不銹鋼板激光點焊新技術(shù)的試驗研究

葉軍 李立波

（寧波方太廚具有限公司 浙江寧波 315336）

1 概述

點焊是目前連接薄板搭接接頭的一種最主要的連接方法，作為一種成熟的焊接工藝在各種工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛。點焊的種類非常多，有傳統(tǒng)的電阻點焊、電弧點焊，也有近幾年發(fā)展迅速的激光點焊、攪拌摩擦點焊和復合點焊等。

激光點焊作為一種新的點焊方式，與傳統(tǒng)的電阻點焊相比具有其特有的優(yōu)勢，特別是對于一些高性能要求的不銹鋼薄板焊接結(jié)構(gòu)件。由于采用激光作熱源，點焊速度快、精度高，熱輸入量小，工件變形??；激光的可達性較好，可以減少點焊時位置與結(jié)構(gòu)上的限制；激光點焊屬于無接觸焊接，焊點之間的距離、搭接量等參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍大；獲得的焊接接頭表面質(zhì)量和性能比傳統(tǒng)焊接方法好得多。

據(jù)有關(guān)資料介紹,由于激光點焊技術(shù)在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用剛剛起步，目前激光點焊技術(shù)多應(yīng)用在大批量自動化生產(chǎn)的微小元件的組焊，但是在點焊厚度大于0.5mm材料的研究非常少，更不用說在生產(chǎn)實踐際中的應(yīng)用了。

本文以上層1.2mm下層0.8mm不銹鋼板為材料（見圖5），進行搭接點焊試驗，研究了脈沖激光點焊不銹鋼薄鋼板過程中最主要的激光功率、點焊時間和焦距等工藝參數(shù)對激光點焊焊點形態(tài)、尺寸和強度的影響規(guī)律，并且分析了激光點焊對板間間隙的適應(yīng)性。

2 激光點焊不銹鋼板重疊搭接結(jié)構(gòu)件的可行性分析

廚房電器產(chǎn)品外觀面,不銹鋼板重疊搭接結(jié)構(gòu)件經(jīng)激光點焊連接后應(yīng)具有以下幾個特點：

1.正面無氧化,仍保持原不銹鋼板的拉絲或光澤效果；2.表面平整，變形??；3.連接牢固、可靠；4.連接后相對位置應(yīng)準確?，F(xiàn)有不銹鋼板重疊搭接結(jié)構(gòu)件連接的方法主要有電阻凸焊，粘接和激光點焊三種加工工藝方法。而激光點焊作為一種新的點焊方式，在上層1.2mm下層0.8mm不銹鋼板激光點焊在國內(nèi)試驗研究尚屬首例。與其他二種方式相比較，激光焊接的最大特點是被焊構(gòu)件變形小、焊接深寬比高、熱影響區(qū)窄、表面質(zhì)量好，由于獲得的焊接接頭質(zhì)量和性能比傳統(tǒng)焊接方法好得多，具有較大的優(yōu)勢。但激光點焊技術(shù)能否在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用很大程度上取決于焊點的力學性能及表面質(zhì)量，包括各種靜載性能如拉剪和撕開等，也包括焊點表面質(zhì)量如變形小、無擊穿等；另外的關(guān)注重點是承載性能達到設(shè)計要求。由于以激光作為熱源，因此各種材料的激光點焊焊接特性與激光脈沖焊接較為類似，一般的黑色金屬如不銹鋼、低碳鋼等材料對激光的吸收性能較好，點焊過程較為穩(wěn)定，并且激光具有加熱集中，加熱速度快，焊后焊點小的特性，使熱變形和熱影響區(qū)都很小，工件焊后基本無熱損傷，應(yīng)力和形變也基本可以忽略不計，因此激光點焊技術(shù)適合但上層薄下層厚不銹鋼板重疊放置結(jié)構(gòu)件的連接。但上層1.2mm下層0.8mm不銹鋼板用激光點焊連接，既要滿足焊接強度又要滿足表面質(zhì)量難度之大是可想而知的。

