王熙杰，蔡慧林

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006；2.湖南省高鐵運(yùn)行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412006；3.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

超薄板厚度一般小于1 mm，由于板料厚度很薄，剛性很小，受焊接應(yīng)力作用極易發(fā)生變形，引起板材扭曲、翹曲或波浪形變形[1]。而焊接應(yīng)力與焊接熱輸入密切相關(guān)，焊接熱輸入大小直接影響接頭區(qū)域大小和焊接變形，且焊縫熔透狀態(tài)由焊接熱輸入決定，熱輸入不當(dāng)容易造成未熔透或焊漏缺陷。這就意味著：在超薄板焊接時，要獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，必須在保證板料熔透的情況下，盡量降低熱輸入，以減小板料變形。

激光焊接具有熱源能力密度高、方向性好、熱影響區(qū)小的特點(diǎn)，且可以在較低的熱輸入水平下，將材料局部熔化，從而實(shí)現(xiàn)焊接。因此，激光焊接在薄板、超薄板的焊接上具有獨(dú)特優(yōu)勢[2]。脈沖激光焊是通過時間上間歇的激光脈沖作用，使材料局部熔化而實(shí)現(xiàn)連接的方法，其熱源是間歇式激光熱源，其既具有激光熱源的特點(diǎn)，又具有間歇熔化的特征，既具有連續(xù)焊的特點(diǎn)又具有點(diǎn)焊的特征[3]。跟連續(xù)激光焊接相比，脈沖激光焊可以在相對較高的脈沖功率下進(jìn)行較低水平熱輸入的焊接，這說明脈沖激光焊可以在更低的熱輸入條件下獲得熔透的焊縫。

上海交通大學(xué)王琪珉對0.1 mm不銹鋼進(jìn)行了連續(xù)激光搭接焊研究，在焊接速度為50 mm/s、激光功率在80～150 W時，能夠獲得上層板熔透、下層板不燒穿，且表面成形較好的焊縫[4]。計(jì)遙遙對0.65 mm雙相鋼脈沖激光焊接進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，焊縫組織與焊斑重疊率具有明顯聯(lián)系，當(dāng)焊斑重疊率較低時，焊縫未重疊區(qū)的組織比重疊區(qū)組織更細(xì)小，但不均勻；當(dāng)重疊率較高時，焊縫組織變大，并呈現(xiàn)出一定方向性[5]。孫佳偉采用脈沖激光焊獲得了0.2 mm厚的Inconel625薄板高質(zhì)量對接焊接頭，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的96.4%，延伸率為母材的54.4%，分析發(fā)現(xiàn)焊縫組織由熔合線附近的柱狀晶和中心細(xì)小的等軸晶組成[6]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對薄板、超薄板激光焊接進(jìn)行了相關(guān)研究，但對0.1 mm厚超薄板的焊接研究較少，特別是在對影響超薄板焊縫成形控制方面的關(guān)鍵因素的研究上，往往只注重某一方面，缺乏比較系統(tǒng)的研究。為此，本文以0.1 mm厚1J79鋼板為實(shí)驗(yàn)對象，研究超薄板脈沖激光焊接中影響焊縫成形的關(guān)鍵因素。

1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)所用材料為1J79軟磁合金材料，板厚0.1 mm，材料化學(xué)成分如表1所示。利用精密剪板機(jī)將板料裁剪為100 mm×50 mm的長方形試樣，焊前采用酒精去除表面油污和水分，吹干后備用。

表1 1J79軟磁合金化學(xué)成分 %

試驗(yàn)所用激光器為德國通快公司的TruLaserCell 3004脈沖激光焊接機(jī)，激光波長為1 064 nm，該激光器最大平均功率為124 W。激光傳輸光纖芯徑為400μm，焊接頭聚焦鏡焦距為200 mm，焦點(diǎn)位置的激光光斑直徑為0.4 mm，焊接時焦點(diǎn)固定在工件上表面，即上方3 mm處。焊接采用99.999%的純氬氣作為保護(hù)氣，保護(hù)氣流壓力為0.5 MPa（5 bar），吹氣角度與工件的夾角為55°。焊接裝置簡圖如圖1所示。

圖1 焊接裝置簡圖

焊接試驗(yàn)采用對接焊，焊接試板用酒精清理干凈后，將拼縫對中，按圖1-1固定后實(shí)施焊接。焊接實(shí)驗(yàn)采用單一變量法，變量參數(shù)包括激光功率P、脈沖寬度t、脈沖頻率f和焊接速度v，焊接完成后，用顯微鏡觀察焊縫表面并記錄。焊斑重疊情況如圖2所示。

