薄板激光脈沖焊接工藝現狀

王賽文，張可杰，胡特菁，陳俊揚

（嘉興職業技術學院，浙江 嘉興 314036）

激光脈沖焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優點，已成功應用薄板、于微、小型零件的精密焊接中。

1 焊接方式

激光焊接機工作區由三部分組成：焊接主機、激光器、交換式工作臺如圖1所示。現有的激光焊接方式有兩種疊焊和角焊，兩種方式在焊接工藝，焊接形式和焊道上有著很大的區別。

圖1 激光焊接機內部結構圖

1.1 疊焊

疊焊的焊接方式是將上下兩塊母材進行焊接，根據焊接的能量比不同焊縫的形態也隨之改變，如圖2所示。疊焊的優勢在于能量密度高，焊縫深度比大，焊接質量高等優點，在實際生產中成為一種重要的焊接手段，但疊焊技術應用于薄板焊接上會經常出現幾個問題，因焊接能量過高、過低而出現的焊穿、弧坑和未焊透現象。因焊接材料問題會出現焊縫內出現焊渣與氣泡現象。由于薄板的厚度不會超過5 mm。出現以上問題都將導致殘次品的增加，為解決此類問題需要針對焊接工藝和焊接功率進行深入研究。

圖2 焊縫形態變化示意圖

盧兵兵、董梁針對超薄工業純鈦合金激光疊焊工藝進行了研究。對超薄TA1鈦合金板材開展激光焊接工藝試驗，通過合理的選擇焊接工藝參數可以避免焊穿等缺陷。

張威等人測試了不同功率下的焊縫斷面的形貌。對于薄板來說，需要考慮的問題是焊縫區隨著焊接的功率增大，焊接位置會發生時效現象。在對于兩個不同材料薄板的焊接時可能會出現斷裂。這是現階段疊焊接對于薄板焊接的問題所在。

1.2 角焊

角焊是將以大于等于1角度的形式焊接起來的兩塊零件，也就是通過激光把連接處融化粘結在一起。優勢在于兩塊零件可以以任意角度進行安裝，壞處是角度會影響焊接時飛濺的程度。張曉磊研究了各焊接參數對角焊縫宏觀形貌和截面硬度分布的影響規律，結果表明：激光功率的提高可以顯著改善焊接質量，此外，焊縫主體截面母材硬度分析角焊會出現飛濺現象，會對焊接位置的硬度有影響。

2 母材

母材是焊接過程中的被焊接材料。各種材料對激光焊接的反應也不同，這里主要講述薄板激光焊接的常用材料：不銹鋼板和鈦板。

2.1 不銹鋼母材

不銹鋼板激光焊接不銹鋼的特性是不銹和耐腐蝕。且其鉻含量至少為10.5%碳含量最大不超過1.2%的鋼。由于不銹鋼薄板的厚度較薄，所以在加工過程中會出現氣化現象。

賀東偉在對一個厚度0.1 mm的超薄新型不銹鋼微晶體激光元件進行脈沖焊接并探討了工藝參數對焊接接頭微觀形貌及顯微組織的影響。根據前期預實驗結果，影響微激光焊接頭抗拉力的主要因素有脈沖功率百分比(P)、脈沖頻率(f)、脈沖寬度(T)和脈沖能量(E)。得出的結果是在一定的脈沖用量的情況下，會獲得最佳的工藝參數。如下圖3所示。

圖3 不銹鋼焊接數據表

2.2 鈦板母材

鈦是一種金屬化學元素，化學符號Ti，原子序數22，在化學元素周期表中位于第四周期、第IVB族。是一種銀白色的過渡金屬，其特征為重量輕、強度高、具金屬光澤，耐濕氯氣腐蝕。但鈦不能應用于干氯氣中，即使是溫度0 ℃以下的干氯氣，也會發生劇烈的化學反應，生成四氯化鈦，再分解生成二氯化鈦。表1是鈦的力學性能。

