不銹鋼與鈦合金納秒激光焊接工藝研究

王麗，謝非

不銹鋼與鈦合金納秒激光焊接工藝研究

王麗1，謝非2

（1. 中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528404；2. 明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東 中山 528400）

針對(duì)不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接時(shí)，容易產(chǎn)生間化合物，導(dǎo)致焊點(diǎn)拉力低的現(xiàn)象，通過(guò)納秒激光焊接工藝來(lái)提高不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接的焊點(diǎn)拉力。采用納秒光纖激光器進(jìn)行304不銹鋼與TC4鈦合金的焊接實(shí)驗(yàn)，通過(guò)激光運(yùn)行螺旋線組成焊點(diǎn)，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到焊點(diǎn)拉力最大的工藝參數(shù)。當(dāng)激光功率為90 W，激光頻率為600 kHz，焊接速度為200 mm/s，螺旋線間距為0.04 mm，脈沖時(shí)間為10 ns時(shí)，得到焊點(diǎn)拉力最大，為29 N。采用納秒光纖激光器進(jìn)行不銹鋼與鈦合金的焊接時(shí)，由于激光與材料作用的時(shí)間極短，約為10 ns，熔池的溫度也相對(duì)較低，產(chǎn)生的間化合物來(lái)不及生長(zhǎng)，從而極大提高了焊點(diǎn)的拉力。

納秒激光器；不銹鋼；TC4鈦合金；激光焊接

TC4鈦合金具有較低的密度（4.43 g/cm3），是非常重要的輕質(zhì)合金，而且具有高比強(qiáng)度、良好的耐高溫性以及耐腐蝕性，在大多數(shù)酸、堿、鹽環(huán)境中不容易被腐蝕，被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車(chē)制造等領(lǐng)域[1—3]，但是TC4鈦合金的焊接和機(jī)械加工性能較差，而且制造成本較高，使其應(yīng)用受到了一定的限制[4]。304不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性、耐磨性，而且制造成本較低[5—7]，但是304不銹鋼在耐高溫及耐蝕性方面遠(yuǎn)不如鈦合金，而且密度（7.62 g/cm3）較大。

隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的使用性能以及成本控制方面均提出了更高的要求，需要采用鈦合金和不銹鋼材料組合形成結(jié)構(gòu)件，焊接是實(shí)現(xiàn)兩者之間組合的最佳方式。由于鈦合金和不銹鋼材料在物理性能以及化學(xué)成分之間差異較大，傳統(tǒng)的焊接，如氬弧焊、電子束焊、電阻焊均無(wú)法達(dá)到理想的焊接效果。激光焊接技術(shù)具有熱輸入少，焊接后變形小，焊接強(qiáng)度大，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)[8—15]的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用，但是激光焊接鈦合金/不銹鋼時(shí)，會(huì)在兩種材料之間形成間化合物，這種間化合物是脆性的，會(huì)降低焊縫的強(qiáng)度。一般采用在鈦合金/不銹鋼之間添加過(guò)渡層材料，來(lái)降低間化合物，提高焊縫強(qiáng)度，但是添加過(guò)渡層需要增加生產(chǎn)工序，增加生產(chǎn)成本。納秒激光器每個(gè)脈沖的出光時(shí)間很短，為ns級(jí)，與傳統(tǒng)光纖激光器（連續(xù)出光）以及Nd: YAG固體激光器（每個(gè)脈沖出光時(shí)間為ms級(jí)）有極大差異，在不銹鋼與鋁合金異種金屬焊接方面取得了較好的效果[16]。截至目前，未見(jiàn)有采用納秒激光對(duì)不銹鋼/鈦合金進(jìn)行焊接的報(bào)道出現(xiàn)。

文中采用納秒激光器對(duì)304不銹鋼和TC4鈦合金進(jìn)行搭接焊接，提高焊點(diǎn)的拉力，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備

采用的激光器為納秒光纖激光器，平均功率為100 W，脈沖頻率為25~1000 kHz，波長(zhǎng)為1064 nm，每個(gè)激光脈沖的出光時(shí)間為10~240 nm，激光束從激光器發(fā)出后，經(jīng)過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)聚焦鏡聚焦后，在激光焦點(diǎn)處的光斑直徑為0.04 mm，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.2 材料

