鄒 仲，鄧琦林

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240）

本文針對活塞往復(fù)式二氧化碳壓縮機排氣消音器部件的零件工況，提出使用激光焊接的工藝方法，從而得到外形美觀、熔深穩(wěn)定、工藝性好的焊接零件。

1 焊接試驗裝置

本次激光焊接所使用的激光發(fā)生器是HJ-3000型CO2激光器，其最大輸出功率為3000 W。焊接時，工件用三爪卡盤夾具固定，并將夾具固定在DJS-II型多功能激光數(shù)控加工機床上，通過調(diào)整機床的X、Y軸坐標位置，令焊接時的激光焦點落在工件焊縫上。由于工件焊縫是圓周狀的，故在焊接時，采用激光發(fā)生器固定不動、工件繞軸心旋轉(zhuǎn)的方式。使用可調(diào)速伺服電動馬達進行驅(qū)動，令夾具卡盤繞夾具軸心旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)激光焊接焦點在焊接過程中始終聚焦在焊縫圓周上（圖1）。

圖1 激光焊接夾具整體結(jié)構(gòu)

2 焊接試驗工件的制備

排氣消音器部件的材料為SPCE，其含碳量為0.1%，屬于低碳鋼，具有較好的焊接性，焊接前后不需進行特別處理[2]。

將排氣消音器的上、下端分別插入成部件狀態(tài)（圖2）。消音器部件的焊接區(qū)域是上端與下端的連接處，坡口尺寸為C1，消音器壁厚為1.6 mm。

圖2 消音器部件壓裝示意圖

3 焊接工藝試驗

焊接時，使用3種激光焊接工藝：本體直接焊接、送絲焊接及送粉焊接。焊絲選用直徑1.2 mm的氣保焊用碳鋼焊絲，其熔點約1500℃；金屬粉使用Ni45鎳基自熔合金噴焊粉，其熔點為980～1050℃，硬度為45 HRC。

表1 焊接工藝參數(shù)

4 焊接力學(xué)性能測試

根據(jù)消音器部件的尺寸，承受壓力的截面圓徑為26.8 mm，工件在工作時設(shè)計的可耐受壓力為28.8 MPa，由此可得滿足耐受壓力的最小機械強度：

即當(dāng)消音器部件頂出的破壞機械力＞16.5 kN，理論上就能承受包括壓縮機極限狀態(tài)下的任何靜態(tài)壓力。

治療前兩組患者的神經(jīng)功能缺損評分差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義（t=0.084，P=0.933）。甲組患者治療后的神經(jīng)功能缺損評分小于治療前，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=28.071，P=0.000）。乙組患者治療后的神經(jīng)功能缺損評分小于治療前，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=17.109，P=0.000）。治療后，甲組患者的神經(jīng)功能缺損評分小于乙組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=11.687，P=0.000）。如表2。

將焊接后的消音器部件切割去除下蓋頂端部分，再與拉伸夾具一起放在CHT4305液壓式萬能試驗機上，并將消音器部件外緣夾緊，用頂伸夾具對消音器部件頂端進行破壞力試驗（圖3）。

圖3 破壞力受力分析

試驗結(jié)果表明，在3種不同的焊接工藝狀態(tài)下，破壞力曲線都與位移的增加呈線性關(guān)系，直至破壞，中間無明顯的屈服過程。這是因為相比常規(guī)的拉伸試驗料棒，消音器部件的整個焊縫寬度較小，間隙最小處僅0.025 mm，相對于消音器本體材料壁厚1.6 mm而言是極小的。因此，即便在拉力試驗過程中，將拉伸速度調(diào)至很慢，當(dāng)達到足夠的破壞力時，焊縫會瞬間斷裂，而不會進入一般機械拉伸的屈服階段[4]。從表2可看出，3種焊接狀態(tài)的消音器部件，最終的破壞力都高于16.5 kN；而從絕對值數(shù)據(jù)來比較，依次為送粉＞本體＞送絲。

表2 破壞力結(jié)果

5 焊縫截面分析

從圖4a所示截面圖可看出，本體焊接的焊縫熔池深度小于但接近母材本體的壁厚，外表面形成一個向內(nèi)凹的圓弧。

從圖4b可看出，送絲焊接的熔池深度明顯小于母材本體的壁厚，且在焊料熔化與母材熔化的區(qū)域中間有一個較明顯的空洞。由于送絲的焊料半徑為1.2 mm，母材的坡口尺寸是一個45°的倒角，焊料固定在坡口上，未焊接時就已形成一個較大的間隔空間，這使激光加熱在焊料與母材上時，熱量需分別熔化兩者，從而在該區(qū)域形成目視可見的空洞。

從圖4c可看出，送粉焊接的截面是3種焊接工藝中最飽滿的，其內(nèi)部的熔池深度也最大，略超過母材壁厚。由于有外來填粉的補充，所以在熔化后的焊縫處形成一個向外凸的圓弧，熔池的深度與母材本體的厚度相當(dāng)，形成較理想的熔池狀態(tài)[5]。

圖4 不同焊接工藝的消音器部件截面圖（5×）

6 焊接微觀組織及硬度分析

因為激光焊接焦點集中，加熱速度快，易形成較大的溫度梯度，所以在不同區(qū)域，晶粒的大小結(jié)構(gòu)不盡相同[6]。由于焊接工藝不同，本體焊接、送絲焊接、送粉焊接的微觀金相組織也不同。采用DFC295/LAS型金相顯微鏡觀察3種焊接工藝的微觀組織形貌。

