基于304L不銹鋼的YAG激光焊接效率評(píng)估

琚子來(lái)，黃曼曼

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山063020）

基于304L不銹鋼的YAG激光焊接效率評(píng)估

琚子來(lái)，黃曼曼

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山063020）

要想了解焊接接頭性能，其關(guān)鍵在于了解激光與物質(zhì)的相互作用、熔煉需要控制的工藝參數(shù)，以及對(duì)凝固過(guò)程效率的掌控。研究了304L不銹鋼焊接速度對(duì)不同工藝過(guò)程效率的影響。通過(guò)提高焊接速度來(lái)改變304L奧氏體不銹鋼板的焊道。采用新穎的半經(jīng)驗(yàn)方法，在測(cè)量熔池體積的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)摻入釹釔鋁石榴石激光焊接過(guò)程中Nd的熔化效率。無(wú)量綱參數(shù)模型是用于評(píng)估各種類型的可測(cè)量的控制參數(shù)，這些參數(shù)與各種可用的模型有良好的協(xié)調(diào)性。

304L不銹鋼；YAG激光焊接；效率評(píng)估

0　前言

YAG激光焊接工藝一般用于微型工業(yè)產(chǎn)品的焊接。焊接的基本要素為流程效率和熱影響區(qū)。而基板材料對(duì)能量的吸收決定了激光焊接過(guò)程的性能，同時(shí)也受工藝參數(shù)、激光入射功率密度和基體金屬表面條件類型等因素的影響。在激光焊接過(guò)程中，激光束的能量要保持在低于工件的汽化溫度下。激光焊接整個(gè)過(guò)程中的效率是通過(guò)用熱量熔化基體材料作為基礎(chǔ)。不同類型激光焊接過(guò)程的效率可視為一個(gè)可控制的變量函數(shù)，其中激光能量傳遞效率、熔化效率、耦合效率、過(guò)程效率的激光功率和焊接速度是重要的工藝參數(shù)，而襯底材料吸收的功率量則取決于焊接速度。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，通過(guò)改變工藝參數(shù)可以對(duì)電弧、氣體保護(hù)鎢極電弧焊接及激光焊接工藝過(guò)程的總效率進(jìn)行計(jì)算分析。本研究的目的是探究摻釹釔鋁石榴石激光焊接在不同效率下焊接速度的快慢，驗(yàn)證無(wú)量綱參數(shù)方程在其他焊接過(guò)程和開發(fā)中是否適用。

1　流程效率的估算

激光焊接工藝的特性取決于焊接速度、激光功率、脈沖持續(xù)時(shí)間、光束角、熔融池的幾何尺寸、熱特性、處理效率等。在研究中發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)增大襯底材料的熔化功率來(lái)提高焊接過(guò)程的總效率。

1.1能量傳遞效率

能量轉(zhuǎn)移效率即為工件吸收熱量和入射激光能量的比率，這在本研究中是一個(gè)很重要的因素。激光提供給工件的能量主要用于將其熔化。實(shí)驗(yàn)通過(guò)量熱技術(shù)來(lái)測(cè)量CO2激光焊接過(guò)程中能量轉(zhuǎn)移的效率。在一些文獻(xiàn)中報(bào)道了直接測(cè)量能量傳遞效率的方法。該試驗(yàn)通過(guò)繪制輸出電壓的時(shí)間信號(hào)來(lái)確定基板吸收的總能量ECAL。曲線下的面積可以通過(guò)積分來(lái)計(jì)算，然后乘以量熱計(jì)校準(zhǔn)常數(shù)(0.598 W/V)，得出計(jì)算能量傳遞效率的計(jì)算式

式中ηe為能量轉(zhuǎn)移效率；ECAL工件吸收的總能量（單位：J）；P為激光輸出功率（單位：W）；t為激光的時(shí)間（單位：ms）。

激光焊接過(guò)程中吸收的能量取決于在焊接池腔和轉(zhuǎn)移到基板上的凈能量。試驗(yàn)過(guò)程中所吸收的激光能量和環(huán)境熱損失即為轉(zhuǎn)移到基底材料中的能量。與此同時(shí)內(nèi)部反射的激光射線數(shù)量和熔池形狀決定了材料對(duì)能量的吸收效果。當(dāng)焊縫熔深接近到一個(gè)更大的深度時(shí)，淺焊縫會(huì)吸收小部分激光能量同時(shí)深焊縫吸收大部分的能量，如圖1所示。

圖1　深孔滲透與淺孔滲透

式（2）為能量傳遞效率、焊縫熔深與激光束的吸收、鎖孔尺寸、入射激光光束角之間的關(guān)系。在這種方法中相對(duì)于焊接速度和激光功率，鍵孔的尺寸決定了常數(shù)和胎圈的尺寸。

