廣東工業(yè)大學 機電工程學院 廣東省計算機集成制造重點實驗室(廣州市 510006)

李正文 高向東

佛山職業(yè)技術(shù)學院(528137)

李秀忠

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激光焊接不銹鋼技術(shù)

廣東工業(yè)大學 機電工程學院 廣東省計算機集成制造重點實驗室(廣州市 510006)

李正文 高向東

佛山職業(yè)技術(shù)學院(528137)

李秀忠

不銹鋼具有耐腐蝕性強、塑韌性好等特點，被廣泛應用于航天航空、電子器件、醫(yī)療器械、核工業(yè)等方面。而激光焊具有傳統(tǒng)焊接無法比擬的優(yōu)勢，能有效地減少缺陷。針對不銹鋼YAG固體激光焊、光纖激光焊、CO2激光焊、激光-MAG復合焊、激光-TIG復合焊、活性劑輔助激光焊、雙光束激光焊、激光填絲焊和盤型激光焊等方法，介紹了各自的特點以及應用，并論述了各種激光焊方法下不銹鋼焊件的特性，最后對激光焊接不銹鋼技術(shù)做出了總結(jié)與展望。

不銹鋼 激光焊 技術(shù)

0 序 言

不銹鋼是以Fe-Cr，F(xiàn)e-Cr-C和Fe-Cr-Ni為合金系的高合金鋼。此類鋼對氧化性酸具有較高的耐蝕性，通常用作支撐結(jié)構(gòu)、密封容器、建筑、精密儀器和醫(yī)療器械等。不銹鋼具有良好的焊接性能，在常溫焊接下能得到成形較好的焊接接頭。

激光焊技術(shù)經(jīng)過不斷地發(fā)展，已衍生出了各種類型的焊接。常見的Nd:YAG激光焊、CO2激光焊、光纖激光焊，再到激光焊與電弧焊的復合焊接，加上活性劑的輔助焊接、雙光束激光焊、激光填絲焊、盤型激光焊使得焊接技術(shù)得到不斷地完善。激光焊具有能量密度高、焊接速度快、熱影響區(qū)窄以及焊縫成形好等特點在工業(yè)中的應用越來越廣[1]。

就激光焊工藝技術(shù)進行歸納和總結(jié)，并分析了工藝參數(shù)的選擇對焊接效果的影響，以及不銹鋼激光焊工藝研究方法的選擇和焊接參數(shù)的優(yōu)化。

1 不銹鋼激光焊的原理及特點

隨著激光器的發(fā)展，激光焊應用的范圍逐漸的擴大，現(xiàn)在激光焊被應用于多個行業(yè)，其中主要包括：汽車工業(yè)、航天航空、造船、電子電器、新型工件成型等行業(yè)[2]。

1.1 不銹鋼的特點及應用

與碳鋼相比，不銹鋼具有電阻率高、熱導率低、線膨脹系數(shù)大等特點，且隨著溫度的升高線膨脹系數(shù)也有相應地提高[3]。不銹鋼因其較好的耐蝕性、無毒性、耐摩擦性、高強度、非磁性、易加工性、良好的焊接性等特性被廣泛應用于在機械設備和化工設備制造行業(yè)、工業(yè)建筑工件行業(yè)、IT行業(yè)、家電行業(yè)等[4]。

1.2 不銹鋼激光焊的原理

激光焊有兩種分類，按激光輸出時的功率密度大小可分為激光傳導焊和激光深熔焊[5]。在熱傳導焊時，激光功率密度小于1×105W/cm2，在較小的熱量下并不能將工件表面的金屬瞬間熔化甚至是汽化，所以只能通過熱傳導的方式將熱能傳向金屬內(nèi)部。當在深熔焊中，激光功率密度大于1×105W/cm2時，由于獲得較大的熱量，故金屬直接被熔化而形成焊縫。