圖2 焊斑重疊示意圖

由圖2可知，薄板脈沖激光焊焊縫由一串等間距的熔池相互重疊而成，焊縫表面能觀察到明顯的、重疊的焊斑。通過對焊縫表面照片測量分析，并利用焊斑間距Δx與焊斑直徑d，可以計(jì)算得到焊斑重疊率[7]，即焊斑重疊率。

2 影響超薄板焊縫成形的關(guān)鍵因素

薄板焊接的關(guān)鍵就是要調(diào)整好工藝參數(shù)，在保證熔透的前提下，獲得一條連續(xù)的、無燒穿的焊縫[8]。焊接過程的本質(zhì)就是熔池的運(yùn)動，控制超薄板焊縫成形的關(guān)鍵就是科學(xué)控制熔池運(yùn)動，而熔池運(yùn)動與熔池大小、形狀、受力狀態(tài)和焊接速度密切相關(guān)，接下來對以下三個因素分別進(jìn)行闡述。

2.1 焊接間隙

眾所周知，脈沖激光焊的峰值功率非常高，一般可達(dá)到幾千瓦甚至幾萬瓦，在焊接金屬時，超高的激光功率會讓金屬表面瞬間熔化，并使部分金屬瞬間汽化，金屬熔體在重力和蒸汽反沖壓力作用下具有向下流動趨勢，而熔體表面張力使熔體向上縮回。在對接焊中時，若焊接間隙設(shè)置合理，兩側(cè)母材熔化的熔體剛好能形成完全穿透母材的熔池，如圖3-1所示。此時，表面張力與重力、蒸汽反沖壓力處于動態(tài)平衡，焊接過程中熔池形態(tài)穩(wěn)定，既不會出現(xiàn)未熔透，也不會出現(xiàn)焊漏現(xiàn)象。當(dāng)焊接間隙較大時，兩側(cè)母材熔化后的熔體向下流動，但兩側(cè)熔體不能匯合，兩側(cè)熔體在表面張力作用下各自向兩側(cè)母材靠攏，這樣焊接間隙將進(jìn)一步擴(kuò)大，最終使兩側(cè)母材無法實(shí)現(xiàn)連接，如圖3-2所示。

3-1焊接間隙較小時熔池形態(tài)

圖3 不同焊接間隙下熔池形態(tài)

焊接間隙的大小直接影響到焊縫的連續(xù)性，控制焊接間隙是獲得優(yōu)良焊縫的關(guān)鍵因素之一。首先，在板料拼接時要求焊接間隙控制在較小范圍，基于本試驗(yàn)條件，試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)板料相互接觸（即焊接間隙為零）時，焊接穩(wěn)定性和連續(xù)性更好。其次，在焊接過程中，板料受熱發(fā)生變形，引起板料錯位，造成焊接間隙增加，最終也會導(dǎo)致兩側(cè)母材不能連接，因此，在焊接時需要用夾具保持板料位置來控制焊接間隙。

2.2 熱輸入水平

焊接熱輸入水平?jīng)Q定焊接熔池大小和焊接熔透狀態(tài)。焊接熱輸入越高，熔化區(qū)域越寬，熔池越大，焊接熔透能力越強(qiáng)。在脈沖激光焊接中，焊接熱輸入可以用2個參數(shù)進(jìn)行評價，一個是單個脈沖能量Q（即一個脈沖所輸出的能量大?。?，另一個是焊接線能量q（即在單位長度的焊縫上所輸入的焊接能量）。由于脈沖激光焊同時具有運(yùn)功離散性和熱傳導(dǎo)連續(xù)性的特點(diǎn)，而脈沖能量和焊接線能量剛好可從這兩個方面進(jìn)行評價，因此，用這兩個參數(shù)對脈沖激光焊的熱輸入水平進(jìn)行研究。不同脈沖能量的焊縫形貌如圖4所示，不同焊接線能量的焊縫形貌如圖5所示。

圖4 不同脈沖能量的焊縫形貌

圖5 不同焊接線能量的焊縫形貌

脈沖激光焊時，每個脈沖在材料表面作用形成一個熔池，由于脈沖作用時間極短（在ms量級），熔池之間相互影響很小，焊接熔池大小、形態(tài)由脈沖能量決定[9]。從圖4中可知，當(dāng)脈沖能量增加時，焊縫正面與背面熔寬均增加，說明脈沖能量增加，熔池體積增大，具體表現(xiàn)為熔池寬度與深度增加，因此在板材厚度一定時，焊縫正面與背面熔寬均增加。同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖能量為0.54 J時，出現(xiàn)焊漏現(xiàn)象，這是因?yàn)榇藭r熔池體積較大，而板材厚度較小，熔體表面張力不能平衡熔體重力和蒸汽反沖壓力，使得熔池底部破裂，造成熔體流失，最后形成熔化后回縮的缺口。