式中ηe為能量轉(zhuǎn)移效率；rk為錐半徑；d為滲透的深度。

使用材料獨(dú)立模型可以預(yù)測(cè)熔化焊接過(guò)程的效率，可參考式（3）

式中A為焊縫橫截面面積（單位：mm2）；v為焊接速度；q0為激光輸出功率（單位：W）；δh為熔化晗（單位：J/mm3）；α為熱擴(kuò)散率（單位：mm2/s）。

在計(jì)算過(guò)程中可以使用估計(jì)能量傳遞效率和焊縫的橫截面面積方法來(lái)計(jì)算式（3）中的未知量。制備金相檢測(cè)式樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定焊縫的截面面積。

1.2熔化效率

第二個(gè)焊接過(guò)程中可測(cè)量的參數(shù)是熔化效率。它的定義為能量，用來(lái)描述從能量傳遞到工件熔池的量。該能量的一小部分被用于熔化基體材料，其余部分是由不同的熱傳遞方式散發(fā)到周圍環(huán)境中。工藝參數(shù)、熱流幾何和熱物理特性三者都會(huì)影響融化效率。預(yù)估鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊接和二氧化碳激光焊接熔化效率時(shí)通常采用無(wú)量綱參數(shù)Ry和Ch。

1999年提出了熔化效率和無(wú)量綱參數(shù)Ch、Ry的比值，即式（4）

式中ηm為融化效率；A為焊縫橫截面面積（單位：mm2）；v為焊接速度（單位：mm/s）；δh為熔化晗（單位：J/mm3）；ηe為能量轉(zhuǎn)移效率；q0為激光輸出功率（單位：W）。

無(wú)量綱參數(shù)Ry可以有效估算焊接過(guò)程中的熔化效率，它是熱輸入和焊接速度的非線性函數(shù)。若知道熔化工件所需要的能量，則可以估算出轉(zhuǎn)移到工件上的能量。若知道熱輸入氣體金屬電弧焊接過(guò)程中熔化的物質(zhì)，則可以利用半經(jīng)驗(yàn)方程（5）來(lái)預(yù)測(cè)融化效率

式中ηm為融化效率；v為焊接速度（單位：mm/s）；ΔHf為熔化潛熱（單位：J/mm2）；ηe為能量轉(zhuǎn)移效率；t為激光時(shí)間（單位：ms）；q0為激光輸出功率（單位：W）。

在電弧焊接過(guò)程中建議用二維和三維來(lái)對(duì)預(yù)測(cè)的熔化效率進(jìn)行熱流分析，見式（6）、式（7）

式中ηm為融化效率；v為焊接速度（單位：mm/s）；α為擴(kuò)散速度（單位：mm2/s）；w為焊縫寬度（單位：mm）。

在電弧焊接過(guò)程中可以通過(guò)電源裝置與基板材料間的傳遞來(lái)估計(jì)熔化效率，見式（8）

在式（8）中，電壓和電流產(chǎn)生能量的效率可以替代pi。通過(guò)最佳擬合曲線得到的Ch和Ry的關(guān)系，見式（9）

式中ηm為融化效率；α為熱擴(kuò)散率（單位：mm2/s）；pi為傳遞到金屬的功率（單位：W）。

半經(jīng)驗(yàn)方程式（9）用于預(yù)測(cè)摻釹釔鋁石榴石激光焊接過(guò)程中Nd的熔化效率。熔化效率會(huì)受到工藝參數(shù)、熱流幾何和基礎(chǔ)金屬熱物理性質(zhì)的影響。

1.3耦合效率

耦合效率是一個(gè)無(wú)量綱的術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述焊接接頭的熱源效率，可以理解為焊接所吸收的能量與激光源的比值。焊接所吸收的能量可以由量熱計(jì)，熱電偶，測(cè)定熔融池區(qū)域來(lái)測(cè)量。通過(guò)無(wú)量綱參數(shù)，歸一化速度（NS）和歸一化功率（NP）來(lái)計(jì)算耦合效率，給出式（10）。其定義的基礎(chǔ)就是焊接過(guò)程中所吸收金屬的功率。

通過(guò)考慮所有類型的損失和能量平衡方程來(lái)計(jì)算材料所吸收的能量。計(jì)算CO2焊接過(guò)程無(wú)量綱參數(shù)之間的關(guān)系時(shí)可以使用式（11）。

式中NS為歸一化速度；v為焊接速度（單位：mm/s）；w為焊縫寬度；Tm為熔化溫度（單位：K）；pab為金屬所吸收的激光功率（單位：W）；ηc為耦合效率。

通過(guò)代熱物理性能、焊接速度、焊接寬度來(lái)計(jì)算基板材料吸收過(guò)程中的耦合效率和功率。

1.4流程效率

流程效率是所有焊接過(guò)程中的主要測(cè)量參數(shù)。描述了工件到焊接熔池過(guò)程中輸送的總能量。流程效率的定義為能量轉(zhuǎn)移效率和融化效率乘積。

