A3鋼薄板激光對(duì)接焊工藝研究

杜洋　趙凱　時(shí)云　郝云波　朱忠良　侍倩

摘要：針對(duì)A3鋼薄板進(jìn)行連續(xù)激光對(duì)接焊工藝實(shí)驗(yàn)，研究不同工藝參數(shù)對(duì)焊接成形質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著激光功率的增加，焊接接頭熔池寬度、深度及抗拉強(qiáng)度逐漸增加;隨著焊接速度的增加，接頭熔池寬度、深度降低及抗拉強(qiáng)度逐漸降低;離焦量對(duì)接頭形貌及拉伸性能影響較小;焊縫間隙小于等于50 μm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度基本保持不變，可實(shí)現(xiàn)有效焊接。

關(guān)鍵詞：激光對(duì)接焊;A3鋼;工藝參數(shù);焊縫間隙

中圖分類號(hào)：TG456.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）01-0075-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.13

0 前言

一些加熱面積較大的焊接方式容易導(dǎo)致薄板焊穿和變形，因此需要選用能量密度更為集中的焊接方式。激光焊接技術(shù)具有焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊接成形美觀、深寬比較高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，對(duì)于提高薄板的焊縫成形質(zhì)量有著積極作用。本文采用連續(xù)激光焊研究不同工藝參數(shù)對(duì)1.5 mm A3鋼薄板焊接成形件接頭形貌及力學(xué)性能的影響規(guī)律，并得出最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)材料為 A3鋼薄板，尺寸200 mm×50 mm×1.5 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)將2塊薄板在長(zhǎng)度方向上進(jìn)行對(duì)接。實(shí)驗(yàn)用設(shè)備為本單位自研的標(biāo)準(zhǔn)型千瓦級(jí)焊接設(shè)備（Kre-LW1000），采用美國(guó)IPG 型光纖連續(xù)激光器，激光波長(zhǎng)1 060 nm，光斑尺寸200 μm，最大輸出功率1 kW。焊接前使用丙酮擦拭試樣表面以去除油污，選用純度99.999%的氬氣作為保護(hù)氣體，氣流量為20 L/min。焊接過(guò)程中采用工裝夾具，防止薄板變形[4-5]，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，對(duì)接焊示意以及接頭形貌如圖2所示。

使用單因素分析法研究激光功率、焊接速度、離焦量以及焊縫間隙對(duì)接頭形貌及力學(xué)性能的影響，工藝實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。焊接結(jié)束后通過(guò)線切割切取焊接接頭，經(jīng)過(guò)研磨、拋光及腐蝕液（4%硝酸酒精）處理后，在倒置顯微鏡下觀察焊縫形貌，并使用萬(wàn)能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 激光功率的影響

不同激光功率下獲得的焊接接頭形貌如圖3所示。圖中黑線包絡(luò)部分表示在焊接過(guò)程中焊縫附近材料受熱熔化后凝固的組織，右上角小圖表示該工藝參數(shù)下的焊縫表面形貌。可以看出，當(dāng)激光功率較低（小于700 W）時(shí)，接頭部分存在部分縫隙，即未焊透情況。隨著激光功率的增大，焊縫上表面熔寬變化不大，下表面熔寬逐漸增大，熔深逐漸增高，當(dāng)激光功率為800 W時(shí)，熔深變化不再明顯，氣孔逐漸降低。同時(shí)觀察焊縫表面形貌發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率增加到一定程度時(shí)，接頭表面呈深棕色，這是因?yàn)榧す夤β蔬^(guò)大時(shí)容易造成焊接表面嚴(yán)重氧化，影響焊縫美觀。

對(duì)表1各實(shí)驗(yàn)條件下得到的焊接成形件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著激光功率的增加，激光對(duì)接焊成形件抗拉強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)功率為800 W時(shí)，上升速率不再明顯。綜上分析發(fā)現(xiàn)，激光功率對(duì)焊縫熔池形貌即成形件抗拉強(qiáng)度有著較為顯著的影響，因此確定合適的激光功率可以對(duì)激光對(duì)接焊成形質(zhì)量提供可靠保證。綜合考慮焊縫熔池形貌、表面形貌及拉伸強(qiáng)度等因素，選擇P=800 W為較優(yōu)的激光功率。