材料為304不銹鋼，厚度為0.2 mm；TC4鈦合金，厚度為0.5 mm。將材料切割成尺寸為100 mm× 50 mm的板材，材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用304不銹鋼在上、TC4鈦合金在下的方式進(jìn)行搭接焊接，采用自制工裝夾具將待焊工件夾緊。

表1 304不銹鋼和TC4鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steal and TC4 Titanium alloy (mass fraction) %

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 方法

激光束在掃描振鏡的引導(dǎo)下，在平面運(yùn)行一個(gè)螺旋線圖形，設(shè)置螺旋圖形的直徑為1 mm，激光在產(chǎn)品上形成一個(gè)直徑為1 mm的圓點(diǎn)即激光焊點(diǎn)，螺旋線圖形如圖2a所示。納秒激光焊接時(shí)，激光能量是以脈沖的形式出光，激光束在運(yùn)行螺旋線圖形時(shí)，相當(dāng)于多個(gè)脈沖激光形成的點(diǎn)連接成為了螺旋線，如圖2b所示。由于激光頻率較高，達(dá)到kHz，焊接速度為100~200 mm/s，多個(gè)脈沖激光形成的點(diǎn)會(huì)在螺旋線圖形上進(jìn)行重疊，產(chǎn)生熱量堆積，溫度升高，使焊接區(qū)域材料熔化形成熔池，激光離開(kāi)后，熔池冷卻凝固形成焊縫。

圖2 焊接圖形

2.2 焊接預(yù)實(shí)驗(yàn)

納秒激光焊接的工藝參數(shù)較多，為節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間及樣品，首先進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。為獲得較大的功率密度，采用激光焦點(diǎn)作用在產(chǎn)品表面的方式進(jìn)行焊接，即離焦量設(shè)置為0。單個(gè)脈沖的出光時(shí)間最短為10 ns，脈沖時(shí)間太長(zhǎng)（超過(guò)200 ns）的情況下，熱影響較大，容易產(chǎn)生材料損傷，導(dǎo)致焊點(diǎn)拉力降低。激光在焦點(diǎn)處的光斑大小為0.04 mm，螺旋線間距越小，兩條螺旋線之間重疊越多，這樣熱量堆積越大，熱影響區(qū)域較大，熔深較大；兩條螺旋線之間的間距越大，兩條螺旋線之間幾乎無(wú)重疊，這樣熱量堆積較小，熱影響區(qū)域較小且熔深較小，設(shè)置螺旋線的間距分別為0.02，0.03，0.04，0.05，0.06 mm。焊接速度是指激光運(yùn)行螺旋線圖形的速度，焊接速度越快，熱量堆積越小，焊接速度越慢，熱量堆積越小。激光頻率為kHz級(jí)，頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)量越多，反之，頻率越低，單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量越低。為了達(dá)到焊點(diǎn)的拉力最大，對(duì)激光功率、激光頻率、焊接速度、螺旋線間距、脈沖時(shí)間這5個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，每個(gè)因素分別取5個(gè)水平參數(shù)，如表2所示。

2.3 正交試驗(yàn)及直觀分析

依據(jù)五因素五水平正交試驗(yàn)，共25組，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行拉力測(cè)試，當(dāng)激光功率為90 W，激光頻率為600 kHz，焊接速度為200 mm/s，螺旋線間距為0.04 mm，脈沖時(shí)間為10 ns時(shí)，焊點(diǎn)拉力達(dá)到最大的29 N，此時(shí)的工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。

表2 因素水平表

Tab.2 Factor level

表3 正交試驗(yàn)及結(jié)果

Tab.3 Analysis of orthogonal experiment

對(duì)正交試驗(yàn)的25組焊點(diǎn)拉力結(jié)果進(jìn)行直觀分析，因素A（激光功率）取水平1（60 W）的共5組，將這5組試驗(yàn)的拉力值進(jìn)行累加得統(tǒng)計(jì)量1，同理將各因素在各水平下的試驗(yàn)結(jié)果疊加，如表4所示，其中同一因素在不同水平下的值中最大與最小值之差為極差，值越大，表明該因素對(duì)焊點(diǎn)拉力指標(biāo)的影響越大；反之，值小表明該因素對(duì)焊點(diǎn)拉力指標(biāo)的影響小。從表4可知，對(duì)焊點(diǎn)拉力指標(biāo)的影響因素由主到次，依次為螺旋線間距、焊接速度、激光功率、脈沖時(shí)間以及激光頻率。