式中ηc為耦合效率；ηm為融化效率；ηp為流程效率。

流程效率取決于焊縫尺寸、激光源類型、熱物理特性和材料特性。

2　實(shí)驗(yàn)程序

本實(shí)驗(yàn)選擇304L奧氏體不銹鋼作為釹不同效率的研究對(duì)象：摻釹釔鋁石榴石激光焊接過(guò)程。試驗(yàn)期間使用的熱物理性能和工藝參數(shù)見表1～表3。

表1304　L不銹鋼的熱物理性質(zhì)

表2　化學(xué)成分％

為避免失真，采用電火花加工機(jī)切割線，將樣品切成30 mm×50 mm的矩形試樣。平板上的珠是通過(guò)對(duì)應(yīng)表中0.5 mm厚度改變焊接速度（2～10 mm/s）制造的。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

表3　工藝參數(shù)和材料機(jī)械性能

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置和試樣安裝

將焊接樣品進(jìn)行橫向切割，且橫截面的表面已經(jīng)進(jìn)行金相檢查。用電解刻蝕技術(shù)觀察焊接接頭的顯微組織。制備金相檢驗(yàn)的樣品如圖3a和圖3b所示。利用光學(xué)顯微鏡和圖像分析儀測(cè)量焊縫尺寸。通過(guò)物理觀察金相檢驗(yàn)制備的樣品發(fā)現(xiàn)，穿透深度越大，增大焊接速度就越低。焊接速度為10 mm/s時(shí)滲透深度最大。

圖3　制備金相檢驗(yàn)和滲透焊道寬度和深度測(cè)量樣品

3　結(jié)果和討論

圖4為焊接速度對(duì)襯底材料吸收功率的影響。隨著焊接速度的加快材料吸收的總功率也會(huì)跟著增加，產(chǎn)生的主要熱量用于維持熔池的溫度。當(dāng)焊接速度大于7 mm/s，或者小于4 mm/s時(shí)，大量的功率被吸收到熔融材料中了。摻釹釔鋁石榴石激光源是高度反光的金屬材料，其波長(zhǎng)為1.064 μm，拋光的不銹鋼表面的反射率是在室溫下約98％，并降低了表面溫度的上升。當(dāng)平行的激光光線滲透度是[10]時(shí)，304L不銹鋼材料的熔池具有85％的反射率。

圖4　在不同的焊接速度下樣品的凈熱吸收量

損失到周圍環(huán)境中的熱量是所吸收的激光能量的10％。通過(guò)激光輸出量熱法可測(cè)得所得到的能量轉(zhuǎn)移效率為87％。用材料模型和激光反射方法計(jì)算不同的焊接速度所對(duì)應(yīng)的能量傳遞效率。用材料無(wú)關(guān)模型和激光反射法計(jì)算得到的結(jié)果分別為13％和28％。這兩個(gè)模型得到的結(jié)果如圖5所示。研究人員通過(guò)不同的熔化效率模型，提出了能量傳遞效率的變化，所得結(jié)果如圖6所示。

圖5　不同焊接速度下的變異能量轉(zhuǎn)移效率

通過(guò)使用圖像分析儀觀察尺寸不同的熔池的熔化效率比其他方法的估計(jì)值要高。通過(guò)觀察熱輸入能源供應(yīng)的產(chǎn)品，可以得到能量轉(zhuǎn)移效率和脈沖頻率成正比的結(jié)論。隨著焊接速度減小，熔化效率會(huì)提高，這與熱輸入、熱擴(kuò)散率、薄板厚度、焊縫幾何和焓的計(jì)算熔化效率等工藝參數(shù)的選擇有關(guān)。

圖6　焊接速度對(duì)應(yīng)的熔化效率

鎢電極惰性氣體保護(hù)焊、電弧焊、等離子弧焊過(guò)程的最大傳熱效率理論值分別為37％、44％和48％。使用半經(jīng)驗(yàn)方法獲得熔化的最大效率和最小效率：摻釹釔鋁石榴石激光焊接過(guò)程分別是37％和68％。從上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，熔化效率隨焊接速度、焊接熔池體積的增加而增加。用于傳輸遠(yuǎn)離局部熱融化所用的時(shí)間越少，基板材料融化的速度就越快。這是由于能量中很大一部分被焊接熔池所吸收。在激光焊接中,基板材料的光束耦合是高度依賴于材料特性，光學(xué)反射率值會(huì)因?yàn)椴煌牟牧隙煌Ｓ?jì)算二氧化碳激光焊接速度高低時(shí)均可利用耦合效率式（6）。通過(guò)圖7可以發(fā)現(xiàn)在激光焊接過(guò)程中，焊接速度扮演著重要的角色，因?yàn)轳詈闲蕰?huì)隨著隨焊接速度的增加而增加。傳導(dǎo)和鎖眼激光焊接的耦合效率為15％～65％。