2.2 焊接速度的影響

在不同掃描速度下形成的焊接接頭形貌如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)其他焊接參數(shù)一定時(shí)，焊接速度對(duì)接頭形貌的影響較為顯著。隨著焊接速度的增大，焊縫上下表面的熔寬逐漸減小，熔深也隨之降低，且焊接速度增加到一定程度（40 mm/s）時(shí)，焊縫未能焊透，這是由于焊接速度過(guò)快，材料來(lái)不及吸收大量激光能量，導(dǎo)致單位時(shí)間能量密度較低，未能使焊縫下半部分熔化完全。同時(shí)根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，成形件抗拉強(qiáng)度隨著焊接速度的增大逐漸降低。結(jié)合焊接截面形貌、拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果及表面形貌等因素，選擇v=30 mm/s為較優(yōu)的焊接速度。

同時(shí)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)T1及T6發(fā)現(xiàn)，在單位能量密度相等的情況下，焊縫形貌及接頭抗拉強(qiáng)度也有所不同，這說(shuō)明焊接質(zhì)量不完全取決于單位能量密度（激光功率與焊接速度的比值）。進(jìn)一步觀察T1及T6焊縫接頭形貌發(fā)現(xiàn)，在T6實(shí)驗(yàn)情況下，焊縫熔池寬度和深度更小且形成的孔洞更大，說(shuō)明焊接速度對(duì)焊縫質(zhì)量影響更大。

2.3 離焦量的影響

不同離焦量下形成的接頭形貌如圖5所示。由圖5可知，離焦量在0～-2 mm范圍變化時(shí)，對(duì)熔池上下表面的寬度影響較小，但隨著離焦量絕對(duì)值的增加，熔池深度逐漸變長(zhǎng)。同時(shí)，由于離焦量能夠改變激光作用在焊縫表面的光斑大小，因此會(huì)影響焊縫表面的功率密度分布。當(dāng)離焦量絕對(duì)值為0時(shí)，表面接受的功率密度相對(duì)較大，導(dǎo)致焊縫表面呈深棕色，即氧化較為嚴(yán)重，同時(shí)容易產(chǎn)生飛濺，進(jìn)一步影響表面質(zhì)量。分析拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，離焦量對(duì)成形件的抗拉強(qiáng)度影響不大。

綜上可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，離焦量選擇-1 mm、

-2 mm更為合理。

2.4 焊縫間隙的影響

在焊接樣件裝夾過(guò)程中，樣件之間的焊縫間隙對(duì)焊縫形貌影響較大，進(jìn)而影響樣件的力學(xué)性能。不同焊縫間隙下接頭形貌如圖6所示。當(dāng)焊縫間隙較大時(shí)，熔池中間部分塌陷，熔寬及熔深呈逐漸降低趨勢(shì)，進(jìn)一步導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度顯著減小。當(dāng)焊縫間隙減至50 μm時(shí)，熔池塌陷狀況不明顯，同時(shí)結(jié)合接頭拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊縫間隙小于50 μm時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本保持不變，可實(shí)現(xiàn)有效焊接。

3 結(jié)論

（1）激光功率對(duì)焊縫成形影響顯著，隨著激光功率的增加，熔池上、下表面寬度均增加，結(jié)合面處寬度變化相對(duì)較小，接頭抗拉強(qiáng)度增加，但功率較大時(shí)表面氧化嚴(yán)重。

（2）焊接速度對(duì)焊縫成形質(zhì)量影響明顯，隨著焊接速度的增加，熔池上、下表面寬度降低。且單位能量密度相等時(shí)，焊接速度對(duì)焊縫質(zhì)量影響更大。

（3）熔透情況下，一定范圍內(nèi)離焦量的數(shù)值變化對(duì)焊縫成形質(zhì)量影響不明顯。

（4）激光對(duì)接焊成形時(shí)，容許一定的焊縫間隙。當(dāng)激光功率為800 W、焊接速度30 mm/s、離焦量-1 mm、焊縫間隙低于50 μm時(shí)，1.5 mm厚度A3鋼激光對(duì)接焊可實(shí)現(xiàn)有效焊接。

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