1.3 不銹鋼激光焊的特點

不銹鋼激光焊與傳統(tǒng)焊相比，能在室溫或者特殊條件下進行焊接，焊接裝備簡單。激光聚焦后，功率密度高，實現(xiàn)深熔焊接，熔深與熔寬比大，最高可達12∶1。激光焊強度高、精度高、焊縫熱影響區(qū)窄、殘余應力和變形較??；并且激光焊速度快、效率高、焊接質(zhì)量好[6]。

2 不銹鋼的常見激光焊方法

2.1 YAG固體激光焊

YAG激光焊是利用高能量的脈沖激光對工件實施焊接的。激光電源放電，使氙燈產(chǎn)生光波，光波經(jīng)過聚光腔聚焦Nd:YAG晶體上，從而激發(fā)其產(chǎn)生激光，再經(jīng)過諧振腔作用后產(chǎn)生波長為1 064 nm的脈沖激光輸出。

V.A.Ventrella等人[7]對100 μm厚的316L不銹鋼采用Nd：YAG激光焊，研究激光能量的變化對焊接成型的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在試驗過程中激光能量不斷的增加，焊后熔池的熔深、熔寬和結(jié)合寬度也增加。焊接接頭的抗拉強度一開始隨著激光能量的增加而增加，然后再隨著激光能量增加抗拉強度減小。

劉鍵等人[8]研究保護氣體對304不銹鋼的Nd:YAG激光焊接頭成型質(zhì)量的影響。采用0.7 mm厚的304不銹鋼，在有氬氣作為保護氣體和無保護氣體下采用熱輸入50 J/mm、激光功率2～4 kW、焊接速度0.04～0.08 m/s。對激光功率為3 kW、焊接速度為 0.06 m/s時有、無氬氣保護氣體作用的接頭形貌、微觀組織和力學性能作了對比。得出在相同激光工藝參數(shù)下，兩種焊接方式均能實現(xiàn)完全焊透且焊縫成形良好，但無保護氣體下的焊接焊縫存在嚴重的氧化現(xiàn)象。無論是否加保護氣體，顯微硬度均呈熱影響區(qū)>母材>焊縫區(qū)，但有保護氣體時焊縫區(qū)顯微硬度有所增加。

李慶等人[9]研究不同的脈沖激光焊工藝參數(shù)對厚度為1 mm的304不銹鋼焊接接頭缺陷的形成。試驗表明,304不銹鋼在焊接過程中一般不出現(xiàn)氣孔，當焊接工藝參數(shù)不當時會產(chǎn)生不規(guī)則和圓錐形的兩種氣孔。李云濤等人[10]針對厚度為3 mm的304不銹鋼連續(xù)激光焊工藝進行試驗。試驗表明，當功率為1 600 W、速度為3 mm/s時，焊縫中心出現(xiàn)等軸晶，邊緣出現(xiàn)柱狀晶，生長方向垂直于焊接熔合線。陳俊科等人[11]利用YAG固體激光器在一定熱輸入的條件下針對0.7 mm厚的304不銹鋼進行了搭接焊接試驗研究。結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，焊接速度也增加，但是接頭的氧化程度增加且伴隨著咬邊、凹陷等缺陷的產(chǎn)生。說明熱輸入一定時，不宜采用較大功率對0.7 mm的304不銹鋼進行焊接。

YAG固體激光焊過程中，激光功率較小，焊接接頭不易出現(xiàn)諸如氣孔和咬邊等缺陷，但是隨著激光功率和焊接速度等參數(shù)的變化，焊件的表面成形、抗拉強度和硬度都會隨之而變化。

2.2 光纖激光焊

光纖激光焊是利用光纖激光器發(fā)射激光焊接試件。光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，經(jīng)過諧振腔后激光振蕩輸出。

Y.Kawahito 等人[12]針對8 mm厚的SUS304采用6 kW的光纖激光焊，研究激光功率密度、焊接速度對焊接接頭成形質(zhì)量的影響。試驗采用4種激光光斑直徑130 μm，200 μm，360 μm，560 μm，焊接速度0.6～10 m/min。得出在光斑直徑為360 μm和560 μm、焊接速度在4.5～10 m/min時焊接接頭無缺陷(如氣孔、咬邊和駝峰)的產(chǎn)生，如圖1所示。

