1Cr18Ni9Ti脈沖激光焊接工藝研究

田英超，張祎玲，曹 明

（1.上海交通大學，上海 200240；2.上海空間推進研究所，上海201112）

0 引言

奧氏體不銹鋼具有優秀的耐蝕性、綜合力學性能良好，廣泛應用于航天航空、化工、石油等領域[1-2]。激光與傳統光源相比，具有方向性好、高亮度、單色性強、相干性好等特點[3]，在航天航空、微電子、醫療及核工業領域應用廣泛，其焊縫特點是焊縫寬度窄、焊接變形小、焊接速度快、能量控制性好、受磁場影響小、焊縫表面光滑、工藝重復性好、能實現無接觸精密焊接[4]，在焊接閥門殼體類產品方面有較大優勢。

1 閥門殼體焊接的設計要求

某型號推進系統用閥門為單線圈常閉式閥門，該閥門殼體材料為1Cr18Ni9Ti，由于閥門殼體焊縫熔深要求較小，并有很高的密封要求，因此采用激光熱導焊方式焊接。閥門焊縫設計要求見表1，殼體焊縫接頭結構見圖1。

表1 閥門殼體激光焊縫設計要求Tab.1 Design requirements of laser welding joint for valve shell

圖1 閥門產品局部簡化示意圖Fig.1 Local simplified schematic diagram of valve

2 激光焊接設備與材料

激光焊接設備為YAG固體脈沖激光焊機，激光焊機主要技術參數見表2。被焊材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，材料狀態為1 100℃左右固溶處理態，化學成分見表3。

表2 ML2350A激光焊機主要技術參數Tab.2 Main technical parameters of ML2350A laser welding machine

表3 1Cr18Ni9Ti中化學成分含量質量百分比Tab.3 Quality percentage of chemical components in 1Cr18Ni9Ti %

3 激光焊接機理

激光焊接的原理是：激光束轟擊金屬表面形成蒸汽，金屬蒸汽可防止剩余能量被金屬反射掉，材料在吸收激光能量后，經過一定過程轉化為熱能，這些熱能使金屬熔化，冷卻后形成焊縫[3]。激光焊接有兩種焊接模式：深熔焊(DPW)和熱導焊(HCW)[6-8]。脈沖激光焊接主要工藝參數有：離焦量、焊點重疊率、峰值功率和脈沖寬度等。這些參數均與焊縫熔深有關，下面從理論方面逐一進行分析。

3.1 離焦量與熔深的關系

由公式（1）可知，作用于工件表面的激光功率密度除了與脈沖能量和脈沖寬度有關外，還受光斑直徑的影響，而光斑直徑與離焦量（工件表面與焦平面的相對位置）有關，當焦平面位于工作表面之上時為正離焦，反之為負離焦[9]。

式中：Pd為光斑的功率密度，W/cm2；E為脈沖能量，J；d為光斑直徑，cm；τ為脈沖寬度，s。

圖2是離焦量與焊縫熔深之間的關系曲線圖。由圖2可見，當離焦量為-0.2時，熔深最大；離焦量為+0.2時，熔深最小。這是由于當最大功率密度位于金屬內部時，激光局部加熱的程度最強，從而可使更多的金屬熔化和氣化，使得激光能量更容易向工件深處傳遞；同時液態金屬比固態金屬更容易吸收激光能量。

圖2 離焦量與焊縫熔深的關系曲線（5 ms）Fig.2 Defocusing amount versus weldpenetration(5 ms)

3.2 焊點重疊率與熔深的關系

閥門殼體激光焊機采用脈沖方式進行環縫焊接，在離焦量確定后，焊接速度與脈沖頻率、焊點重合率滿足公式（2）所示的關系[5]。

式中：v為焊接速度，cm/s；d為焊點直徑，cm；f為脈沖頻率，Hz；K為焊點重疊率。

焊點重疊率是影響焊縫熔深均勻性的主要參數，焊點重疊率決定相鄰兩焊點中心的間距，焊點中間間距過大會導致焊縫在縱向上呈鋸齒狀，焊縫熔深不均勻；焊點中間間距過小，會降低接頭性能和焊接生產效率。

圖3是焊點重疊率與焊縫熔深之間關系曲線圖，由圖可知：隨著焊點重疊率增大，單位時間輸入的熱量也隨之增大，焊縫熔深更均勻，但進一步提高焊點重疊率并不能明顯提高焊縫均勻性。

