張仁軍 ，管曉光，李寶磊

(1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.黑龍江科技學(xué)院 材料學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 前言

鎢極氬弧焊[1-2]是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的一種焊接方法，是高質(zhì)量焊接方法的代表。但是該方法存在明顯的局限性，例如熔深淺、熔敷速度小、生產(chǎn)率較低，完成單道焊一次成型的板厚?。ㄒ话阍? mm以下），厚板時(shí)需要開(kāi)坡口多道焊[3]等，這些缺點(diǎn)在不銹鋼焊接時(shí)更加突出。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，人們力圖研究和開(kāi)發(fā)既能充分利用TIG焊優(yōu)點(diǎn)，又能有效大幅提高焊接熔深的新型焊接方法和技術(shù)[4]?；诖?，提出一種新的有效增加熔深的焊接方法——激光輔助TIG焊接法。

1 實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備材料

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用激光輔助TIG焊接法。先用極小功率激光在氧氣（純度99%）保護(hù)下熔化不銹鋼板表面，增加焊縫表面的氧含量，可通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣流量和激光功率來(lái)控制焊縫氧含量的大小。然后使用TIG焊焊接覆蓋激光焊焊縫，達(dá)到增加熔深的目的。激光輔助TIG焊接法示意如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

采用SUS304奧氏體不銹鋼，試件規(guī)格150mm×70 mm×10mm。奧氏體不銹鋼具有中等強(qiáng)度、塑性高、高溫性能和沖擊韌性好，無(wú)缺口敏感性，但不能熱處理強(qiáng)化。其焊接性較其他不銹鋼優(yōu)良，焊接時(shí)無(wú)需特殊的工藝措施。不銹鋼SUS304的鋼材牌號(hào)為0Cr18Ni9，其化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1和表2所示。

圖1 激光輔助TIG焊接實(shí)驗(yàn)示意

表1 SUS304不銹鋼的化學(xué)成分 %

表2 SUS304不銹鋼的機(jī)械性能

本試驗(yàn)使用的激光器為4 kW CO2激光器，最大輸出功率4 kW，光斑直徑0.3 mm，焦距180 mm，保護(hù)氣體為氬氣，同軸加氣，氣體流量6 L/min。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 CO2激光器工作平臺(tái)

焊接電源為唐山松下產(chǎn)晶閘管控制交直流脈沖TIG焊機(jī)WP300，電源具有恒電流外特性，高頻起弧。焊接平臺(tái)的速度采用直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速電源進(jìn)行控制。鎢極選用鈰鎢極，直徑3.2 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)SUS304不銹鋼進(jìn)行激光處理的對(duì)比性試驗(yàn)，從宏觀和微觀兩個(gè)方面對(duì)比經(jīng)激光處理和未經(jīng)激光處理的區(qū)別；然后通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣流量、激光功率和激光焊接速度等參數(shù)完成實(shí)驗(yàn)，并且通過(guò)金相觀察這些參數(shù)對(duì)熔深的影響得到一定的變化規(guī)律。

2.1 激光處理和未經(jīng)激光處理對(duì)熔深的影響

針對(duì)是否經(jīng)過(guò)激光處理做了三組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)表

圖3為參數(shù)1實(shí)驗(yàn)的焊縫宏觀圖片（左側(cè)為激光處理區(qū)，右側(cè)為未處理區(qū)）。可以看出焊道在激光預(yù)處理區(qū)明顯變窄，表面成形良好。

圖3 焊縫的宏觀圖片（參數(shù)1）

圖4～圖6為以參數(shù)1、2、3為實(shí)驗(yàn)的熔池形貌對(duì)比圖。由圖可知，在相同的焊接規(guī)范下，未經(jīng)激光處理的焊縫熔深約4 mm，經(jīng)激光處理后，熔深有所增加，最大可達(dá)6.5 mm，增加了2.5 mm。