3 激光點焊參數(shù)的選擇

激光焊接參數(shù)是決定焊接能力的重要因素，直接影響焊接質(zhì)量。只要控制好主要參數(shù)，即能有效采用高激光焊接加工技術(shù)。

激光點焊最主要工藝參數(shù)為激光功率、脈沖寬度、離焦量及點焊時間等。激光功率類似于電阻點焊中的電流，激光功率的高低直接決定了點焊工藝規(guī)范的大小，而點焊時間越長，焊接過程的熱輸入量就越大，形成的焊點尺寸也越大。點焊過程中也存在一些其他影響焊點質(zhì)量的因素如透鏡焦距、間隙等。

3.1 激光功率

激光功率是激光焊接工藝中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。激光焊接中存在一個激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺；一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關(guān)），等離子體才會產(chǎn)生，才能獲得較好的焊接質(zhì)量。激光功率較小時，熔深很淺則會出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象，在焊點內(nèi)部容易形成氣孔；當激光功率加大時，可以提高焊接速度和熔深，改善焊點質(zhì)量。在其他參數(shù)不變的條件下，隨著激光功率增大，焊件表面的焊點直徑上下波動，幅度不大；焊接工件的熔核則隨著焊接功率的增大而逐漸增加。但如果功率太大，就會引起材料過分吸收能量，熔化的液態(tài)金屬容易形成噴濺，導致金屬缺失形成較大的凹點，影響焊接強度。同時會引起液態(tài)金屬噴濺而粘附于工件表面。因此在選擇激光功率密度時要保證焊點處于一個合適的熔透狀態(tài)。

在實際應(yīng)用中，激光功率的選取除取決于材料本身特性外，尚需根據(jù)焊接要求確定。在薄壁材料焊接中，材料表面的汽化易使焊點成孔，故不允許溫升超過沸點，其功率密度qo應(yīng)選為qc1

3.2 激光脈沖波形

圖1 帶前置尖峰的激光脈沖波

圖2 光強基本不變的脈沖波形

圖3 矩形波形和尖峰脈沖波形對焊點截面的影響

圖4 不同間隙下的焊點截面形狀

激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60%～98%的激光能量由反射而損失，且反射率隨表面溫度變化。

激光脈沖波形對于銅、鋁、金、銀等高反射率材料，最好采用近似于指數(shù)形式的衰減波，或帶有前置尖峰的波形以保證激光開始作用時的材料高反射率階段，保證金屬表面維持在熔、沸點之間傳遞能量，見圖1；而對于鋼及鐵、鎳、鉬、鈦等黑色金屬，其表面反射率較低，宜采用較為平坦的激光波形或平頂波，見圖2。

帶有前置尖峰的激光波形在高重復率點焊時不宜采用，因為在重復焊接時，重疊區(qū)已處于熔化狀態(tài)，激光波前置尖峰作用時會形成過度汽化，易形成熔融區(qū)孔洞。為此,在點焊中，宜采用光強基本不變的平頂波或衰減較慢的衰減波，圖3 顯示尖峰脈沖波形比較矩形波形對焊點截面的影響。

3.3 激光脈沖寬度

激光脈沖寬度是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一，其選擇原則是根據(jù)熔深要求確定脈寬；脈沖激光焊最大熔深隨脈寬的1/2次方增加。若需獲得較大熔深，脈寬應(yīng)越長。為達到一定的熔深，脈寬越小，則需提高功率密度，但實際應(yīng)用的激光斑點一般功率密度的分布不均，宜造成局部汽化，因此應(yīng)適當增大脈寬；若采用較小脈寬，則需提高功率密度，但對激光的輸出模式和穩(wěn)定性要求提高。

圖5 抗拉強度測試點焊搭接

對于同一種金屬，達到同樣的熔深，脈寬短，則需功率密度高，激光參數(shù)可焊范圍窄，熱效率高；脈寬長，所需功率密度低，激光參數(shù)可焊范圍寬，熱效率低。

3.4 透鏡焦距

焊接時通常采用聚焦方式會聚激光，透鏡焦距一般在63～254mm范圍選用。聚焦光斑大小與焦距成正比,焦距越短，光斑越小。但焦距長也影響焦深，即焦深隨著焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必須精確保持透鏡與工件的間距。由于受焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物和激光模式的影響，脈沖激光焊接機在實際配置的透鏡焦距多為80～120mm。

