梁 行 姜云祿 陳懷寧 杜 銀

(1.中國科學院金屬研究所,沈陽 110016; 2.中國科學技術(shù)大學 材料科學與工程學院，沈陽 110016;3.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168)

SUS301L不銹鋼激光搭接焊工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響

梁 行1,2姜云祿1陳懷寧1杜 銀3

(1.中國科學院金屬研究所,沈陽 110016; 2.中國科學技術(shù)大學 材料科學與工程學院，沈陽 110016;3.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168)

采用光纖激光器在3 mm厚不銹鋼薄板上進行非熔透型激光焊試驗研究。獲得了不銹鋼光纖激光深熔焊功率密度閾值所在區(qū)間，通過測量表征焊縫橫截面尺寸的三參數(shù)：表面縫寬、中間熔寬和熔深，分析了激光功率P和焊接速度v在不同改變模式下對焊縫橫截面尺寸的影響規(guī)律。結(jié)果表明，焊接速度為5 cm/s時，功率密度閾值位于3.19～3.61 kW/mm2區(qū)間。相同程度地增大P/v，通過增大功率或降低焊速模式，表面縫寬和熔深均會隨之變大，但增加功率更為有效，而對中間熔寬的影響略有不同。當保持P/v不變時，同比例增加功率和焊度，表面縫寬基本不變，中間熔寬增大，而熔深先增加后趨于穩(wěn)定。采用降低焊速方式可更有效地提高搭接接頭拉剪強度。

光纖激光焊 焊接工藝參數(shù) 焊縫形狀表征參量 功率密度閾值

0 序 言

非熔透激光搭接焊形式可用于軌道交通車體不銹鋼薄板外墻，其因易于獲得密封接頭和優(yōu)質(zhì)表面而受到行業(yè)的重點關(guān)注[1-2]。近些年國內(nèi)外的學者們對其研究表明：離焦量、保護氣體等參數(shù)不變時，激光焊縫的深寬比隨熱輸入的改變而改變；焊接變形隨著焊縫熔深增大而增大，焊接接頭拉剪強度隨兩板連接處的熔寬增加而提高[3-8]。然而，車體生產(chǎn)中既要保證焊接接頭質(zhì)量又必須滿足生產(chǎn)設(shè)計中對焊后不涂裝的外觀要求，這對不銹鋼薄板的非熔透激光搭接焊提出了新的挑戰(zhàn)。

只考慮增大熱輸入以增加焊縫熔深、熔寬，可確保焊接接頭力學性能，但可能造成搭接焊縫背面顏色及變形的加劇。若只顧及搭接焊下板背面顏色和變形而減少熱輸入，又會造成焊縫熔深、熔寬尺寸減小或不連續(xù)，最終影響焊接接頭質(zhì)量。

文中針對車體側(cè)墻所用0.8 mm+2 mm，1.5 mm+1.5 mm，1.5 mm+2 mm等類似板厚組合在生產(chǎn)中出現(xiàn)的這一問題，以軌道車輛車體用3 mm厚SUS301L不銹鋼為研究對象進行表面掃描式堆焊試驗?；竞附庸に噮?shù)基于生產(chǎn)實踐并參考已有研究成果[8-9]，重點研究激光功率和焊接速度在不同改變模式(單調(diào)變化或兩者等比變化)下對焊縫尺寸影響，為實現(xiàn)優(yōu)化工藝參數(shù)以控制不同板厚組合的搭接焊縫形貌提供了生產(chǎn)和數(shù)值模擬研究所用參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用3 mm厚的SUS301L不銹鋼冷軋板材，表面狀態(tài)為拉絲。試驗板尺寸為330 mm×60 mm×3 mm，焊前使用丙酮清洗。拉剪試驗所用冷軋SUS301L板材的力學性能如表1所示。

表1 冷軋SUS301L板材的力學性能

1.2 試驗材料及方案

試驗采用德國IPG公司生產(chǎn)的YLR-10000光纖激光器，最大輸出功率10 kW，聚焦透鏡焦距300 mm，傳輸光纖芯徑400 μm，焦點位置光斑直徑d=0.6 mm，離焦量設(shè)為0 mm。激光輸出鏡頭到焊件的垂直距離為25 mm。為選擇氬氣保護，實際流量為13 L/min，45°傾斜前吹，管徑φ8 mm，管口距焊件15 mm。激光入射角(與試板法線方向夾角)為0°。試驗裝置如圖1所示，定位和焊接操作由配套的六軸聯(lián)動OTC機器人執(zhí)行。