表1 鈦的力學性能

工業純化的鈦因其優異的導熱耐腐蝕性廣泛應用于浸在海水中的環境中，在實際工業生產中，純鈦的加工焊接多數是采用鋼的TIG焊，但焊接工藝上速度較慢會對生產速度產生較大的影響。對0.9 mm的鈦板材料進行正交激光工藝焊接實驗研究，激光管的前傾焊接入光反射比后傾焊接入光反射要小更容易直接實現激光熔融穿透。

3 板厚

板厚是板材軋后的厚度，由于薄板的厚度大概率不超過5 mm所以需要考慮在各個板厚下薄板激光焊接會出現的各種情況。

3.1 0.5 mm薄板

0.5 mm薄板焊接會出現工件未焊透與穿透現象見圖4，所以為了使工件避免出現這類事故的發生，一般會先進行焊接測試，如未達到所需要求，進行加減焊接工藝。

圖4 激光焊接工件氣孔傾向對比（左圖為焊透右圖為未焊透）

王東亮等人針對0.5 mm純度釩鈦材料薄板的激光電弧間距輔助高速激光電弧焊高速激電焊接，研究了激光熱源電弧間距和不同熱源之間相對溫度位置對高速激光熱源電弧的熱耦合、熔池耦應形態的直接影響，利用高速光學攝影對激光電弧耦合形態和激光熔池耦合形狀關系進行影像分析，探索不同激光熱源電弧間距和不同熱源之間相對溫度位置對純鈦薄板高速激光焊接加工過程中熱穩定性的直接影響及其規律。結果表明，兩種熱源相對位置(Laser Leading，LL和Arc leading，AL)模式下，隨著熱源間距的減小，TIG電弧面積均會有所增加；在AL狀態下，電弧起預熱作用，LL狀態下，當熱源間距減小到6 mm時，激光和TIG電弧共同作用形成共熔池現象；LL狀態下的TIG電弧面積標準差更小，LL狀態的焊接過程穩定性優于AL狀態。

3.2 0.1～0.4 mm薄板

當薄板厚度達到了0.4～0.4 mm時，一般的焊接已經無法進行正常焊接了，需要使用人工無縫焊接，而這種焊接需要考慮無縫焊接的厚度，從各個方面對工件的影響比如材料、焊接介質、焊接溫度等等。張穎云為了深入研究人工激光無縫焊接厚度參數對各種鈦合金材料焊縫的焊接影響，對焊接厚度0.1 mm的材料tc4鈦合金焊縫板材可以進行人工光纖焊接激光無縫焊接。正交焊接試驗研究結果表明：水平激光焊接功率水平對抗拉反應強度的直接影響較大；而對于延伸率，相較于水平激光焊接功率，離子聚焦量和激光焊接反應速度對延伸率的直接影響均與水平相當。

4 總結

文章以薄板激光焊接技術的各項工藝與技術闡述了這項技術的現狀，從三個方面進行了分析。分別是焊接方式，母材，板厚三個方面。

（1）焊接方式：使用疊焊的方式，焊縫光滑且表面成型良好，如果出現激光功率過大的情況，會出現焊穿、斷裂的情況。將功率調整至最佳狀態。焊接出現斷裂的情況會降低。使用角焊的方式，焊縫的質量會提升，會出現飛濺現象。

（2）母材：不銹鋼板的特性是不銹與耐腐蝕，可塑性強。鈦板屬于特殊稀有金屬，其特性為重量輕、強度高、耐濕耐腐蝕。對兩種不同母材要注意保護氣體的選擇。同時由于兩種材料導熱性能不一，要注意焊接功率的選擇。

（3）板厚：薄板激光焊接的厚度會影響焊接工藝，板厚為0.5 mm的薄板在激光焊接的過程中會形成共熔池現象。板厚為0.1～0.4 mm的薄板在激光焊接的過程中會出現為完成焊接卻出現焊透現象。