火工品薄壁件的激光焊接

杜云峰，陳敏慧，鄭挺軍，石敏科，高春亮， 陳小松

（陜西應用物理化學研究所，陜西 西安，710061）

激光焊接是一門發展極快的新制造技術，一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區域“熱熔”在一起即可。其最主要的優勢之一是能將激光束集中于非常狹小的區域[1]，具有焊接速度快、熱影響區小、變形小、焊縫窄、焊縫組織均勻的特點；其機械性能、抗蝕性能優于常規焊接方法，既可焊接同種材料，也可以焊接異種材料。

隨著火工品技術的不斷進步，火工品設計向安全性、可靠性、小型化方向發展，火工品零部件的加工方式也由原來較單一的沖壓引伸、切削加工向電加工、化學加工、激光加工、特種焊接等多種加工方式拓展。這些特種焊接和燒結技術不僅滿足了火工品的特殊功能特性，而且在零部件的制造方面能夠解決許多難以加工的工藝問題，同時又可以降低加工制造的成本，縮短新產品的研發周期[2]。本研究采用激光焊接對火工品零部件的薄壁件焊接進行了工藝試驗，取得了理想的效果。

1 試驗條件

1.1 激光器件

試驗采用德國TRUMPF公司的LASMA333型YAG脈沖激光器，激光器技術參數見表1。

表1 激光器技術參數Tab.1 Technical parameters of laser

1.2 試驗材料及焊接密封性要求

薄壁件密封片如圖1所示，其厚度為0.25mm，材料為00Cr 9Ni10，與同種材料的零件進行焊接，焊接好的密封組件在0.1MPa氣壓條件下，氦氣泄漏率要求小于10-5cm3/s。

圖1 密封片示意圖Fig.1 Sketch of sealing piece

1.3 影響激光焊接的參數

影響激光焊接的參數主要包括激光功率、脈沖寬度、脈沖頻率、焊接速度、離焦量及保護氣體等，因此需要通過調整激光焊接參數來改善焊縫成形[3-5]。尤其是激光功率和焊接速度的匹配關系直接表征了焊接的工藝范圍，激光焊接獲得較好焊縫成形時需要適當降低焊接速度或提高激光功率以增大焊接熱輸入，所以選擇合適的匹配關系成為關鍵技術之一。

1.3.1 激光功率

激光功率是指激光器的輸出功率，在實際應用中，激光功率的選取除取決于材料本身特性外，尚需根據焊接要求確定。薄壁材料的焊接中，由于材料表面的汽化，易使焊點成孔，尤其是薄片上的焊接[6]。焊接過程中汽化量過大，就會形成高壓蒸汽的高壓噴射，將對熔池表面產生很大的作用力，將熔池中液態金屬排擠出熔池外，甚至形成熔融金屬的飛濺，結果導致薄壁材料表面穿孔，或者形成嚴重的凹陷，因此必須嚴格控制激光功率。

1.3.2 脈沖寬度

在薄壁件焊接中，除應適當拉長脈寬增加焊接的參數范圍，以及提高焊接質量的穩定性外，尚需考慮熱影響區的大小。應保證在熱影響區所允許的情況下適當增加脈寬，以提高焊接質量的穩定性。

1.3.3 脈沖頻率

激光脈沖的頻率是反映激光器在1s內能打出多少個脈沖的能力，在激光功率恒定的情況下，頻率越高，每個激光輸出的能量就越小，因此可在保證激光的能量足夠熔化金屬的情況下，確定激光的輸出頻率。過高的頻率勢必造成激光的脈沖能量過低，從而造成焊接失敗。

脈沖頻率、平均焊點直徑和焊接速度必須相互匹配，才能達到所需的重疊度。一般來說，重疊度越大，焊縫表面越光滑，但焊接速度也相應降低。

1.3.4 焊接速度

焊接速度對熔池的影響較大，在一定的激光功率下，提高焊接速度，熱輸入能量密度下降，焊接熔池減少，但速度過低又會導致材料過度熔化、工件燒穿。所以對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在其中一定速度值時可獲得最大熔深。

