薄板激光脈沖焊接工藝現(xiàn)狀

王賽文，張可杰，胡特菁，陳俊揚(yáng)

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

激光脈沖焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用薄板、于微、小型零件的精密焊接中。

1 焊接方式

激光焊接機(jī)工作區(qū)由三部分組成：焊接主機(jī)、激光器、交換式工作臺(tái)如圖1所示。現(xiàn)有的激光焊接方式有兩種疊焊和角焊，兩種方式在焊接工藝，焊接形式和焊道上有著很大的區(qū)別。

圖1 激光焊接機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.1 疊焊

疊焊的焊接方式是將上下兩塊母材進(jìn)行焊接，根據(jù)焊接的能量比不同焊縫的形態(tài)也隨之改變，如圖2所示。疊焊的優(yōu)勢(shì)在于能量密度高，焊縫深度比大，焊接質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中成為一種重要的焊接手段，但疊焊技術(shù)應(yīng)用于薄板焊接上會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)幾個(gè)問題，因焊接能量過高、過低而出現(xiàn)的焊穿、弧坑和未焊透現(xiàn)象。因焊接材料問題會(huì)出現(xiàn)焊縫內(nèi)出現(xiàn)焊渣與氣泡現(xiàn)象。由于薄板的厚度不會(huì)超過5 mm。出現(xiàn)以上問題都將導(dǎo)致殘次品的增加，為解決此類問題需要針對(duì)焊接工藝和焊接功率進(jìn)行深入研究。

圖2 焊縫形態(tài)變化示意圖

盧兵兵、董梁針對(duì)超薄工業(yè)純鈦合金激光疊焊工藝進(jìn)行了研究。對(duì)超薄TA1鈦合金板材開展激光焊接工藝試驗(yàn)，通過合理的選擇焊接工藝參數(shù)可以避免焊穿等缺陷。

張威等人測(cè)試了不同功率下的焊縫斷面的形貌。對(duì)于薄板來說，需要考慮的問題是焊縫區(qū)隨著焊接的功率增大，焊接位置會(huì)發(fā)生時(shí)效現(xiàn)象。在對(duì)于兩個(gè)不同材料薄板的焊接時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)斷裂。這是現(xiàn)階段疊焊接對(duì)于薄板焊接的問題所在。

1.2 角焊

角焊是將以大于等于1角度的形式焊接起來的兩塊零件，也就是通過激光把連接處融化粘結(jié)在一起。優(yōu)勢(shì)在于兩塊零件可以以任意角度進(jìn)行安裝，壞處是角度會(huì)影響焊接時(shí)飛濺的程度。張曉磊研究了各焊接參數(shù)對(duì)角焊縫宏觀形貌和截面硬度分布的影響規(guī)律，結(jié)果表明：激光功率的提高可以顯著改善焊接質(zhì)量，此外，焊縫主體截面母材硬度分析角焊會(huì)出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，會(huì)對(duì)焊接位置的硬度有影響。

2 母材

母材是焊接過程中的被焊接材料。各種材料對(duì)激光焊接的反應(yīng)也不同，這里主要講述薄板激光焊接的常用材料：不銹鋼板和鈦板。

2.1 不銹鋼母材

不銹鋼板激光焊接不銹鋼的特性是不銹和耐腐蝕。且其鉻含量至少為10.5%碳含量最大不超過1.2%的鋼。由于不銹鋼薄板的厚度較薄，所以在加工過程中會(huì)出現(xiàn)氣化現(xiàn)象。

賀東偉在對(duì)一個(gè)厚度0.1 mm的超薄新型不銹鋼微晶體激光元件進(jìn)行脈沖焊接并探討了工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭微觀形貌及顯微組織的影響。根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，影響微激光焊接頭抗拉力的主要因素有脈沖功率百分比(P)、脈沖頻率(f)、脈沖寬度(T)和脈沖能量(E)。得出的結(jié)果是在一定的脈沖用量的情況下，會(huì)獲得最佳的工藝參數(shù)。如下圖3所示。

圖3 不銹鋼焊接數(shù)據(jù)表

2.2 鈦板母材

鈦是一種金屬化學(xué)元素，化學(xué)符號(hào)Ti，原子序數(shù)22，在化學(xué)元素周期表中位于第四周期、第IVB族。是一種銀白色的過渡金屬，其特征為重量輕、強(qiáng)度高、具金屬光澤，耐濕氯氣腐蝕。但鈦不能應(yīng)用于干氯氣中，即使是溫度0 ℃以下的干氯氣，也會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成四氯化鈦，再分解生成二氯化鈦。表1是鈦的力學(xué)性能。