表4 正交試驗(yàn)直觀分析表

Tab.4 Visual analysis table of orthogonal test

2.4 納秒激光焊縫微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3a為304不銹鋼與TC4鈦合金在最佳工藝參數(shù)條件下的激光焊接焊縫區(qū)微觀組織，主要由塊狀的灰色區(qū)組成，通過(guò)EDS對(duì)焊縫中元素進(jìn)行分析，結(jié)果為含有44.21%的Fe，43.56%的Ti，6.98%的Ni，5.41%的Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），結(jié)合Ti-Fe二元相圖分析，焊縫中組織主要由Ti和Fe相組成，沒(méi)有間化合物TiFe2存在。熔池的最高溫度和冷卻速率決定了焊縫中金屬間化合物的生長(zhǎng)速度以及寬度[17]，熔池的溫度越高以及冷卻速率越大，產(chǎn)生間化合物的速度及寬度將越大。納秒激光焊接過(guò)程中，激光脈沖時(shí)間為10 ns，激光與材料作用的時(shí)間很短，熔池的溫度相對(duì)較低，產(chǎn)生的間化合物來(lái)不及生長(zhǎng)，納秒激光焊接也可稱(chēng)為“低溫焊接”。另外，由于采用的是脈沖激光持續(xù)運(yùn)行軌跡（螺旋線），如圖3b所示，當(dāng)激光到達(dá)出光位置B時(shí)，會(huì)對(duì)后面的熔池A區(qū)域，進(jìn)行持續(xù)的傳輸熱量，起到對(duì)熔池A區(qū)域進(jìn)行保溫的作用，這樣熔池的冷卻速率大幅降低，將抑制間化合物的生長(zhǎng)。間化合物的減少，將有利于提高焊點(diǎn)的拉力。

圖3 焊點(diǎn)焊縫的微觀結(jié)構(gòu)及激光加熱示意

3 結(jié)論

采用納秒激光器對(duì)304不銹鋼與TC4鈦合金進(jìn)行焊接形成焊點(diǎn)，通過(guò)正交優(yōu)化試驗(yàn)，焊點(diǎn)拉力達(dá)到最大的29 N，焊點(diǎn)拉力直觀分析結(jié)果表明，影響焊點(diǎn)拉力的因素由主到次，依次為螺旋線間距、焊接速度、激光功率、脈沖時(shí)間以及激光頻率。

焊縫微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，由于激光脈沖時(shí)間為10 ns，激光與材料作用的時(shí)間很短，熔池的溫度相對(duì)較低，有利于抑制間化合物的生長(zhǎng)，進(jìn)而提高焊點(diǎn)的拉力。

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Technical Study on Nanosecond Laser Welding of Stainless Steel and Titanium Alloy

WANG Li1, XIE Fei2

(1. Zhongshan Polytechnic, Zhongshan 528404, China; 2. Mingyang Smart Energy Group Co., Ltd.,Zhongshan 528400, China)

During stainless steel and titanium alloy dissimilar metal welds, it was easy to produce inter-compound, resulting in low solder joint tension. This paper aims to improve the tension of the welding spot.The welding experiment of 304 stainless steel and TC4 titanium alloy was carried out using nanosecond laser. The welding spot was composed of laser running helix. Through orthogonal experiment on the process parameters, the maximum welding force was obtained.When the laser power was 90 W, the laser frequency was 600 kHz, the welding speed was 200 mm/s, the helix spacing was 0.04 mm, and the pulse time was 10 ns, the maximum solder joint tension was 29 N. When stainless steel and titanium alloy were welded using nanosecond fiber laser, the time of laser and material action was very short, which was 10 ns, the temperature of the molten pool was relatively low, and the produced inter-compound was too late to grow, which can greatly improve the tension of the weld spot.

nanosecond laser; stainless steel; TC4 titanium alloy; laser scanning

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.022

TG456.7

A

1674-6457(2021)04-0149-05

2021-02-25

中山市2020年省科技專(zhuān)項(xiàng)資金（2020sdr004）

王麗（1983—），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槔砘瘻y(cè)試與質(zhì)檢技術(shù)、焊接技術(shù)及自動(dòng)化。