圖3 焊點重疊率與熔深關系曲線（3 kW,5 ms,4 Hz）Fig.3 Overlap rate versus weld penetration(3 kW,5 ms,4 Hz)

3.3 峰值功率與熔深的關系

峰值功率是激光焊接的關鍵參數，峰值功率與焊縫熔深的關系曲線見圖4。由圖可見，焊縫熔深隨峰值功率升高而增加，而且上升趨勢明顯。峰值功率較低時，工件表面溫度達到沸點需要歷經數毫秒，在表面氣化之前，焊縫處的金屬溫度降到熔點以下，熱能才能有效地傳遞到金屬內部，容易得到成形良好的焊縫，但焊縫熔深較淺；峰值功率較高時，激光使表層金屬立即被加熱至沸點，產生大量金屬蒸氣，來不及散失，且此時工件表面凸凹不平，影響工件對激光能量的吸收，在焊縫內部可形成孔穴，且容易引起飛濺。

圖4 峰值功率與熔深關系曲線（5 ms,4 Hz）Fig.4 Peak power versus weld penetration(5 ms,4 Hz)

3.4 脈沖寬度與熔深的關系

圖5 是脈沖寬度與焊縫熔深之間的關系曲線圖。由圖可見，隨著脈沖寬度增加，熔深不斷增大。由于不銹鋼材料液態比固態更易吸收激光能量，脈沖時間很短或者功率太小時，金屬在下一個脈沖達到之前已經變成固態，因此焊縫熔深較小；而脈沖時間很長或者峰值功率很大時，表層熔化金屬停留時間較長，吸收激光能量的能力得到提高，熔深增加趨勢也更加明顯，因此峰值功率越大，熔深隨脈沖寬度增加而增大。

圖5 脈沖寬度與熔深的關系曲線（4 Hz）Fig.5 Pulse width versus weld penetration(4 Hz)

4 閥門殼體激光焊接工藝及產品試驗結果

由以上分析可知，激光焊接離焦量對焊縫熔深影響較大，負離焦量可以有效增加焊縫熔深，因此離焦量定為-0.2 mm。

焊點重疊率與焊縫熔深有效性有關，重疊率過小，焊縫熔深波動大，有效熔深小，嚴重時可能導致閥門外漏；重疊率過大，焊縫金屬蒸汽揮發嚴重，可能導致焊縫性能下降[10]，焊縫熔深一致性并不能顯著提高，且焊接效率較低。綜合以上各種因素分析，選擇最佳焊點重疊率為75%，根據公式（2），可計算出焊接速度為48 mm/min。

峰值功率對焊縫熔深的影響較為明顯，隨著峰值功率的增加焊縫熔深迅速增加，但峰值功率達到3.5 kW，焊接過程中會出現金屬飛濺，在焊縫內部可形成孔穴，從而影響焊縫氣密性，所以峰值功率一般選擇不大于3.5 kW。

脈沖寬度對焊縫熔深影響相對峰值功率小，脈沖時間長，可以保證焊縫表面光滑，脈沖時間過長，將會提高單點輸出能量值，降低了脈沖頻率，從而影響了焊接效率，因此一般選擇脈沖寬度不超過6 ms。由此可得，閥門殼體激光焊接最佳工藝參數如下。

1） 離焦量：-0.2 mm；

2） 脈沖頻率：f＝4 Hz；

3） 峰值功率：P＝3 kW；

4） 脈沖寬度：τ＝5～6 ms；

5） 焊接速度：v＝48 mm/min。

某閥門組件殼體激光焊接工藝流程見圖6。

圖6 某型號閥門激光焊工藝流程圖Fig.6 Process flow of laser welding for a valve

采用最佳工藝規范焊接的閥門，其試驗結果見表4。

表4 閥門產品試驗結果Tab.4 Test results of the valve

由表4可見，閥門所有檢查項目均滿足設計要求。

5 結論

1） 熔深0.5±0.1 mm的閥門殼體激光焊接，優選工藝參數為離焦量-0.2 mm，f＝4 Hz，P＝3 kW，τ＝5～6 ms，v＝48 mm/min。

2）采用最佳的激光焊接工藝規范，焊接的閥門產品已多次經過飛行考核，該項工藝技術滿足類似結構不銹鋼組件產品的焊接要求。

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