王兆永，陳桂芹

(1.施密特汽車管件（安徽）有限公司，安徽宣城242300；2.山東華宸高壓容器集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250107)

異種磁性不銹鋼材料大深寬比焊縫一般采用高能量密度的電子束或激光焊接，但是在電子束焊接過程中導(dǎo)磁材料易導(dǎo)致電子束偏移，焊縫熔合困難。激光束不受磁性材料影響，無偏焊現(xiàn)象，故激光焊接是目前焊接異種磁性不銹鋼材料最理想的制造工藝[1-3]。

與連續(xù)激光焊接相比，脈沖激光焊接具有能量密度高、焊縫及熱影響區(qū)小、工件變形小等特點，且對氣孔、裂紋等焊接缺陷具有明顯的抑制作用[4-6]。趙琳等[7]研究三角波脈沖調(diào)制激光功率對氣孔的影響規(guī)律，結(jié)果表明在較寬的頻率范圍內(nèi)(20～125 Hz)，三角波調(diào)制激光功率可有效減少光纖激光焊接小孔型氣孔的產(chǎn)生，最佳頻率為60 Hz。Gao等[8]對0.8 mm厚的TC4鈦合金板進(jìn)行脈沖激光焊接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金焊縫中氣孔數(shù)量隨著激光重疊率的增加而減少，當(dāng)激光重疊率為75%時，焊縫中幾乎無氣孔分布?？梢姡扇∶}沖調(diào)制進(jìn)行激光焊接有利于增加熔深和減少缺陷，然而對于高頻脈沖調(diào)制高功率光纖激光焊接工藝方面的研究鮮有報道。文中采用外部脈沖調(diào)制高功率光纖激光對導(dǎo)磁不銹鋼(0Cr13)和非導(dǎo)磁不銹鋼(0Cr18Ni9Ti)進(jìn)行對接焊接，探討脈沖調(diào)制參數(shù)對異種磁性鋼激光焊接焊縫成形特征的影響，并提出脈沖調(diào)制下抑制大深寬比焊縫氣孔產(chǎn)生的措施。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗原料為0Cr13鐵素體不銹鋼和0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，厚度為15 mm，化學(xué)成分如表1。

表1 實驗原料化學(xué)成分，w/%Tab.1 Chemical composition of experimental raw materialsm,w/%

1.2 實驗方法

實驗所用激光器為額定功率10 kW的YLS10000光纖激光器，輸出波長為1.07 μm，焦距250 mm，光束焦點直徑0.66 mm。通過調(diào)節(jié)激光焊接工藝參數(shù)對異種磁性不銹鋼進(jìn)行脈沖激光對接焊接，工藝參數(shù)見表2。焊前用丙酮清理試板表面油污，且要求表面加工狀態(tài)一致，裝配間隙小于0.2 mm。采用低功率激光進(jìn)行試板兩端點焊固定，焊接過程注意防止飛濺污染激光頭。

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 Parameters of welding process

高功率光纖激光焊接典型焊縫形貌如圖1。由圖1可知焊縫的橫截面形貌呈典型的“釘型”，為了更好地進(jìn)行焊縫形貌及尺寸測量和分析，以釘頭熔深ht、釘頭熔寬wt、總?cè)凵頷、釘身熔深hl和釘身熔寬wl作為焊縫特征參數(shù)。

圖1 高功率激光焊接典型焊縫形貌Fig.1 Typical morphology welded with pulse of high-power laser

2 結(jié)果與分析

2.1 脈沖參數(shù)對焊縫成形的影響

2.1.1 脈沖波形

不同脈沖波形下焊縫橫截面形貌如圖2。由圖2可知：矩形波和三角波脈沖激光焊接焊縫均為典型的“釘型”焊縫，而梯形波脈沖激光焊接焊縫“釘型”不明顯，且焊縫熔深較大；梯形波脈沖激光焊接焊縫總?cè)凵詈歪斏砣凵钭畲?，釘頭熔寬、熔深和釘身熔寬最小，焊縫寬度均一性較好；矩形波和三角波脈沖激光焊接焊縫釘頭熔寬和熔深較梯形波急劇增加，釘身熔深及總?cè)凵顪p小，釘身熔寬變化不大，且矩形波脈沖激光焊焊縫橫截面處存在較大氣孔。不同波形下焊縫形貌和尺寸差異較大主要由激光能量空間分布及小孔耦合機(jī)制不同造成的[9-10]。

圖2 不同脈沖波形焊縫橫截面形貌Fig.2 Morphology of cross section welded with laser of different pulse waveforms

2.1.2 脈沖占空比

不同脈沖占空比下焊縫橫截面形貌如圖3。由圖3可知，當(dāng)脈沖占空比大于40%或小于20%時，焊縫均為典型的“釘型”形貌，而占空比為30%時焊縫為典型的I型形貌。不同脈沖占空比下焊縫形貌尺寸如圖4。

圖3 不同脈沖占空比下焊縫橫截面形貌Fig.3 Morphology of cross section welded with laser of different duty ratio pulses

圖4 不同脈沖占空比下焊縫尺寸的變化Fig.4 Change of appearance size welded with laser of different duty ratio pulses