表1 鈦的力學(xué)性能

工業(yè)純化的鈦因其優(yōu)異的導(dǎo)熱耐腐蝕性廣泛應(yīng)用于浸在海水中的環(huán)境中，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，純鈦的加工焊接多數(shù)是采用鋼的TIG焊，但焊接工藝上速度較慢會(huì)對(duì)生產(chǎn)速度產(chǎn)生較大的影響。對(duì)0.9 mm的鈦板材料進(jìn)行正交激光工藝焊接實(shí)驗(yàn)研究，激光管的前傾焊接入光反射比后傾焊接入光反射要小更容易直接實(shí)現(xiàn)激光熔融穿透。

3 板厚

板厚是板材軋后的厚度，由于薄板的厚度大概率不超過5 mm所以需要考慮在各個(gè)板厚下薄板激光焊接會(huì)出現(xiàn)的各種情況。

3.1 0.5 mm薄板

0.5 mm薄板焊接會(huì)出現(xiàn)工件未焊透與穿透現(xiàn)象見圖4，所以為了使工件避免出現(xiàn)這類事故的發(fā)生，一般會(huì)先進(jìn)行焊接測(cè)試，如未達(dá)到所需要求，進(jìn)行加減焊接工藝。

圖4 激光焊接工件氣孔傾向?qū)Ρ龋ㄗ髨D為焊透右圖為未焊透）

王東亮等人針對(duì)0.5 mm純度釩鈦材料薄板的激光電弧間距輔助高速激光電弧焊高速激電焊接，研究了激光熱源電弧間距和不同熱源之間相對(duì)溫度位置對(duì)高速激光熱源電弧的熱耦合、熔池耦應(yīng)形態(tài)的直接影響，利用高速光學(xué)攝影對(duì)激光電弧耦合形態(tài)和激光熔池耦合形狀關(guān)系進(jìn)行影像分析，探索不同激光熱源電弧間距和不同熱源之間相對(duì)溫度位置對(duì)純鈦薄板高速激光焊接加工過程中熱穩(wěn)定性的直接影響及其規(guī)律。結(jié)果表明，兩種熱源相對(duì)位置(Laser Leading，LL和Arc leading，AL)模式下，隨著熱源間距的減小，TIG電弧面積均會(huì)有所增加；在AL狀態(tài)下，電弧起預(yù)熱作用，LL狀態(tài)下，當(dāng)熱源間距減小到6 mm時(shí)，激光和TIG電弧共同作用形成共熔池現(xiàn)象；LL狀態(tài)下的TIG電弧面積標(biāo)準(zhǔn)差更小，LL狀態(tài)的焊接過程穩(wěn)定性優(yōu)于AL狀態(tài)。

3.2 0.1～0.4 mm薄板

當(dāng)薄板厚度達(dá)到了0.4～0.4 mm時(shí)，一般的焊接已經(jīng)無法進(jìn)行正常焊接了，需要使用人工無縫焊接，而這種焊接需要考慮無縫焊接的厚度，從各個(gè)方面對(duì)工件的影響比如材料、焊接介質(zhì)、焊接溫度等等。張穎云為了深入研究人工激光無縫焊接厚度參數(shù)對(duì)各種鈦合金材料焊縫的焊接影響，對(duì)焊接厚度0.1 mm的材料tc4鈦合金焊縫板材可以進(jìn)行人工光纖焊接激光無縫焊接。正交焊接試驗(yàn)研究結(jié)果表明：水平激光焊接功率水平對(duì)抗拉反應(yīng)強(qiáng)度的直接影響較大；而對(duì)于延伸率，相較于水平激光焊接功率，離子聚焦量和激光焊接反應(yīng)速度對(duì)延伸率的直接影響均與水平相當(dāng)。

4 總結(jié)

文章以薄板激光焊接技術(shù)的各項(xiàng)工藝與技術(shù)闡述了這項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)狀，從三個(gè)方面進(jìn)行了分析。分別是焊接方式，母材，板厚三個(gè)方面。

（1）焊接方式：使用疊焊的方式，焊縫光滑且表面成型良好，如果出現(xiàn)激光功率過大的情況，會(huì)出現(xiàn)焊穿、斷裂的情況。將功率調(diào)整至最佳狀態(tài)。焊接出現(xiàn)斷裂的情況會(huì)降低。使用角焊的方式，焊縫的質(zhì)量會(huì)提升，會(huì)出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象。

（2）母材：不銹鋼板的特性是不銹與耐腐蝕，可塑性強(qiáng)。鈦板屬于特殊稀有金屬，其特性為重量輕、強(qiáng)度高、耐濕耐腐蝕。對(duì)兩種不同母材要注意保護(hù)氣體的選擇。同時(shí)由于兩種材料導(dǎo)熱性能不一，要注意焊接功率的選擇。

（3）板厚：薄板激光焊接的厚度會(huì)影響焊接工藝，板厚為0.5 mm的薄板在激光焊接的過程中會(huì)形成共熔池現(xiàn)象。板厚為0.1～0.4 mm的薄板在激光焊接的過程中會(huì)出現(xiàn)為完成焊接卻出現(xiàn)焊透現(xiàn)象。