1.3.5 保護氣體

激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，若某些材料焊接可不計較表面氧化時也可不考慮保護，但在大多數應用場合則常使用惰性氣體做保護，使工件在焊接過程中免受氧化。

密封薄壁件激光焊接的保護氣體采用氬氣，保護氣體流速的作用是保護熔池不被氧化，帶走熔池表面的氣霧以保護聚焦透鏡不被蒸發的氣霧污染。氣體流量過大或過小均不能得到滿意的焊縫，過大時熔池攪拌激烈，易產生氣孔等缺陷，并帶走大量的熱能；過小時不能起到對工件的保護效果。另外保護氣體的吹入方向對焊縫的形貌也起著重要的作用。

1.3.6 離焦量對焊接的影響

激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔，離開激光焦點的各平面上功率密度分布相對均勻。按照幾何光學理論，當正負離焦量相等時，取對應平面上功率密度近似相同，但是實際獲得的熔池形狀不同。在實際應用中，當要求熔池較大時，采用負離焦；焊接薄壁材料時，宜用正離焦。

1.4 參數的選擇

焊接工藝參數對薄壁件焊接的密封性有著密切的關系，不同的激光焊接設備有不同的關鍵工藝參數，在研究中確定了影響本設備焊縫成型的6個主要工藝參數，見表2。

表2 激光焊接工藝參數Tab.2 Process parameters of laser welding

2 試驗結果與性能分析

2.1 焊接外觀檢查

對焊件進行焊接后外觀檢查，見圖2。

圖2 密封片焊接外觀Fig.2 Welding appearance of sealing piece

用鑷子夾取酒精棉球將焊縫周圍擦干凈，在40倍工具顯微鏡下檢查焊縫質量。焊縫連續光滑，焊接位置正確，無斷點、虛焊等現象，焊接件無變形現象，解決了火工品薄壁件密封片的焊接問題，焊接結果符合產品設計的焊接外觀要求。

2.2 密封性檢測

用法國阿爾卡特生產的ASM181T型氦質譜檢漏儀對焊接后的薄壁密封組件進行密封效果無損檢測。取焊接件30件，每10個1組，分3組進行檢測，試驗結果見表3。

表3 氦質譜檢漏試驗結果Tab.3 Test result of helium leakage

表3中焊接件在0.1MPa壓力差試驗條件下進行檢測，產品合格率達到100%，滿足了火工品薄壁密封件焊接泄漏率的要求。

3 結論

將激光焊接應用于火工品生產領域，可有效地利用其優點，改變傳統的生產工藝方式，使火工品零部件的生產效率大幅提高，是值得推廣的焊接工藝方法。

（1）薄壁件焊接中激光參數是影響焊接質量的重要因素，在選定的工藝參數下得到的焊縫成形良好、無缺陷。

（2）采用激光焊接火工品薄壁零部件，其密封性能達到產品設計要求，獲得了良好、穩定的焊接質量。

（3）火工品薄壁件激光焊接屬于初步探索性研究，需要進行參數的進一步完善，以后可以在火工品零部件的組合焊接中推廣應用。

[1]閆青亮,韓國明,李建強,等.不銹鋼激光焊接工藝參數的優化[J].兵器材料科學與工程, 2006(9):68-71.

[2]趙穎,杜云峰.激光焊接在火工品生產工藝中的應用[J].火工品, 2008（增刊）:28-29.

[3]陳玉華,柯黎明,徐世龍,等.超薄不銹鋼片微激光焊接的焊縫成形[J].金屬熱處理, 2008,33(10):95-98.

[4]黃冬林,楊永強.超薄不銹鋼片激光焊接縫焊工藝[J].焊接技術, 2009,38(8):34-36.

[5]湯昱,鄒世坤,張曉兵,等.YAG脈沖激光焊接0.1mm不銹鋼帶[C]//中國北方焊接學術會議論文集.太原:中國機械工程學會,2000.

[6]關振中.激光加工工藝手冊[M].北京:中國計量出版社,1998.