圖1 試驗裝置

為試驗方便，文中設(shè)計了在3 mm厚的SUS301L-HT試驗板上進行掃描式堆焊，采用自制夾具夾持，共完成四組試驗。第一組試驗研究車體生產(chǎn)中常用焊速5 cm/s條件下不銹鋼光纖激光焊的功率和功率密度閾值所在區(qū)間。參照閾值大小，將激光功率和焊接速度以不同變化模式完成隨后三組試驗，即分別固定焊接速度v或激光功率P或P/v值。垂直于焊縫橫向切開制取觀察試樣，采用Dino-Lite數(shù)字顯微鏡進行低倍金相觀察。因兩搭接板連接處熔寬值決定著焊接接頭力學性能，且該工作主要針對車體側(cè)墻常見的厚度范圍，故表征焊縫形貌的參數(shù)主要取表面縫寬、距堆焊板上表面1.5 mm處中間熔寬(或簡稱熔寬)以及焊縫的熔深數(shù)值，三個參數(shù)意義如圖2所示。

圖2 搭接焊焊縫形貌描述參量

根據(jù)獲得的相應試驗規(guī)律，針對0.8 mm+2 mm和1.5 mm+2 mm板厚組合的搭接接頭進行拉伸剪切試驗驗證。拉剪試驗采用Zwick Z150型電子萬能試驗機。

2 結(jié)果與討論

2.1 不銹鋼光纖激光焊閾值

激光焊閾值是指焊接模式從熱導焊轉(zhuǎn)變?yōu)樯钊酆傅墓β拭芏扰R界值。軌道交通行業(yè)如今采用不涂裝的不銹鋼搭接焊車體，為了實現(xiàn)穩(wěn)定的焊縫和良好的車體外觀，需要精確控制焊縫形貌，特別是焊縫深度(熔深)?；陂撝颠x擇焊接參數(shù)，是控制焊縫形貌的前提。通常認為，金屬材料激光深熔焊的功率密度閾值在1 kW/mm2左右[9]，但適用于表面拉絲不銹鋼薄板的激光焊閾值所在區(qū)間尚未有細致研究，這對車體側(cè)墻生產(chǎn)焊接參數(shù)的選擇具有重要意義。

為獲得工程較為常用的5 cm/s焊速情況下不銹鋼光纖激光焊閾值，依次增大功率P值，獲得的焊縫熔深值如表2所示。圖3為部分焊縫橫截面形貌照片。

表2 不銹鋼光纖激光焊閾值試驗結(jié)果

圖3 反映焊接模式轉(zhuǎn)變過程的部分焊縫截面形貌

將表2所得光纖激光焊熔深與功率P、功率密度ρ值繪制關(guān)系曲線，結(jié)果如圖4所示。可以認為，焊速為5 cm/s時不銹鋼光纖激光深熔焊的功率密度閾值所在區(qū)間為3.19～3.61 kW/mm2，即對于0.6 mm光斑直徑時，功率閾值所在區(qū)間為1.15～1.30 kW。

2.2 改變功率對焊縫形貌的影響(焊速不變)

固定焊速v=5 cm/s，并為確保試驗為激光深熔焊模式，激光功率P從1.3 kW依次增大0.3 kW，獲得通過增大功率以增加熱輸入的方式對焊縫尺寸的控制效果，焊接參數(shù)和結(jié)果如表3所示。圖5a～5f分別為不同激光功率條件下的焊縫橫截面形貌照片。圖6為由圖5a～5f所測得的增大功率以增加熱輸入對焊縫橫截面尺寸的影響曲線。

圖4 焊縫熔深與功率密度的關(guān)系

當功率P>1.3 kW，此時的功率大于閾值，對于厚度3 mm的不銹鋼板采取增大激光功率以增加熱輸入的方式，在激光功率閾值以上增加功率至70%以內(nèi)(即熱輸入增加在70%以內(nèi))，焊縫最大熔深可達1.5 mm；當在功率閾值以上增加至70%～115%，此時熔深增加明顯，但中間熔寬值無明顯變化。

表3 增加功率以增加熱輸入的試驗結(jié)果

圖5 增加激光功率(速度不變)情況下焊縫橫截面形貌

綜上，從搭接接頭中間熔寬、熔深方面考慮，在閾值以上增加功率70%～90%，可以獲得較理想的接頭。

2.3 改變速度對焊縫形貌的影響(功率不變)

固定激光功率P=3 kW，設(shè)定與表3對應編號相同的P/v，可確保試驗同為激光深熔焊模式。依次降低焊接速度，獲得功率不變、降低速度以增加熱輸入的方式對焊縫尺寸及外觀形貌的影響，結(jié)果如表4所示。圖7為不同焊接速度條件下的焊縫橫截面照片。