圖1 焊接速度在光纖激光焊中的影響[12]

高向東等人[13]針對5 mm厚的304不銹鋼，采用光纖激光焊在焊件中加入鉑金屬。在焊接過程中，鉑與焊件工件熔化，利用X射線圖像中鉑與焊件工件的灰度差異來觀測焊接過程中熔池內(nèi)部形態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在t時刻焊接開始后，鉑金屬受到刺激，一部分沿小孔壁流動到熔池底部，另一部分在熔池近表層向激光束后方流動，最終形成一個較為穩(wěn)定的水勺形狀，如圖2所示。

圖2 X射線圖像下的熔池內(nèi)部形態(tài)變[13]

裴瑩蕾等人[14]采用平板堆焊的方法焊接1 mm厚的304不銹鋼，研究激光功率、焊接速度以及保護氣體的吹向?qū)傅礼劮宓挠绊?。結(jié)果表明，激光功率對駝峰的影響較小，焊接速度和保護氣體的吹向?qū)︸劮宓挠绊戄^大。原因是焊接速度與保護氣體吹向的改變影響了焊接過程中的熔池流動，使得熔融金屬流動加劇，從而導致駝峰傾向增加。

張文超等人[15]針對0.5 mm和1.0 mm厚的304不銹鋼板進行不同工藝參數(shù)下的對接光纖激光焊。結(jié)果發(fā)現(xiàn)功率為200 W、焊接速度為120 mm/min、離焦量為0時的焊縫顯微組織呈現(xiàn)明顯的柱狀晶組織形態(tài)，由奧氏體和殘留δ鐵素體組成。

光纖激光焊具有較高的激光功率且激光光斑能量分布均勻，能焊接工件的厚度大于YAG激光焊焊接的工件厚度。在焊接過程中，激光功率密度、焊接速度、光斑直徑大小以及保護氣體流量和種類等焊接參數(shù)對熔池的流動、焊接接頭的顯微組織形態(tài)以及分布影響較大，同時焊接參數(shù)的搭配不當會造成焊后缺陷的產(chǎn)生，如駝峰、氣孔和咬邊等。

2.3 CO2激光焊

CO2激光焊是利用CO2激光器發(fā)射激光對工件實施焊接。CO2激光器中由N2，He和CO23種工作介質(zhì)組成，其中CO2是產(chǎn)生激光的氣體，N2和He作為輔助氣體。激光器通電后放電，CO2分子從低能級躍遷到高能級實現(xiàn)粒子翻轉(zhuǎn)形成激光，照射工件實現(xiàn)焊接。

張林杰等人[16]采用CO2激光器針對2 mm厚的304不銹鋼，研究側(cè)吹氣體對不銹鋼焊接過程的影響(側(cè)吹氣體方向與焊接方向一致)。結(jié)果表明，當側(cè)吹噴嘴高度增加時，等離子體的平均體積減小，焊縫的熔透率增加。當側(cè)吹氣體流速增大時，等離子體的平均體積減小，熔透率增大。當側(cè)吹角度(與水平線的銳角夾角)在0～20°增加時，等離子體的平均面積減小，熔透率約為100%；當超過20°時，等離子體平均體積顯著增加，熔透率減小。

K.Y.Benyounis 等人[17]對304奧氏體不銹鋼采用CO2激光焊，研究不同工藝參數(shù)(激光功率、焊接速度和離焦量)對焊接接頭的影響。結(jié)果表明,激光功率在1.2～1.23 kW之間時能獲得良好的焊接接頭。且隨著激光功率的增加，接頭的抗拉強度先增大后減??；隨著焊接速度和離焦量的增加，接頭的抗拉強度減小。激光功率對沖擊吸收能量的影響最為顯著，隨著功率的增加，接頭的沖擊吸收能量提高。

