激光焊在解決薄壁殼體焊接變形的應用研究

童時偉，王海云，魏貞閔，徐劼，姚春臣

(江南工業集團有限公司工藝技術研究所，湖南湘潭411100)

0 前言

激光焊技術是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊與傳統焊接技術相比，在焊接精度、效率、可靠性、自動化等方面都具有無可比擬的優越性［1－4］。近年來，隨著大功率、高性能激光加工設備的不斷研制成功，激光焊技術在日本、美國、英國等發達國家的汽車、能源、電子等工業領域得到快速發展，美國、俄羅斯等一直把激光焊制造技術作為具有高速度、高精度特點的重要零件的關鍵制造技術［5］。相對于國外成熟的技術而言，中國直到改革開放后才開始逐步接觸和了解激光技術，而到20世紀90年代末才開始將激光技術與傳統焊接應用相結合［6］。經過多年的發展，目前國內激光焊技術已涉及航空航天、船舶制造、醫用等多個領域［7－11］。

目前發動機殼體焊接方法為鎢極氬弧焊，安裝座焊接塌陷變形較大，為了滿足后續裝配要求，導致工藝需有意放大筒體內徑，焊接變形還直接影響到輥涂涂層的均勻性。為了控制焊接變形，提升核心制造能力，這就需要尋找更加先進的焊接制造技術。

利用激光焊技術，根據激光熱源、殼體材料特點制定焊接工藝流程與激光焊參數，在保證焊接質量的前提下，解決殼體焊接變形大的問題。

1 筒體焊接變形原理分析

1．1 產品結構組成

某產品殼體由筒體、安裝座組焊而成，安裝座與筒體為T形接頭，角焊縫熔焊部位為筒體外表面與安裝座熔焊邊，變形部位主要在筒體上，形式為塌陷。筒體、安裝座示意圖，如圖1所示。

1．2 筒體焊接變形原理

焊接變形的根本原因是焊縫不均勻加熱產生的熱應力與組織應力。與平面板條的焊接變形模式相比，筒體可以理解為無限個曲面疊加而成，每一個曲面受熱源影響都會產生不同程度的縱向收縮和橫向收縮，離熱源近的曲面收縮程度大，遠離熱源的曲面收縮程度小，不均勻的收縮與焊接應力產生的力矩偏離構件中心，使筒體繞度發生變化，反映在整體上即出現塌陷［12］。

圖1 殼體結構示意圖

1．3 筒體焊接結構與材料特性

筒體焊接結構與材料特性在很大程度上已經決定了焊接件的變形形式與變形量。結構方面，筒體為薄壁曲面結構，剛度低，抵抗變形的能力差，焊接應力易導致結構失穩出現變形;材料方面，筒體材料為D6AC奧氏體鋼，這種材料線膨脹系數大，接頭處不均勻膨脹產生的焊接應力大，焊接變形也隨之曾大。

1．4 筒體氬弧焊焊接變形特性

氬弧焊優點是性能穩定、焊接成形美觀;缺點是熱源不集中、熱輸入大、焊接熱效率較低、焊接速度慢，這些缺點在薄壁筒體的焊接上進一步增大了變形。熱源不集中導致筒體受熱區域面積大，塑性變形區域增大，整體塌陷區大;熱輸入大導致在筒體壁厚方向塑性變形區增大，筒體剛度降低，塌陷增大。

綜上所述，薄壁曲面筒體與安裝座的焊接由于其焊接結構與材料特性極易產生較大的變形，而現有焊接方法已不能滿足日益提高的產品要求，這就需要尋求更先進、更高效的焊接技術。

2 激光焊試驗

2．1 工藝流程

激光焊工藝流程為預熱→裝配→激光焊→后熱→去應力退火→檢驗。激光焊由于光斑小、熱量集中不適合進行點焊，而用采用氬弧焊點焊在點焊處的變形明顯增大，這就違背了減小變形的初衷，所以激光焊工藝在預熱、裝配后直接焊接。激光焊雖熱輸入小，可以不進行預熱、后熱，但殼體材料D6AC的碳當量高，焊后容易產生裂紋，為了保證焊接質量，仍需對產品進行預熱、后熱處理。

2．2 激光焊試驗方案

激光焊目前多用于小型精密件的焊接，在中、大型件上的應用實例較少，在發動機焊接領域沒有可參考、借鑒的工藝。筒體作為高壓薄壁容器，為了保證筒體強度，焊接過程要求盡可能少的傷及到筒體本體，焊接質量要求高;安裝座與筒體的焊接接頭屬于T形接頭，曲面筒體上的T形接頭由于激光焊的熱源特性與光斑特征是一個難點問題。安裝座尺寸較大，其上還要安裝翼片等重物，如何在保證安裝座焊接牢固的前提下，做到焊接變形小、焊縫成形美觀是該研究的核心問題。考慮到上述問題項目組進行了4次焊接試驗，通過采用不同的焊接方式、焊接參數，并對比焊接質量與變形情況確定激光焊方案。激光焊設備采用通用1000W－固體光纖激光焊機。