圖7　耦合效率與焊接速度的變化

釹的耦合效率:摻釹釔鋁石榴石激光焊接獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是38％到55％。通過(guò)分析釹的歸一化速度和功率參數(shù)來(lái)計(jì)算效率：在摻釹釔鋁石榴石激光焊接的容許范圍內(nèi)可以求得激光焊接效率。加速光子密度水平、焊接速度和峰值功率的脈沖或者改善表面吸收率等相關(guān)條件可以提高耦合效率。

使用材料獨(dú)立模型和反射法可以計(jì)算流程效率。通過(guò)反射法和材料獨(dú)立模型計(jì)算得到最大流程效率分別是9.05％和9.05％。圖8和圖9描述了流程效率隨焊接速度的增加而變化的趨勢(shì)，材料獨(dú)立模型比反射法效果更好。這是由于多次反射的激光射線主要用在了熔化基板材料。材料獨(dú)立模型主要通過(guò)考慮熱機(jī)械和材料的性能，而反射法是基于小孔內(nèi)部反射和深度。從反射法得到的結(jié)果顯示，淺焊接區(qū)吸收能量的同時(shí)深度超過(guò)1 mm的深焊縫會(huì)吸收更多能量。這項(xiàng)研究顯示，當(dāng)使用半經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)流程效率隨焊接速度的增加而增加，反射法則與之相反。

圖8　焊接速度對(duì)過(guò)程效率的影響（反射法）

圖9　焊接速度對(duì)過(guò)程效率的影響（獨(dú)立模型）

4　結(jié)論

流程效率是焊接過(guò)程中重要的可測(cè)量參數(shù)。它取決于加工和操作參數(shù)、材料的熱機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)、表面條件和激光電源。焊接速度對(duì)任何類型的效率都會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)焊接速度在7 mm/s以上時(shí)，熔化材料所需的電量較高，焊接速度帶走的傳導(dǎo)熱量較低。此研究中可以發(fā)現(xiàn)半經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)測(cè)效率要高于其他所有模型。若焊縫無(wú)缺陷，在選定的焊接范圍內(nèi)可以計(jì)算出速度。也可以嘗試研究脈沖持續(xù)時(shí)間、氣體流速和焦點(diǎn)位置對(duì)流程效率的影響，設(shè)計(jì)出有效的方法計(jì)算效率。

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并且能夠著減少焊接缺陷，說(shuō)明LL焊接質(zhì)量?jī)?yōu)于AL。

圖75　號(hào)樣品微觀硬度

4　結(jié)論

應(yīng)用激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)對(duì)退火態(tài)AA5754鋁合金的焊接性能進(jìn)行研究。

（1）在以電弧焊為主導(dǎo)作用的復(fù)合焊接中，焊接速率與熔池深度呈現(xiàn)正相關(guān)性，焊縫熱影響區(qū)較寬，且焊縫缺陷較多。

（2）在以激光為主導(dǎo)作用的復(fù)合焊接中，焊接效率更高，且低電弧電流有助于增強(qiáng)焊接穩(wěn)定性，改善焊縫形狀，降低焊接缺陷。

（3）激光電弧復(fù)合焊接對(duì)于AA5754合金來(lái)說(shuō)是一種有效工藝，適用于在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行鋁合金焊合。

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Efficiency evaluation of YAG laser welding based on 304L stainless steel

JU Zilai，HUANG Manman
（Tangshan Industrial Vocational Technical College，Tangshan 063000，China）

To understand the welding joint performance，the key is to understand the interaction between laser and material，the controlling process parameters during melting，and the control of solidification process efficiency.The effect of 304L stainless steel welding speed on different process efficiency is studied.Change 304L austenitic stainless steel weld bead by improving the welding speed.New semi-empirical method is used，on the basis of measuring the volume of molten pool，through experimental results predicted with neodymium yttrium aluminum garnet laser welding process of the melting efficiency of Nd.Dimensionless parameter model is used to evaluate the various types of control parameters which can be measured，these parameters have good coordination with a variety of available models.

304L stainless steel；YAG laser welding；efficiency evaluation

TG456.7

A

1001－2303（2016）03－0093-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.20

2015－01－17；

2015－04－03

琚子來(lái)（1981—），男，河北豐南人，講師，碩士，主要從事材料加工工程方面的研究工作。