同YAG固體激光焊和光纖激光焊一樣，CO2激光焊在薄板的焊接中應用較廣，工件焊后質(zhì)量受激光功率、焊接速度、保護氣體流量和種類等因素的影響。

常見的不銹鋼激光焊中，無論是Nad:YAG固體激光焊還是CO2激光焊亦或是光纖激光焊，由于焊接熱源的單一輸入，故熱輸入較小，不能滿足厚板的熔透要求，對2 mm以下的薄板焊接能獲得較好的焊接效果。如何克服焊接中單一熱源熱輸入能量較小這一缺點成為了工業(yè)發(fā)展中需解決的問題。同時在焊接過程中各方法對激光功率、焊接速度、光斑直徑、離焦量和保護氣體種類以及流量的變化敏感，因此在不銹鋼的焊接過程中，如何搭配各焊接工藝參數(shù)以減少諸如小孔和咬邊等焊接缺陷也是研究的重點。

3 不銹鋼的復合激光焊方法

3.1 激光-TIG復合焊

激光-TIG復合焊焊接時，激光作用產(chǎn)生的金屬蒸汽進入到電弧區(qū)，降低電弧通道的電阻，電弧電流密度增加、穩(wěn)定性增強，電弧被壓縮并吸引進入小孔中，同時電弧對工件預熱，復合熱源的利用率提高，從而焊接質(zhì)量得到進一步的提高[18]。

嚴軍[19]針對3 mm厚的316L不銹鋼采用CO2激光-TIG復合焊接，研究了激光功率、電弧電流、激光與電弧間距對焊縫成形的影響。試驗表明，隨著激光功率的增加，使得焊接熱輸入的增加從而導致焊接熔深不斷增加；電弧電流的增加也能提高焊接熔深，但超過150 A后由于激光對電弧的壓縮作用降低，熔深減??；激光與電弧間距對復合焊是一種比較敏感的因素，在2～3 mm之間是一個最優(yōu)范圍。尹燕等人[20]針對5 mm厚的316不銹鋼采用光纖激光-TIG復合焊焊接。結(jié)果顯示，復合焊與單獨的TIG焊相比，復合焊顯著提高焊縫的抗拉強度，使其非常接近與母材；彎曲性能與母材一樣良好，同時焊接變形明顯減小。

焊接過程中激光和電弧的相互作用，具有提高能量、增加焊接熔深、改善焊接接頭拉伸強度和彎曲性能等特點。

3.2 激光-MAG復合焊

G.Campana 等人[21]針對8 mm厚的304不銹鋼采用3 kW的CO2激光和MAG電弧復合焊焊接，研究激光和電弧的間距與激光的離焦量對焊接接頭成型的影響。結(jié)果表明：當激光與電弧的間距在2～3 mm時，可以避免熔池的劇烈動蕩形成熔深較大的小孔；當激光束聚焦在工件表面下方6～8 mm時容易形成穩(wěn)定的焊縫且熔深較大。

G.Tani 等人[22]采用3 kW CO2激光和MAG電弧復合焊接針對10 mm厚的304不銹鋼研究保護氣體對焊接接頭成型的影響。結(jié)果表明：保護氣體中He含量對焊接過程的影響較大，含量為30%時可以減少等離子體的形成，在30%～40%時焊接效率較好，但在含量高于40%時熔深的增加并不明顯。

同激光-TIG復合焊一樣，電弧的加入能增加能量輸入從而提高焊接接頭熔深。激光與電弧的間距對焊后質(zhì)量影響較大，兩者之間的不合理搭配會導致焊接缺陷的產(chǎn)生。

激光電弧復合焊在焊接過程中，電弧對工件的預熱以及對激光焊產(chǎn)生的等離子體的抑制作用，極大地提高了焊接效率，增加工件的最終熔深。但是由于復合焊中，可調(diào)參數(shù)很多，其中任意一個參數(shù)的變化都將影響焊接的效果，且在復合焊中工件的熱循環(huán)對焊接參數(shù)的影響機理還未研究透徹，因此必須深入研究，找出各項工藝參數(shù)對復合焊接的影響規(guī)律，確定穩(wěn)定可靠的工藝參數(shù)，滿足實際焊接的需求。

