激光輔助TIG焊方法

張仁軍 ，管曉光，李寶磊

(1.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.黑龍江科技學院 材料學院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 前言

鎢極氬弧焊[1-2]是現代工業生產中廣泛采用的一種焊接方法，是高質量焊接方法的代表。但是該方法存在明顯的局限性，例如熔深淺、熔敷速度小、生產率較低，完成單道焊一次成型的板厚小（一般在3 mm以下），厚板時需要開坡口多道焊[3]等，這些缺點在不銹鋼焊接時更加突出。因此，長期以來，人們力圖研究和開發既能充分利用TIG焊優點，又能有效大幅提高焊接熔深的新型焊接方法和技術[4]。基于此，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 實驗方法和設備材料

1.1 實驗方法

本次試驗采用激光輔助TIG焊接法。先用極小功率激光在氧氣（純度99%）保護下熔化不銹鋼板表面，增加焊縫表面的氧含量，可通過調節氧氣流量和激光功率來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 實驗設備和材料

采用SUS304奧氏體不銹鋼，試件規格150mm×70 mm×10mm。奧氏體不銹鋼具有中等強度、塑性高、高溫性能和沖擊韌性好，無缺口敏感性，但不能熱處理強化。其焊接性較其他不銹鋼優良，焊接時無需特殊的工藝措施。不銹鋼SUS304的鋼材牌號為0Cr18Ni9，其化學成分和機械性能如表1和表2所示。

圖1 激光輔助TIG焊接實驗示意

表1 SUS304不銹鋼的化學成分 %

表2 SUS304不銹鋼的機械性能

本試驗使用的激光器為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，保護氣體為氬氣，同軸加氣，氣體流量6 L/min。實驗裝置如圖2所示。

圖2 CO2激光器工作平臺

焊接電源為唐山松下產晶閘管控制交直流脈沖TIG焊機WP300，電源具有恒電流外特性，高頻起弧。焊接平臺的速度采用直流電動機PWM調速電源進行控制。鎢極選用鈰鎢極，直徑3.2 mm。

2 實驗結果與分析

對SUS304不銹鋼進行激光處理的對比性試驗，從宏觀和微觀兩個方面對比經激光處理和未經激光處理的區別；然后通過調節氧氣流量、激光功率和激光焊接速度等參數完成實驗，并且通過金相觀察這些參數對熔深的影響得到一定的變化規律。

2.1 激光處理和未經激光處理對熔深的影響

針對是否經過激光處理做了三組實驗，實驗參數如表3所示。

表3 對比試驗參數表

圖3為參數1實驗的焊縫宏觀圖片（左側為激光處理區，右側為未處理區）。可以看出焊道在激光預處理區明顯變窄，表面成形良好。

圖3 焊縫的宏觀圖片（參數1）

圖4～圖6為以參數1、2、3為實驗的熔池形貌對比圖。由圖可知，在相同的焊接規范下，未經激光處理的焊縫熔深約4 mm，經激光處理后，熔深有所增加，最大可達6.5 mm，增加了2.5 mm。

2.2 氧氣流量對熔深的影響

針對氣體流量對熔池形貌的影響做了三組實驗，在激光功率P=500W，激光的移動速度v=80 mm/min，電流I=180 A，TIG焊機的移動速度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。不同參數下熔深如圖7所示。由圖7可知，當氧氣流量改變時熔深幾乎沒有變化，從而得出氧氣流量對改變激光輔助TIG焊的熔深影響不大。

2.3 激光功率對熔深的影響

通過四組參數來研究激光功率對焊縫熔深的影響規律，試驗中采用的激光功率分別為450W、350W、300 W、250 W。其他工藝參數為：v=80 mm/min，氧氣流量15 L/min，電流200 A。圖8為四組參數的焊縫熔深，由圖8可知，當激光功率增大時熔深相應增加，在一定范圍內呈線性變化。

圖4 參數1的焊縫熔深對比

圖5 參數2的焊縫熔深對比

圖6 參數3的焊縫熔深對比

圖7 不同氧氣流量下的熔池形貌

2.4 激光焊接速度對熔深的影響

受載物臺和激光器本身的限制，針對激光移動速度對熔池形貌的影響做了3組實驗，其參數如表4所示。

不同參數下熔池形貌如圖9所示。從圖9可以看出，在其他焊接參數不變的條件下，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，在一定范圍內呈線性關系。

2.5 實驗分析

圖8 不同功率下熔深示意

表4 焊接速度試驗參數

焊接熔深的大小主要由焊接時作用在工件上的線能量和熱輸入量的大小決定。當激光作用到工件表面時工件所受的線能量和熱輸入量都比單一TIG焊時大，因此焊接熔深增加；當激光功率增大時，作用在工件上的電弧力和電弧對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，熔深增加；激光移動速度增加時，焊接的線能量減小，熔深減小。

圖9 不同激光移動速度下的熔池形貌

3 結論

實驗了激光輔助TIG焊接法，以不銹鋼為對象，研究了激光功率、激光速度、氧氣流量對焊縫成形、熔深變化的影響。

（1）當激光功率大時，焊縫熔深隨著激光功率的增大而增加，在一定的范圍內呈線性關系。

（2）氧氣流量大小的變化幾乎不影響焊縫熔深的變化。

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

（4）經過激光處理的焊接件的熔深要比未經過激光處理的熔深更深。

[1]姜煥中.電弧焊及電渣焊[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]宋天虎.先進制造技術的發展與焊接技術的未來.第八次全國焊接會議論文集（第一冊）[M].北京：機械工業出版社，1997：17-27.

[3]張京海，魯曉聲，余 巍，等.鎢極氬弧焊用焊劑的發展與應用[J].焊接技術，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.