的關(guān)系，將上表繪制成曲線如圖1所示。

圖1 激光功率改變對(duì)焊縫的影響

從圖1可知，激光熔寬和深熔比都隨著激光功率的增呈遞增趨勢(shì)，而深熔比增先增加后見小，在350W～450W之間深熔比的最大值，進(jìn)一步的單因素試驗(yàn)表試驗(yàn)適合2mm厚304不銹鋼焊接而言，選取功率參數(shù)在380～420W之間。

對(duì)于脈沖寬度和激光頻率的選取采用同樣的試驗(yàn)方法來選擇。本次采用500WYAG脈沖激光器選用的焊接速度200mm/min，氣流量為0.3MPa的N2，焦距100mm，正交試驗(yàn)的安排如下:

根據(jù)L9(34)型正交表進(jìn)行試驗(yàn)安排，如表2所示。

表2 試驗(yàn)采取的因素水平參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

焊接試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表

以深熔比為參考量對(duì)激光參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化

由于激光焊接的加工范圍很小，使得過渡區(qū)域變得極窄且模糊，事實(shí)上我們要了解焊接的過程，只需要對(duì)焊接的母材，熱影響區(qū)和焊縫做金相組織分析就能夠了解焊縫的性質(zhì)。

當(dāng)需要深入了解金相組織的硬度信息，進(jìn)行顯微硬度測(cè)試是常用的方法。顯微硬度分析對(duì)于金相組成成分和屬性的研究有很大的意義。在研究合金成分時(shí)測(cè)定合金組分及難容化合物的顯微硬度就可以藉此做出判斷。當(dāng)知道硬度值時(shí)可以對(duì)材料的極限強(qiáng)度做出估值，所以硬度試驗(yàn)有著較高使用價(jià)值。對(duì)于薄板激光焊接可以采用維氏顯微硬度法做測(cè)試，通過公式(1)可求出硬度值。

對(duì)試樣做金屬維氏顯微硬度測(cè)試前，要對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理(磨光或拋光)，本次試驗(yàn)采用硬度儀對(duì)焊縫接頭的橫斷面進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于2mm的304不銹鋼選取焊接參數(shù)優(yōu)化參數(shù)組YB做硬度測(cè)試，測(cè)試方法相同，考慮到焊縫熔寬的不同，此次的測(cè)試采取每個(gè)0.1mm取定的方式，如表5所示。

表5 YB試樣的硬度測(cè)試結(jié)果

對(duì)應(yīng)的曲線如圖2所示。

2mm厚的304不銹鋼的硬度在焊縫中心的硬度略低于母材，在焊縫熔合線處高于母材。經(jīng)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，不同焊接工藝下焊接接頭變化規(guī)律大體相同。熱影響區(qū)、焊縫、母材和熔合區(qū)組成了焊接接頭，但是這種熱影響區(qū)在顯微組織下所觀察到的區(qū)域卻很小。這主要是由于熔池內(nèi)的液態(tài)金屬的溫度梯度(G)、過冷度、晶體的生長(zhǎng)速度(R)和合金元素含量多種作用的結(jié)果。當(dāng)以很大的過冷度冷卻熔池內(nèi)液態(tài)金屬的時(shí)候，金屬內(nèi)的枝晶的成長(zhǎng)都會(huì)加速。G:R比值影響著焊縫焊接的邊緣與中心所產(chǎn)生的晶粒產(chǎn)生。G:R比值和焊縫焊接部位的溫度梯度跟枝狀晶的生成難易程度成正比。G:R比值和焊縫焊接部位的溫度梯度跟等軸晶的生成難易程度成反比［4，5］。因此等軸晶在焊縫中心產(chǎn)生，枝狀晶在接頭熔合區(qū)產(chǎn)生。合金元素的成分大小影響著焊縫的硬度和組織。跟母材的晶粒相比，焊縫晶粒越大，焊縫的硬度越高;焊縫中心區(qū)所產(chǎn)生的等軸晶的硬度小于焊接接頭所形成熔合區(qū)的硬度，歸其原因是焊縫中心區(qū)合金元素的成分大小小于熔合區(qū)的，這最終導(dǎo)致了焊縫中心區(qū)的硬度小于熔合區(qū)。熔合附近的材料相當(dāng)于冷作硬化過程而其硬度相對(duì)于母材有所提升。母材區(qū)的微觀形貌、熱影響的微觀組織形貌、焊縫區(qū)的形貌如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 YB焊接試樣的硬度測(cè)試曲線圖

圖3 母材區(qū)的微觀形貌

圖4 熱影響的微觀組織形貌

圖5 焊縫區(qū)的形貌

3 結(jié)語

(1)工藝參數(shù)的研究表明:對(duì)于2mm304不銹鋼的焊接，在氣流量為0.3MPa的N2，焦距100mm，焊接速度在200mm/min時(shí)的優(yōu)參數(shù)是:功率400W，脈寬8ms，激光頻率15Hz。

(2)對(duì)焊接試樣的顯微硬度分析表明，焊接熔合線附近的硬度高于母材，在焊縫中心的材料硬度稍低于母材，這主要是受溫度梯度、過冷度焊接區(qū)域合金枝晶物共同作用的結(jié)果。

［1］ 蘇寶蓉.我國(guó)激光焊接技術(shù)在汽車土業(yè)中的應(yīng)用簡(jiǎn)況［J］.汽車焊接國(guó)際論壇，2003(4):281-283.

［2］ 陳濤，王智勇，丁岳等脈沖激光焊接制約參數(shù)分析［J］.應(yīng)用激光，2001(8):4-7.

［3］ 閻啟.激光焊接速度對(duì)熱軋鋼焊接的影響［J］.機(jī)械工程材料，2004(8):5-8.

［4］ 胡亮.6mm不銹鋼(304)光纖激光焊接的工藝研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2010.

［5］ 張文俊.A304不銹鋼調(diào)制脈沖YAG激光焊工藝的研究［D］.天津:天津理工大學(xué)，2012.