焊接線能量也是焊接熱輸入的一個評價參數(shù)，與脈沖能量不同的是，焊接線能量是指脈沖能量在焊縫長度上的累積效果。由于脈沖激光焊是多個脈沖在焊縫方向的累積，當(dāng)單位長度上的脈沖數(shù)目越多，焊接線能量越高，反之亦反。從圖5可知，當(dāng)焊接線能量增加時，焊縫正面與背面熔寬增加，焊縫成形連續(xù)性增強(qiáng)，但當(dāng)焊接線能量為3.46 J/mm時，焊縫出現(xiàn)焊漏現(xiàn)象，這是因?yàn)閱挝婚L度的焊縫上的能量累積太高，熔池被拉長，熔體表面張力不能平衡熔體重力和蒸汽反沖壓力，使得熔池底部破裂，熔體向熔池前后和兩側(cè)母材回縮，隨后形成擴(kuò)大的缺口和斷續(xù)的焊瘤。

因此，超薄板脈沖激光焊接不僅要控制脈沖能量大小，還要合理控制焊接線能量，以維持尺寸、形態(tài)合適且動態(tài)穩(wěn)定的熔池，只有這樣，才能獲得成形良好、均勻的焊縫。

2.3 焊斑重疊率

焊斑重疊率是焊接熔池凝固后的宏觀表現(xiàn)，焊斑重疊率直接影響焊縫成形狀態(tài)。在焊接熔池大小一定時，焊斑重疊率與脈沖頻率成正比，與焊接速度成反比。由于脈沖激光焊“小孔”的存在，在焊斑中心存在“小孔”熔合的凹陷，為獲得表面均勻的焊縫，一般要求焊斑重疊率不能小于50%。不同焊斑重疊率的焊縫形貌如圖6所示。

圖6 不同焊斑重疊率的焊縫形貌

從圖6（a）～（f）中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊斑重疊率小于50%時，焊斑中心的“小孔”熔合凹陷不能被后續(xù)焊斑覆蓋，凹陷清晰可見，影響了焊縫表面均勻性。此外，在焊縫背面存在焊斑未重疊現(xiàn)象，不僅影響焊縫成形，還減小了焊縫熔接面積，降低焊縫強(qiáng)度。當(dāng)焊斑重疊率超過60%時，焊斑“小孔”凹陷被覆蓋，焊縫成形均勻性得到大幅提高，且焊縫背面重疊均勻。說明在本實(shí)驗(yàn)條件下，要獲得成形均勻、熔透良好的脈沖激光焊縫，焊斑重疊率閾值應(yīng)該提高到60%。實(shí)際上，當(dāng)脈沖能量一定時，焊斑重疊率與焊接線能量成正比例關(guān)系。這意味著在調(diào)節(jié)焊斑重疊率時還要考慮焊接線能量的大小，如果兩者匹配不當(dāng)，可能造成焊縫成形不均勻或焊縫焊漏現(xiàn)象。

因此，應(yīng)在滿足焊斑重疊率閾值的條件下，合理調(diào)節(jié)焊接線能量，以獲得成形良好、表面均勻的焊縫。

3 結(jié)論

脈沖激光焊接工藝的有關(guān)參數(shù)較多，且參數(shù)之間存在相互影響，通過試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，影響超薄板脈沖激光焊焊縫成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素可以確定為：焊接間隙、熱輸入水平和焊斑重疊率。超薄板脈沖激光焊接的參數(shù)調(diào)整原則如下：

1）保持板材焊接間隙為零。必要時可采用適合的夾緊方式來控制焊接過程中的板料變形，以保持焊接過程中板材焊接間隙為零。

2）選擇合適的脈沖能量。脈沖能量決定焊接熔透狀態(tài)，合適的脈沖能量應(yīng)該能維持板料熔透而不至于使熔體下漏。

3）保證焊斑重疊率與焊接線能量的匹配關(guān)系。焊斑重疊率是焊縫成形連續(xù)性的體現(xiàn)，要在滿足焊斑重疊率閾值的前提下，調(diào)節(jié)焊接線能量，以改善焊縫表面成形。