2.2 氧氣流量對(duì)熔深的影響

針對(duì)氣體流量對(duì)熔池形貌的影響做了三組實(shí)驗(yàn)，在激光功率P=500W，激光的移動(dòng)速度v=80 mm/min，電流I=180 A，TIG焊機(jī)的移動(dòng)速度v=120 mm/min的前提下氧氣的流量分別為10 L/min、15 L/min、20 L/min。不同參數(shù)下熔深如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)氧氣流量改變時(shí)熔深幾乎沒(méi)有變化，從而得出氧氣流量對(duì)改變激光輔助TIG焊的熔深影響不大。

2.3 激光功率對(duì)熔深的影響

通過(guò)四組參數(shù)來(lái)研究激光功率對(duì)焊縫熔深的影響規(guī)律，試驗(yàn)中采用的激光功率分別為450W、350W、300 W、250 W。其他工藝參數(shù)為：v=80 mm/min，氧氣流量15 L/min，電流200 A。圖8為四組參數(shù)的焊縫熔深，由圖8可知，當(dāng)激光功率增大時(shí)熔深相應(yīng)增加，在一定范圍內(nèi)呈線性變化。

圖4 參數(shù)1的焊縫熔深對(duì)比

圖5 參數(shù)2的焊縫熔深對(duì)比

圖6 參數(shù)3的焊縫熔深對(duì)比

圖7 不同氧氣流量下的熔池形貌

2.4 激光焊接速度對(duì)熔深的影響

受載物臺(tái)和激光器本身的限制，針對(duì)激光移動(dòng)速度對(duì)熔池形貌的影響做了3組實(shí)驗(yàn)，其參數(shù)如表4所示。

不同參數(shù)下熔池形貌如圖9所示。從圖9可以看出，在其他焊接參數(shù)不變的條件下，激光焊接速度小的比激光焊接速度大的熔深大，并且隨著激光焊接速度的增大熔深遞減，在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。

2.5 實(shí)驗(yàn)分析

圖8 不同功率下熔深示意

表4 焊接速度試驗(yàn)參數(shù)

焊接熔深的大小主要由焊接時(shí)作用在工件上的線能量和熱輸入量的大小決定。當(dāng)激光作用到工件表面時(shí)工件所受的線能量和熱輸入量都比單一TIG焊時(shí)大，因此焊接熔深增加；當(dāng)激光功率增大時(shí)，作用在工件上的電弧力和電弧對(duì)工件的熱輸入量增加，熱源位置下移，有利于熱量向深度方向傳導(dǎo)，熔深增加；激光移動(dòng)速度增加時(shí)，焊接的線能量減小，熔深減小。

圖9 不同激光移動(dòng)速度下的熔池形貌

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)了激光輔助TIG焊接法，以不銹鋼為對(duì)象，研究了激光功率、激光速度、氧氣流量對(duì)焊縫成形、熔深變化的影響。

（1）當(dāng)激光功率大時(shí)，焊縫熔深隨著激光功率的增大而增加，在一定的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。

（2）氧氣流量大小的變化幾乎不影響焊縫熔深的變化。

（3）激光對(duì)焊件的表面處理速度對(duì)熔深的增加影響明顯，速度降低時(shí)熔深相對(duì)較大。

（4）經(jīng)過(guò)激光處理的焊接件的熔深要比未經(jīng)過(guò)激光處理的熔深更深。

[1]姜煥中.電弧焊及電渣焊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]宋天虎.先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展與焊接技術(shù)的未來(lái).第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集（第一冊(cè)）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：17-27.

[3]張京海，魯曉聲，余 巍，等.鎢極氬弧焊用焊劑的發(fā)展與應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2000，29(5)：21-23.

[4]V A Vinogradov，LNS tchavelev，A V Popenko.Power density stabilization system in argon tungsten-arc welding[R].Proceedings of the international conference，Beijing，1991：49-54.