圖6 不同功率情況下(速度不變)焊縫橫截面 形貌尺寸變化曲線

圖8為由圖7a～7f所測得的增大功率以增加熱輸入對焊縫尺寸的影響曲線。從圖7～8可以看出，焊接速度減小導致熱輸入增大，表面縫寬和熔深增加明顯，而中間熔寬改變規(guī)律和改變功率獲得的規(guī)律略有不同，呈現(xiàn)先增大又減小的趨勢。

由于在參數(shù)設(shè)置上表4與表3對應編號功率P與焊速v的比值相同，對比試驗結(jié)果可以看出，采用兩種不同變化模式以相同程度地增大P/v，表面縫寬和熔深均有明顯增加，而中間熔寬變化規(guī)律略有不同。增加激光功率模式對熔深增加的影響程度更大，而降低焊接速度模式對中間熔寬的影響更為明顯。

表4 降低速度以增加熱輸入的試驗結(jié)果

圖7 降低焊速(功率不變)情況下焊縫橫截面形貌

圖8 不同焊速情況下(功率不變)焊縫橫截面 形貌尺寸變化曲線

2.4 同比改變功率/速度對焊縫形貌的影響

固定P/v=0.50 kJ/cm，在熱輸入保持不變的情況下同比例改變激光功率和焊接速度，具體參數(shù)、獲得的焊縫橫截面尺寸如表5所示。

表5 同比變化功率和速度的試驗結(jié)果

圖9為各參數(shù)下的焊縫橫截面照片,圖10為不同參數(shù)比條件下焊縫橫截面尺寸的變化曲線。

結(jié)果表明，P/v相同條件下，表面縫寬基本不變，但焊縫熔深、熔寬卻存在明顯差異。隨功率和速度同比增大，熔深隨功率的增加先呈增加狀態(tài)，后由于速度增加效應導致熔深基本保持不變。至于熔寬，則隨速度增加而始終呈增大趨勢。

分析認為，所有熔化焊過程都伴隨著吸熱熔化和散熱凝固。對于傳統(tǒng)電弧焊而言，保持熱輸入相同，焊接速度超過臨界值，焊縫形貌會產(chǎn)生一定的變化，如焊縫變窄、駝峰變高、咬邊等。對于高能量密度的激光焊，焊速的效應更為明顯且略有不同。焊速較小時，功率的增大使得熔深大幅增加，但當焊速提高至臨界值時，其制約效應變得顯著，即熔深達到2.5 mm左右時不再明顯變化。此后繼續(xù)提高焊接速度，焊縫截面“釘子”下部柱狀形貌寬度逐漸擴大，如圖9e～9g所示。

圖9 相同熱輸入不同參數(shù)比情況下焊縫橫截面形貌

圖10 相同P/v不同參數(shù)比情況下焊縫橫截面形貌尺寸變化曲線

2.5 中間熔寬對拉剪強度的影響

基于以上研究，針對0.8 mm+2 mm和1.5 mm+2 mm的板厚組合，分別采用增大功率和降低焊速的方式進行搭接焊，測量中間熔寬，對比拉剪強度。根據(jù)已有研究，搭接焊件試樣沿焊縫寬度取為10 mm[10]。具體參數(shù)和拉剪試驗結(jié)果如表6所示，其余試驗條件不變。

從表6可以看出，增大中間熔寬，搭接接頭的拉剪強度隨之提高。采用降低焊速方式以提高搭接接頭拉剪強度更為有效。

表6 搭接焊參數(shù)和拉剪試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)文中試驗條件下(光斑直徑為0.6 mm、焊接速度為5 cm/s)，不銹鋼光纖激光深熔焊功率閾值所在區(qū)間為1.15～1.30 kW，功率密度閾值區(qū)間為3.19～3.61 kW/mm2。在該閾值區(qū)間，熱導與深熔焊兩種機制轉(zhuǎn)換明顯。

(2)對于總厚度約3 mm的不銹鋼搭接板，光斑直徑為0.6 mm、焊接速度為5 cm/s時，在閾值以上增加功率70%～90%，可以獲得較理想的搭接焊接頭。

(3)在文中試驗條件下，單獨增加激光功率能夠提高焊縫熔寬和熔深，但對中間熔寬影響不大，即它對提高接頭拉剪強度的能力有限。而適當降低焊接速度能夠提升焊縫的中間熔寬，這對提高搭接接頭拉剪強度有幫助。

(4)同比增大功率和焊速，表面縫寬基本不變，中間熔寬呈增加趨勢，熔深逐漸增加并趨于穩(wěn)定。

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2017-04-19

TG456.7

梁 行，1993年出生，碩士研究生。主要從事激光焊接工藝、焊接殘余應力及接頭性能方面的研究。