1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板Nd：YAG脈沖激光焊焊接參數研究

陶萬勇 徐小明 王璐

摘? 要：針對1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板縫的脈沖激光焊接進行了研究。研究結果表明，焊縫熔深與激光功率呈線性關系;0離焦時適合1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板的激光焊接參數范圍為：脈寬2-10ms，功率0.5-2kW，在此參數范圍內焊縫無飛濺。當功率大于2kW時，可通過調節負離焦量控制焊縫飛濺。

關鍵詞：脈沖激光焊;不銹鋼;熔深

Abstract： The pulsed laser welding of 1Cr18Ni9Ti stainless steel sheet seam was studied. The results show that there is a linear relationship between weld penetration and laser power， and the range of laser welding parameters suitable for 1Cr18Ni9Ti stainless steel sheet at 0 negative focal shift is： pulse width 2-10ms， power 0.5-2kW， and there is no spatter in the range of these parameters. When the power is greater than 2kW， the weld spatter can be controlled by adjusting the negative focal shift.

引言

不銹鋼由于其良好的高溫抗氧化性、熱穩定性、易加工成形和優良的抗腐蝕性[1]，廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶等領域。在航空領域，尤其是航空發動機零部組件的制造中，常常需要焊接成形[2，3]，激光焊因具有高能密度、深穿透、高精度、變形量小等優點[4]，特別適用于薄板的焊接[5-8]。目前對薄板激光脈沖焊接的研究主要集中在接頭強度的比較，激光焊工藝參數對熔深、熔寬的影響研究較少，本文采用脈沖激光焊，針對2mm不銹鋼薄板，研究功率、脈寬等對焊縫質量的影響，以對后續的生產提供試驗和理論支撐。

1 試驗設備及材料

焊接試驗選用的是大族CFJH300激光焊機，具體參數如下：額定功率為2kW的Nd：YAG固體激光器，輸出波長為1.06μm的連續波激光，激光束由內徑為0.6mm的光纖傳輸，經焦距為200mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點半徑為0.3mm，同軸保護氣為Ar氣體。

試驗材料為100*20*2mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，本試驗主要研究激光功率和脈寬等參數對焊縫熔深的影響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，本文采用對接（如圖1所示）方式，試驗前將試驗件用酒精擦洗干凈，通過改變激光功率、脈寬、離焦等焊接參數的變化研究其對焊縫質量的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 激光功率、脈寬對焊縫質量的影響

圖2是脈寬為5ms時，功率的改變對1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板焊縫形貌的影響。從焊縫形貌可以看出，當激光功率較小時，試樣未焊透，焊接模式為熱導焊;隨著激光功率的增大，逐漸焊接模式轉變為深熔焊，當功率增加到一定水平，焊縫產生飛濺，飛濺量會隨著功率的增加而變多產生深熔深空殼。0離焦時，通過對功率范圍為0.5～5kW＼脈寬范圍為1～12ms內參數進行試驗，并觀察焊縫形貌，發現脈寬范圍在0～10ms范圍內，焊縫的熔深會隨著脈寬的增加而變大，當脈寬大于10ms后，熔深基本無變化，但脈寬為1ms時，焊縫基本呈現兩種形態：熱傳導半圓型或焊點無料型，由于其熔深遠小于熔寬，不合適焊接選用。從圖3中可以看出，當脈寬小于10ms時，焊縫熔深與激光功率呈正比，但試驗中發現當功率大于2kW時，焊縫會發生飛濺。本文認為0離焦時適合1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板的激光焊接參數為：脈寬2-10ms，功率0.5-2kW，在此參數范圍內焊縫無飛濺，可達最大熔深約為1500μm。

2.2 離焦量對焊縫質量的影響

為進一步研究離焦量對焊縫熔深的影響，試驗選取功率5kW、4kW、3kW、2.5kW、2kW;脈寬分別為8ms、4ms，對試驗件進行焊接，焊接過程中保持負離焦，且負離焦量逐步加大。試驗發現，負離焦時，脈寬對焊縫是否發生飛濺影響不大，功率對焊縫是否飛濺有顯著的影響，即負離焦時焊縫熔深的主要影響因素是激光功率，且焊縫熔深隨著功率的增加而變大。圖4是當功率大于2kW時，焊縫剛好無飛濺時功率與焊縫熔深的關系圖，從圖中可以看出，負離焦時隨著功率的增加，熔深呈線性增長。

試驗中發現，增加焊接功率，通過控制負離焦量，可實現焊縫大熔深且無飛濺，圖5是無飛濺時功率與負離焦量最小值的關系圖，通過擬合，得出焊縫無飛濺時，功率與最小離焦量的關系，其公式為：

I=（7.92P-14.166）1/2-1.086? ? ? ? ?（1）

式中，P為激光功率，單位為kW;I為離焦量，單位為mm。通過公式計算，當焊接功率大于1.94kW時，需要負離焦才能確保焊縫無飛濺。

3 結束語

（1）激光功率對焊縫熔深影響較大，焊縫熔深與激光功率呈線性關系。

（2）0離焦時適合1Cr18Ni9Ti不銹鋼的激光焊接參數為：脈寬2-10ms，功率0.5-2kW，在此參數范圍內焊縫無飛濺，可達最大熔深約為1500μm。

（3）當功率大于2kW時，可通過調節負離焦量控制焊縫飛濺，最小負離焦量與激光功率呈指數關系。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊，第2卷，材料的焊接[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]馬卓.先進焊接技術發展現狀與趨勢[J].科技創新與應用，2013（03）：122.

[3]張宏武.焊接技術在航空航天工業中的應用研究[J].科技創新與應用，2015（27）：133.

[4]陳彥賓.現代激光焊接技術[M].北京：科學出版社，2005：2-3.

[5]孫希慶，洪永昌，張武.DC04薄鋼板的脈沖激光焊接工藝研究[J].電焊機，2010，40（5）：130-134.

[6]馬廣義，吳東江，王占宏，等.脈沖激光焊接對超薄HastelloyC-276焊縫成形的影響[J].中國激光，2011，38（6）：1-5.

[7]李啟波，彭道橫.超薄不銹鋼微激光焊接工藝的研究及應用[J].現代焊接，2011（2）：38-41.

[8]羅小敏，任江偉.脈沖激光焊在薄板中的應用研究進展[J].熱加工工藝，2016，45（15）：6-9+14.