4 活性劑輔助激光焊

活性劑輔助激光焊即在工件的表面涂上一層活性劑，利用活性劑的特性以及焊接過程中對焊接因素(等離子體、表面張力)等的影響來改善焊接質(zhì)量。

Ma Li等人[23]針對3 mm厚的430不銹鋼采用活性劑輔助的YAG激光焊，研究活性劑的加入對焊接接頭成型的影響。結(jié)果表明,活性劑的加入使成形后的焊縫熔深增加，且ZrO2的加入使得熔深增加的效果要優(yōu)于其它氧化物和碳酸鹽；在用活性劑混合配比時發(fā)現(xiàn)50%ZrO2，12.09%CaCO3，10.43%CaO和27.48%MgO時焊接效果最好，能使熔深增加2.23倍。權(quán)雯雯[33]針對3 mm厚的304不銹鋼，研究活性輔助對TIG和YAG激光焊的影響。試驗表明,活性劑的加入會增加焊縫熔深；在焊接過程中，工藝參數(shù)的改變對活性劑焊接帶來不同的影響，脈寬對焊縫熔深及深寬比影響較大，其次是頻率和焊接速度。樊丁等人[24]針對不同S含量的SUS304不銹鋼采用YAG激光焊焊接。試驗表明，含S量較高的不銹鋼在活性劑輔助焊接時焊縫熔寬會有明顯的收縮，且隨著熱輸入量的增加熔深也相應增大。

在焊接過程中，活性劑的加入可以減小工件的表面張力，并且減小激光焊的等離子體密度，增加焊接熔深。但是由于活性劑種類眾多，在活性劑的選擇上需要通過試驗的方法驗證，給焊接帶來困難。并且各活性劑混合后對焊接的影響還未明確，在焊接過程中各焊接工藝參數(shù)對活性劑的影響，活性劑添加的厚度以及添加時使用的工藝(如噴涂等)也需探究，最終才能確定出不同工件的最優(yōu)工藝參數(shù)搭配。

5 雙光束激光焊

雙光束激光焊意味著焊接時同時使用兩束激光，光束排列方式有串行、并行和交叉排列如圖3所示。T.Narikiyo 等人[25]現(xiàn)研究以串行排列方式較多，在焊接過程中光束的間距、光束相互的角度、聚焦位置以及光束的能量都會對焊縫成形造成影響。利用1個1 kW脈沖和1個2 kW的連續(xù)波YAG激光束焊接304不銹鋼，當兩光束之間的角度變化時，焊縫深度在5～7 mm之間波動，且證明較高的峰值功率可以增加焊接熔深。

圖3 雙光束激光焊的光束排列方式[25]

陳偉東等人[26]采用功率為4 kW 的激光器，分成兩束功率為2 kW 的激光，按照并行激光焊的方式排布。研究了焊接速度以及光斑間距對焊接接頭成型的影響，得出隨著焊接速度增大，匙孔深度減??；隨著光斑間距的增大，匙孔深度減小。當光斑間距過大或者過小時，容易產(chǎn)生小孔缺陷。

雙光束激光焊相對于單光束激光焊，具有增加焊后熔深、增大焊后深寬比的優(yōu)勢，但是國內(nèi)外對雙光束激光焊的研究甚少，光束間距的變化對焊后的焊接接頭成型效果有很大的影響，且其影響機理尚未十分明確，所以其應用范圍較窄，主要用于材料的T型焊接以及鋁合金的焊接。在未來的研究中應將其焊接參數(shù)的變化對焊后質(zhì)量影響的機理作為研究重點。

6 激光填絲焊

激光填絲焊焊接時，激光束首先作用在填充的焊絲上，焊絲被激光束熱熔化后填充焊縫間隙。然后在激光束的繼續(xù)作用下，母材金屬被熔化、凝固實現(xiàn)焊接[27]。

R.Ohashi 等人[28]針對5 mm厚的304不銹鋼采用雙YAG激光束進行填絲焊，結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)過優(yōu)化后的光源條件可以使焊接時的最大橋接間隙達到2.2 mm。T.Jokinen 等人[29]針對20 mm厚的奧氏體不銹鋼采用Nd：YAG窄間隙坡口的多道激光焊方法。試驗表明,由于焊接的收縮變形應該保證坡口的角度大于激光束的夾角；填絲的流量對焊接質(zhì)量有直接的影響，較小的流量能獲得質(zhì)量相對較小的焊縫成形。