2．2．1 第一次試驗

激光光束與安裝座呈45°，光斑落在安裝座的熔焊邊與筒體上，通過熔化熔焊邊與筒體表面形成焊縫。焊接方式如圖2所示。由于激光光斑小，激光光束不能將熔焊邊全部熔化，焊縫寬度只能達到光斑直徑尺寸，筒體與安裝座結合的面積很小，焊接牢固度差。若在此基礎上提高激光功率，焊縫寬度無明顯增加，但由于激光的穿透力提高，在筒體內表面出現焊透的痕跡。焊接樣品焊縫形貌與宏觀斷口如圖3所示。根據試制結果，可見該焊接方式不適合筒體與安裝座的激光焊。

2．2．2 第二次試驗

根據第一次試驗結果，考慮對激光光束進行調整，增大激光光斑直徑，焊接方式改為激光光束垂直于安裝座熔焊邊上表面，利用激光的強穿透性，熔化熔焊邊與筒體，達到焊接的目的。焊接方式如圖4所示。這種方式焊接的安裝座十分牢固，結合力滿足要求，但由于筒體壁厚很薄，激光很容易穿透到筒體內表面，可以明顯在筒體內表面觀察到焊透的焊縫，這樣不僅加大了焊接變形，而且傷及了筒體本體，不能滿足產品要求的。在此基礎上調整激光焊參數，還是能在筒體內表面觀察到焊縫或熱變形。試制樣品焊縫形貌如圖5所示。根據試制結果，該方式仍不滿足筒體與安裝座的激光焊要求。

圖2 焊接方式示意圖

圖3 焊縫形貌與宏觀斷口

圖4 焊接方式示意圖

圖5 焊縫形貌

2．2．3 第三次試驗

分析前面兩次試驗結果，利用激光焊穿透性強、焊縫寬度窄的特點，銑去安裝座熔焊邊，以對接焊縫的形式進行焊接，焊接方式如圖6所示。激光光束垂直于安裝座側表面，光斑落在安裝座與筒體接觸點上，利用激光的強穿透性，在激光入射方向產生小孔效應，熔化筒體外表面與安裝座下表面，增大熔合面積，形成焊縫［13］。這種方式焊接的安裝座十分牢固，用小錘敲擊安裝座，斷裂處出現在筒體本體上;由于激光熱源集中，焊縫寬度小的特點，在筒體內表面觀察不到熱影響的痕跡;而由于采用對接焊方式，焊接熱輸入分布在筒體外表面及附近區域，相比于氬弧焊在筒體壁厚方向剛度提高，再結合激光焊熱輸入小的優勢，減小了焊接變形。試制樣品焊縫及焊縫截面形貌如圖7所示。根據試制結果，對接焊方式既滿足焊接牢固度要求，也滿足焊接變形要求。

圖6 焊接方式示意圖

2．2．4 第四次試驗

在第三次試驗的基礎上，調整激光焊參數，以焊接速度500 cm/min、激光功率800～900 W、激光頻率80 kHz的焊接參數進行產品試制，焊縫截面如圖8所示。

2．3 焊接質量檢驗

2．3．1 外觀檢驗

圖7 焊縫及截面形貌

圖8 焊接試樣及截面形貌

激光焊后的殼體試樣焊縫外觀無裂紋、氣孔、未融合等缺陷，焊縫成形美觀。對試樣進行磁粉探傷檢測，檢測結果合格。

2．3．2 焊接變形檢驗

用筒體內徑專用量具檢驗焊縫處的殼體塌陷變形尺寸。檢驗結果見表1。第四次試驗的安裝座激光焊變形在0．12 mm以下，變形量可通過激光功率與焊接速度的調節來控制。

表1 殼體焊接變形檢驗結果 mm

2．3．3 強度檢驗

激光對接D6AC鋼板3塊，激光焊參數:功率800～900 W、焊接速度500 cm/min，經退火、淬火、回火、打磨、線切割后制成6件拉伸試樣，對焊縫進行拉伸強度試驗，試驗結果見表2。工藝要求殼體熱處理后抗拉強度≥1 400 MPa，6件試樣抗拉強度全部滿足要求，激光應用于D6AC材料的焊接，其強度可以滿足工藝需要。

表2 試樣抗拉強度檢驗結果

2．3．4 焊接金相檢驗

線切割切取安裝座試樣，觀察焊縫截面形貌。焊縫截面金相，如圖9所示。根據焊縫截面可大致測量出焊接熔深量，在激光功率800～900 W、焊接速度300 cm/min的焊接參數下，熔深為2．8～3．0 mm;在激光功率800～900 W、焊接速度500 cm/min的焊接參數下，熔深為1．2～1．3 mm。激光焊焊縫其熱影響區很窄，寬度約0．2 mm，焊縫組織為鑄態組織有長大傾向，經熱處理后可消除。

圖9 焊縫截面形貌

3 結論

(1)激光焊技術在減小高強度鋼薄壁殼體焊接變形方面的具有明顯的優勢;在保證焊接接頭力學性能的前提下，最小變形量控制在0．12 mm以下。

(2)在保證焊接牢固的前提下，通過改變激光入射角度，解決了T形接頭的激光焊難題，進而保證焊接變形小、焊縫成形美觀。