由圖4可知：焊縫總?cè)凵詈歪斏砣凵铍S著脈沖占空比減小呈先升后降的趨勢，脈沖占空比為20%左右時達(dá)最大值；釘頭熔深、熔寬隨著占空比減小呈先降后升的趨勢，脈沖占空比為30%左右時達(dá)到最小值。因此，脈沖占空比設(shè)定為30%時焊縫寬度均一性好，熔深相對較大，焊縫成形較好。

2.1.3 脈沖頻率

不同脈沖頻率下焊縫橫截面形貌如圖5。由圖5可知：脈沖頻率小于400 Hz時，焊縫呈現(xiàn)典型的“釘型”形貌；大于400 Hz時，焊縫由“釘型”向I型過渡，且熔深明顯變大。不同脈沖頻率下焊縫形貌尺寸如圖6。

圖5 不同脈沖激光頻率下焊縫橫截面形貌Fig.5 Morphology of cross section welded with laser of different pulse frequencies

由圖6可知：焊縫總?cè)凵詈歪斏砣凵铍S頻率增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，脈沖頻率為400 Hz左右時達(dá)到最大值；釘頭熔深和釘頭熔寬隨著頻率增加呈先降后升的趨勢，脈沖頻率為 500 Hz左右時達(dá)到最小值；釘身熔寬隨著頻率增加始終在1 mm附近波動。

圖6 脈沖頻率與焊縫尺寸的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between pulse frequency and weld size

2.1.4 脈沖功率基值

不同脈沖功率基值下焊縫形貌如7。由圖7可知，隨功率基值的增加，焊縫形貌由“釘型”向I型轉(zhuǎn)變。不同脈沖功率基值時焊縫形貌尺寸如圖8。由圖8可知：焊縫總?cè)凵詈歪斏砣凵铍S著功率基值增加而增加，功率基值為2 kW時達(dá)最大值；釘頭熔深和釘頭熔寬隨著功率基值增加而減小，功率基值為2 kW時達(dá)最小值；釘身熔寬隨著頻率增加始終在1 mm附近波動。

圖7 不同脈沖功率基值下的焊縫橫截面形貌Fig.7 Morphology of cross section welded with laser of different pulse power base values

圖8 脈沖功率基值與焊縫尺寸的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between pulse power base value and weld size

2.1.5 脈沖功率峰值

脈沖功率峰值對焊縫形貌影響如圖9。由圖9可知，隨脈沖功率峰值的增加，焊縫形貌由典型的釘型向I型轉(zhuǎn)變。不同脈沖功率峰值時焊縫形貌尺寸如10。

圖9 不同脈沖功率峰值下的焊縫橫截面形貌Fig.9 Morphology of cross section welded with laser of different peak powers

圖10 脈沖功率峰值與焊縫尺寸的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between power and weld size

由圖10可知：焊縫總?cè)凵詈歪斏砣凵铍S著功率峰值增加逐漸增加，功率峰值為9 kW時達(dá)到最大值；釘身熔寬、釘頭熔深和釘頭熔寬隨著功率峰值增加逐漸減小。

2.2 保護(hù)氣對焊縫氣孔的影響

圖11 不同保護(hù)氣焊縫氣孔的分布Fig.11 Distribution of gas holes in weld seam in different shielding gases

上述分析表明，采用脈沖頻率為500 Hz左右的梯形波激光焊接0Cr13鐵素體不銹鋼和0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼有利于抑制焊縫氣孔的產(chǎn)生。在此條件下，通過改變保護(hù)氣類型對焊縫氣孔進(jìn)行抑制分析。文中分別選用Ar、He和N2等3種氣體作為焊接保護(hù)氣，進(jìn)行異種磁性不銹鋼激光焊接，焊接完成后沿焊縫縱向中心剖開，觀察焊縫縱截面位置氣孔數(shù)量和分布，結(jié)果如圖11。由圖11可知，異種磁性不銹鋼激光焊接情況下，Ar保護(hù)時產(chǎn)生氣孔傾向最大，He次之，N2保護(hù)時產(chǎn)生氣孔傾向最小，由此可看出采用N2保護(hù)利于抑制高功率光纖激光焊接氣孔的產(chǎn)生。不銹鋼激光焊接過程采用Ar，He或者N2作保護(hù)氣體時，不同氣體的電離能及產(chǎn)生的等離子體維持閾值等影響焊接過程小孔的穩(wěn)定性，對氣孔形成產(chǎn)生較大的影響[11-12]。

3 結(jié) 論

1)針對高功率光纖激光焊接鐵素體和奧氏體不銹鋼的接頭，通過調(diào)制激光功率外部脈沖可獲得成形良好的焊縫，且無氣孔、裂紋、未熔合等缺陷。

2)脈沖波形和脈沖頻率對焊縫成形和形貌尺寸的影響較大，采用梯形波和脈沖頻率500 Hz左右脈沖激光焊接，能夠獲得成形良好的焊縫，采用稍大的基值功率和合適的占空比有利于優(yōu)化焊縫成形。

3)光纖激光焊接鐵素體和奧氏體不銹鋼時，Ar保護(hù)產(chǎn)生氣孔傾向最大，N2保護(hù)產(chǎn)生氣孔傾向最小，采用N2保護(hù)利于抑制光纖激光焊接氣孔的產(chǎn)生。