Z.Sun 等人[30]對3 mm厚的低碳鋼和2 mm厚的不銹鋼進行了激光填絲對接拼焊試驗。研究表明，激光填絲焊在間隙為1 mm時，其焊接接頭仍然具有較強的適應性，且焊縫截面上的組織成分和硬度分布均勻。在激光送絲焊中，送絲角度、送絲位置、送絲速度與送絲方向都將影響焊件的質(zhì)量。因此使得焊接過程的控制更加復雜和困難，對焊接實現(xiàn)自動化增加了難度。所以未來著重研究激光送絲焊中送絲角度、送絲位置、送絲速度以及送絲方向與焊后質(zhì)量的關(guān)系建立完善的控制系統(tǒng)。

7 盤型激光焊

X.D.Gao 等人[31]采用功率為10 kW的盤型激光器焊接厚度為10 mm和20 mm的304不銹鋼，并且利用高速攝像機觀察和采集焊接過程中飛濺和等離子體的變化圖。分析得出,在焊接過程中，飛濺的數(shù)量和面積隨著激光功率的增加而增加，并且呈現(xiàn)出由急劇增加變?yōu)榫徛黾拥臓顟B(tài)。等離子體的密度隨著功率的增加而增加，但是等離子體的增加會削弱激光功率而使其密度又快速減少。

羅子藝等人[32]采用10 kW的盤型激光器對8 mm后的不銹鋼焊接，研究焊接速度以及激光功率對焊后質(zhì)量的影響。結(jié)果表明,盤型激光焊后能獲得較深的熔深，并且截面呈I型和釘子型；隨著焊接速度的增大，焊縫截面形貌由I形向釘子形變化；隨著激光功率的增大，焊縫截面形貌由釘子形向I形變化。

由于盤型激光器的光束質(zhì)量高和輸出功率高的特點，使其在厚板焊接中使用具有獨特的優(yōu)勢，主要應用于重型器械的生產(chǎn)中。在未來的研究中應將其與MIG和TIG焊相結(jié)合，研究其作用機理。

8 結(jié)束語

由于不銹鋼良好的焊接性能和耐腐蝕性，其焊接技術(shù)也得到不斷地發(fā)展。在不銹鋼的激光焊工藝技術(shù)中，常用的激光焊由于其功率較低只能實現(xiàn)薄板工件連接，難以滿足厚板的焊接需求。復合焊和多光束激光焊，這兩種焊接技術(shù)具有預熱和輔助功能，使得焊接厚板以及參數(shù)控制得到了很大的改善。激光填絲焊以及活性激光焊采用外加輔助材料來改善焊后工件的質(zhì)量，并且在增加焊后熔深方面有顯著的優(yōu)勢。盤型激光焊由于其較大的熱輸入使其在厚板的焊接中應用較為廣泛，但因其成本較高，其使用受到了限制。

激光焊是一個復雜的過程，涉及到多個工藝參數(shù)(激光功率密度、脈沖頻率和寬度、焊接速度、保護氣體流量等)。為了能獲得良好的焊接效果，對各種工藝參數(shù)下的成形效果進行對比，以便能精準的選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)提高焊接效率和質(zhì)量成為了研究的重點。焊接中伴隨的各種焊接效應(等離子體、飛濺、熔池熔融金屬的流動)是焊接過程機理分析至關(guān)重要的因素。不同工藝參數(shù)下的焊接效應對焊接質(zhì)量的影響機理將是未來研究的重點。

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2016-03-24

廣東省科技發(fā)展專項資金資助項目(2016A010102015)；廣州市科學研究專項資助項目(201510010089)；佛山市科技創(chuàng)新專項資助項目(2014AG10015);廣東省計算機集成制造重點實驗室開放基金資助項目(CIMSOF2016008)。

TG456.7

李正文，1992年出生，碩士研究生。主要從事激光焊接工藝研究。