采用短焦距可獲得較高的能量密度，光斑小，要求工件配合間隙小。長焦距能量密度低，焦距較大，但仍可維持一定的能量密度。對接頭定位的精度不高，能量密度足夠用于焊接時，可采用長焦距焊接。

在不影響點焊效果情況下, 透鏡的焦距不宜太短。焦距短雖然聚焦斑點小, 但焦深也短, 則焦點與工件的相對位置也較難控制，產(chǎn)生質(zhì)量不穩(wěn)定，同時對保護透鏡也不利。

在實際應(yīng)用中,對于激光點焊這種既要求有力學性能又要求有表面質(zhì)量的不銹鋼板的產(chǎn)品，應(yīng)采用較長焦距透鏡，以加大聚焦斑點增加焊點直徑,但此時為實現(xiàn)小孔效應(yīng),需提高激光功率。經(jīng)過我們多次試驗后認為,點焊不銹鋼薄板結(jié)構(gòu)件選用150mm焦距透鏡較為合適。

3.5 離焦量（焦點位置、焦距）

焊接時，為了保持足夠功率密度，離焦量至關(guān)重要。離焦量與工件表面相對位置的變化直接影響焊接質(zhì)量。

離焦量指的是光束焦點位置與工件表面之間的距離，離焦方式有兩種——正離焦和負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。即使正、負離焦量相等，材料表面得到相同的功率密度，其焊接效果也不相同。在激光點焊過程中，光斑直徑與激光入射在試件上所形成的初始匙孔和熔池大小存在一定的對應(yīng)關(guān)系，而能量密度則決定了熱量在熔池內(nèi)部的擴散效率，影響焊點的增長速度。當離焦量較小時，激光光斑直徑小，激光功率密度大，焊點熔池擴展的速度較快，但初始熔池尺寸較??；相反情況下，離焦量較大，初始熔池直徑較大，但是熔池擴展速度變慢，得到的焊點尺寸不一定很大，可見離焦量變化過程中光斑直徑和焊點表面能量密度的綜合作用決定了最終焊點尺寸的大小。

實際應(yīng)用中,要求熔深較大時采用負離焦；焊接薄材料時,宜用正離焦。離焦量的大小影響材料表面熔化斑點的直徑以及熔池的熔深比。離焦量的控制應(yīng)先在加工的材料上進行試加工,選擇合適的電流及脈寬大小、激光頻率，看激光打在材料上的情況,合適的離焦量基本無熔渣濺出。當其他參數(shù)一定時,通過調(diào)整離焦量控制激光功率密度來獲得較好的熔深和焊點大小就很方便。激光點焊上層厚下層薄不銹鋼薄板,經(jīng)我們多次試驗得出正離焦能滿足工藝技術(shù)要求。

圖6 抗拉強度測試

圖7 表面狀態(tài)正面拉絲背面啞光的試件

3.6 點焊時間的影響

在一定的激光功率下，延長焊接時間，可以提高激光能量的輸入，從而使金屬材料吸收更多的能量，使金屬熔化更充分，從而可以獲得更好的熔深和焊接強度。焊接時間延長，表面焊點直徑和焊點熔核均呈逐漸加大的趨勢。增加焊接時間可以使熱能增加，開始時熱能集中在熔深方向上；當熔深達到一定值時，焊點向四周擴展的速度就會逐漸上升，從而使焊點直徑增大，但對焊接強度影響不大。

3.7 焊接速度

焊接速度對熔深影響較大，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導致材料過度熔化、工件焊穿。所以，對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時可獲得最大熔深。

3.8 保護氣體

激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，當某些材料焊接可不計較表面氧化時則也可不考慮保護，但對大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護，使工件在焊接過程中免受氧化。

保護氣體作用主要有以下幾點：

保護氣體作用之一：激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池（不計較表面氧化時可不用保護），以使工件免受氧化。

保護氣體作用之二：保護聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射，特別是高功率激光焊時。

保護氣體作用之三：驅(qū)散高功率激光焊產(chǎn)生的等離子屏蔽。

4 焊件間配合精度、工件裝夾

在實際生產(chǎn)中工件裝配之后經(jīng)常存在著間隙，而間隙對于點焊焊點的形態(tài)和尺寸有很大影響，進而影響焊點強度及表面質(zhì)量。我們通過實驗改變間隙尺寸，分析了不同間隙條件下焊點形態(tài)和尺寸的變化規(guī)律。