圖5是本體焊接時的微觀放大圖?？煽闯觯?區(qū)域為焊縫區(qū)域，其顯微組織為長大后的白色鐵素體。5區(qū)域也為焊縫區(qū)域，但該區(qū)域的晶粒最細小，組織最致密，這是因為激光焊接與中心傾斜30°，正好沿此方向進行加熱，激光有極強的穿透力；該區(qū)域的顯微組織是精細的白色鐵素體。2、4、6區(qū)域為熱影響區(qū)，這些區(qū)域的散熱條件比1區(qū)域好，故雖然受到的焊接熱量不及1區(qū)域，但晶粒大小與1區(qū)域相比差別并不大；該區(qū)域的顯微組織也是長大后的白色鐵素體。3區(qū)域為母材區(qū)域，從圖中可看出，母材區(qū)域的晶粒比焊縫區(qū)域大，比熱影響區(qū)小，且仍保持以原態(tài)白色鐵素體形式存在。

此外，在消音器上、下端中間（圖5所示框選部分），由于焊接后零件變形和急速冷卻的原因，焊接熔化后的熔池并沒有將該區(qū)域完全填充，形成了一個真空區(qū)域，易形成力學(xué)上的應(yīng)力集中[7]。

圖5 本體焊接時的微觀組織形貌（500×）

圖6 是送絲焊接時的微觀放大圖?？煽闯觯?區(qū)域為焊絲熔化所在的焊縫，因為此次焊接所使用的焊絲材質(zhì)為10號鋼，與消音器部件的零件材料基本接近，所以從微觀組織也可看出兩者冶金熔合的情況較理想；該區(qū)域的組織為白色的鐵素體。5區(qū)域也為焊縫區(qū)域，該區(qū)域的晶粒度相比1區(qū)域更細致；該區(qū)域的組織也為白色鐵素體。2、4、6區(qū)域為熱影響區(qū)，這些區(qū)域的晶粒度相比1區(qū)域更大；該區(qū)域的組織為白色鐵素體。3區(qū)域為母材部分，因為沒有經(jīng)歷過晶粒再生長過程，故晶粒度較小；該區(qū)域的組織也為白色鐵素體。

如前所述，在焊縫中有一個較明顯的空洞（圖6所示框選部分），這是因為在焊接前，焊料與本體形成的一個較大空隙，而焊接時的能量不足以將焊料充分熔化后填充完全，從而在焊接后形成了較大的真空，且明顯大于本體焊接的空隙[8]。

圖6 送絲焊接時的微觀組織形貌（500×）

圖7 是送粉焊接時的微觀放大圖?？煽闯?，1區(qū)域為鎳基粉的熔化焊縫區(qū)域，與金屬機體形成了良好的冶金熔合。5區(qū)域因為焊接角度和焦點聚焦的關(guān)系，晶粒度較細致，組織為白色鐵素體。2、4、6區(qū)域為熱影響區(qū)，晶粒度較大，組織為白色鐵素體。3區(qū)域為母材，沒有晶粒長大的原始晶粒，組織為白色鐵素體。

從圖7可明顯看出，送粉焊接的焊縫填充性能極好。在與零件基體有效熔合的同時，還將消音器部件的零件間隙較好地填滿[9]。

圖7 送粉焊接時的微觀組織形貌（500×）

從圖8所示的硬度分布來看，送粉焊接時，在焊接熔池區(qū)域及附近的顯微硬度均明顯高于本體焊接及送絲焊接，該硬度測量結(jié)果也與之前拉伸破壞力的試驗結(jié)果吻合。

7 結(jié)論

本文提出采用激光焊接取代傳統(tǒng)隧道爐釬焊，得出以下結(jié)論：

（1）消音器部件激光焊接中，本體焊接最優(yōu)參數(shù)為：激光功率1000 W，離焦量80 mm，轉(zhuǎn)速1檔，工件角度30°。送絲焊接最優(yōu)參數(shù)為：激光功率1500 W，離焦量80 mm，轉(zhuǎn)速1檔，工件角度30°。送粉焊接最優(yōu)參數(shù)為：激光功率1500 W，離焦量80 mm，轉(zhuǎn)速 1檔，工件角度 30°。

（2）無論使用本體焊接、送絲焊接還是送粉焊接，焊接的破壞力都大于消音器部件工作時的設(shè)計耐壓極限，焊接強度依次為送粉＞本體＞送絲。從對焊縫截面的顯微硬度分析得出，填充質(zhì)量依次為送粉＞本體＞送絲。故綜合判定送粉焊接是最優(yōu)焊接工藝。

（3）激光焊接過程中，沒有使用助焊劑，也可不需保護氣體，在同樣滿足產(chǎn)品性能要求的前提下，焊接作業(yè)環(huán)境比傳統(tǒng)的隧道爐焊接大為改善。

圖8 不同焊接工藝的消音器部件硬度分布

[1] 劉佳.30CrMnSi鋼激光焊接工藝研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2009.

[2] Ready J F，F(xiàn)arson D，F(xiàn)eeley T M.LIA handbook of laser materials processing[M].Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH&Co.K，2001.

[3] 張維哲.304不銹鋼薄板激光焊接技術(shù)研究 [D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[4] 秦國梁，林尚揚.激光焊接體能量及其對激光深熔焊縫熔深的影響[J].焊接學(xué)報，2006，27（7）：74-76.

[5] Ready J F.Effects of high power laser radiation[M].New York：Academic Press，1977.

[6] 薛忠明，顧蘭，張彥華.激光焊接溫度場數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報，2003，24（2）：79-82.

[7] 鄧琦林，謝安寧，周廣才.激光熔覆修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)試驗研究[J].電加工與模具，2008（6）：36-39.

[8] Duley W W.Laser welding[M].New York：John Wiley&Sons,Inc，1998.

[9] 付俊.銅鋼異種材料激光焊接研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.