板間存在間隙時，焊點正面和背面中心分別出現(xiàn)下塌和內(nèi)凹，間隙越大，下塌和內(nèi)凹深度越大，從圖4中也可以看到隨著間隙尺寸的變大，焊點表面的下塌深度增大,焊點的整體形態(tài)變化也越大。

為了減少板間間隙對焊點強度及表面質(zhì)量的影響,應(yīng)特別注意盡量減小鋼板疊接間的間隙，保證高的配合精度。激光焊接對工件裝夾精度要求較高,夾具須維持焊接位置十分準確,防止產(chǎn)生焊接變形(即裝夾精度不因焊接熱變形而改變)。被焊件間的結(jié)合間隙應(yīng)在0.10mm以內(nèi)。

5 點焊機械性能試驗

激光點焊的主要目的是焊接件的結(jié)合強度。對強度的測定是根據(jù)焊接件的實際使用情況,用推拉力機來測定點焊抗拉強度；或更直觀地，若能將焊接件直接拉彎而焊點不斷裂，則說明焊接件有足夠的結(jié)合強度。

抗拉強度測試用激光點焊搭接結(jié)構(gòu)和焊點位置及數(shù)量見圖5，抗拉強度測試方法見圖6。

抗拉強度試驗表明：焊接件六個焊點的抗拉強度可達300N以上,達到和超過設(shè)計要求。

6 試驗結(jié)果及分析

通過工藝試驗研究了各種工藝參數(shù)和材料特性對激光點焊焊點質(zhì)量的影響規(guī)律，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化,選擇了適合不銹鋼薄板點焊焊接的工藝參數(shù),使焊接試件點焊后,在基本保持原拉絲光澤的情況下獲得最大的點焊強度，圖7為激光點焊搭接結(jié)構(gòu)試件。

不銹鋼板的激光點焊性能較好，同時具有非接觸焊接的特點，因此焊后工件應(yīng)力和變形都很小，且焊點表面和背面較為平整，外觀無明顯缺陷。

激光功率主要影響焊點的熔透狀態(tài)和焊點的增長速度，功率較小時，焊點的增長速度較慢，此時增加激光功率對提升焊點尺寸的作用要大于延長點焊時間；隨著功率的增加，焊點增長速度不斷變大，在焊點達到一定的熔透狀態(tài)后激光功率的影響減弱，而點焊時間對焊點尺寸的影響則隨著功率的增加而逐漸變大。

在熔透情況下，激光點焊的焊點表面存在明顯的下塌。隨著激光功率和持續(xù)時間的增加，

焊點表面的下塌深度增大，在持續(xù)時間或者間隙尺寸較大的情況下，下表面還會出現(xiàn)內(nèi)凹。

隨著間隙的增加，焊點整體變形，中心的下塌和內(nèi)凹都很明顯，且熔合面出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，強度下降很快。所以被焊件間的結(jié)合間隙應(yīng)在0.10mm以內(nèi)。

7 結(jié)語

本文中,主要對以上層1.2mm下層0.8mm不銹鋼板為材料進行搭接激光點焊新技術(shù)的試驗研究,得出了不銹鋼薄鋼板點焊工藝參數(shù),解決了上層厚下層薄激光點焊后既要可靠性好又要表面光澤好的難點,同時解決了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率之間的矛盾；激光點焊過程中無其他消耗，所以綠色、環(huán)保、低能耗，焊接成本很低，同時有著良好經(jīng)濟和社會效益。該新技術(shù)的已成功推廣應(yīng)用在公司廚房電器產(chǎn)品外觀面不銹鋼板點焊產(chǎn)品中。

[1] 焊接手冊. 中國機械工程學會焊接學會.機械工業(yè)出版社.

[2] 激光加工工藝手冊. 關(guān)振中. 中國計量出版社.

[3] 304不銹鋼激光點焊工藝研究. 陶汪,陳彥賓,李俐群,吳林.

[4] 激光點焊焊點質(zhì)量監(jiān)測與控制研究. 陶汪. 哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文.