不銹鋼薄板T形接頭激光穿透焊工藝

魏代斌，叢發敏，侍鵬，夏春智,

(1.日照鋼鐵控股集團有限公司,山東 日照 276500；2.江蘇科技大學,江蘇 鎮江 212100)

0 前言

近年來，在節能減排，可持續發展的背景下，越來越多的結構設計向著輕量化發展。金屬三明治板具有強度高、重量輕、剛度大、吸收能量大等特點被越來越多的國家重視，并廣泛應用于橋梁，航天、船舶等行業[1]。T形接頭作為其中的重要連接形式，傳統的角焊接已經不能滿足輕量化需求。激光焊具有能量密度高、焊接速度快、加熱冷卻速度快及激光作用位置易控制等特點[2]，用激光穿透焊實現T形接頭的焊接，可以得到強度高、變形小的高質量焊接接頭[3-4]。激光焊中影響焊縫成形的主要工藝參數有焊接功率、離焦量、焊接速度及保護氣體等[5]。

楊橄生等人[6]采用激光穿透焊焊接船用鋼907A T形接頭，發現焊接速度和離焦量一定時，焊縫寬度和深度隨激光功率的提高而增大，力學性能主要取決于搭接處的焊縫寬度。陳永等人[7]對激光焊接的T形接頭進行彎曲剪切試驗，發現T形接頭彎曲載荷和剪切載荷隨著連接處寬度的增加而增大。郭曉軍等人[8]對不同參數下的低合金高強鋼激光穿透焊進行研究，發現焊接熱輸入略高于2.4 kJ/cm時，熔深和搭接處寬度較合適。文中針對304不銹鋼薄板的激光穿透焊工藝，研究了焊接功率和離焦量對T形接頭成形的影響。

1 焊接材料及方法

試驗材料為304不銹鋼，其化學成分見表1，規格為100 mm×100 mm×1.8 mm(面板)和100 mm×40 mm×2.6 mm(芯板)。

表1 304化學成分(質量分數，%)

利用YSL-6000光纖激光發生器進行激光焊接，其輸出功率最高可達6 kW。具體焊接工藝參數見表2，其中1～3號只改變激光功率，4～14號改變離焦量，保護氣體采用純氬氣，氣體流量為20 L/min，具體裝配圖如圖1所示。焊接前用丙酮擦拭試板表面，清除污染物。

表2 焊接工藝參數

圖1 T形接頭激光穿透焊示意圖

T形接頭的特征尺寸和硬度打點位置如圖2所示，包括熔深、熔寬、間隙及搭接處的焊縫寬度，其中線①，②，③為顯微硬度測試線，位置分別為面板以下0.3 mm，面板和芯板搭接處和焊接接頭中間。

圖2 T形接頭特征尺寸和顯微硬度測試位置

2 結果與分析

2.1 激光功率對焊縫成形的影響

激光焊縫形貌如圖3所示，不同激光功率下焊縫成形良好，2.5 kW時焊縫表面較光滑。利用3D顯微鏡拍攝T形接頭特征尺寸，可以得到T形接頭截面尺寸隨激光功率的變化情況，如圖4所示。

圖3 焊縫外觀

在焊接速度和離焦量一定的情況下，焊接熱輸入和激光功率呈正相關，隨著激光功率的增大，焊接熱輸入增加，從而焊縫熔深、熔寬都增大。由圖4可知，隨著激光功率的增加，熔寬和搭接處焊縫寬度逐漸增加，熔深在激光功率由2.5 kW增加到4.0 kW時，增大較小，激光功率增大到5.0 kW時，增長幅度較大。在激光功率為5.0 kW時，發生嚴重飛濺，綜合考慮在功率為4.0 kW時，焊縫成形最佳。

圖4 T形接頭截面尺寸隨激光功率的變化情況

2.2 離焦量對焊縫成形的影響

離焦量為激光焊接時激光的焦點距離焊件表面的距離，焦點位置激光能量最為集中，密度低。規定焦點位置在工件表面以下為負離焦，工件表面以上為正離焦，有研究表明與正離焦相比，負離焦更易獲得較大的熔深[9]，而正離焦能獲得較大的寬深比[10]。

圖5為激光功率為5.0 kW時，T形接頭截面尺寸隨離焦量的變化規律，由圖5可知，隨著離焦量由負到正，T形接頭的熔寬逐漸增大，在離焦量為10 mm時，達到3.37 mm；熔深和搭接處焊縫寬度呈現出先增大后減小的趨勢，在離焦量為-2 mm時最大，分別為5.46 mm和1.37 mm。T形接頭的力學性能主要取決于搭接處焊縫寬度，搭接處寬度越大，面板和芯板接合面越大，力學性能越好[11]。但是離焦量為-2 mm時，焊縫熔深較大，增大了熔合區面積，為了保證芯板的性能，所以要考慮增大離焦量，獲得較小的熔深。綜合考慮，離焦量為0 mm時，效果最好。

圖5 T形接頭截面尺寸隨離焦量的變化規律

2.3 接頭顯微組織和顯微硬度

2.3.1接頭顯微組織

圖6為激光功率為4.0 kW，離焦量為-2 mm時T形接頭截面形貌，圖7為不同區域的顯微組織。圖7a和圖7c分別為面板和芯板焊縫區顯微組織，可以看出有明顯方向性的柱狀晶，基體為奧氏體，在奧氏體的枝晶間分布著網狀和枝晶狀的δ鐵素體。圖7b和圖7d分別為面板和芯板熔合區顯微組織，圖7b的左部和圖7d的右部為焊縫組織，與焊縫組織相連的熱影響區組織為粗大奧氏體晶粒，分和灰色條狀的δ鐵素體。

圖6 2號T形接頭截面形貌

選擇激光功率不同的1號和3號T形接頭，對其焊縫區顯微組織進行分析對比，如圖8所示。對比圖7c、圖8a和圖8b，發現隨著激光功率的增大，熱輸入增加，熱循環高溫停留時間增長，形成的奧氏體柱狀晶變粗大。

圖7 2號T形接頭顯微組織

圖8 不同激光功率的T形焊縫顯微組織

2.3.2接頭顯微硬度

按照圖2所示對T形接頭進行顯微硬度測試，①和②間距為0.2 mm，③間距為0.3 mm，載荷為200 g，保載時間為15 s。

圖9所示為激光不同功率及不同離焦量下3條顯微硬度測試路徑對比，1～3號是不同激光功率對比，3號、6號和13號是不同離焦量對比。

圖9a為橫向路徑①顯微硬度，由圖9a可知，焊縫區的硬度都略低于母材硬度，對比1～3號發現當激光功率為5.0 kW時，焊縫區平均硬度最低為189.4 HV，且焊縫區顯微硬度較穩定，這是由于激光功率增加使熱輸入增加，高溫停留時間增加，焊縫組織粗化，導致硬度降低。對比3號、6號和13號發現當離焦量為正時，顯微硬度較大，達到199.5 HV。圖9b為橫向路徑②顯微硬度，可以發現搭接處的顯微硬度波動比較大，邊緣部分硬度較高，這是因為面板和芯板之間存在小間隙，散熱不均勻。圖9c為3號試樣縱向路徑③顯微硬度，可以發現面板區和芯板區顯微硬度差距不明顯，在母材時略高，與圖9a規律相符。

圖9 T形接頭顯微硬度

3 結論

(1)對不銹鋼T形接頭進行激光焊接時，焊接接頭的熔深、熔寬及搭接處焊縫寬度隨激光功率的增加而增大，且熔深增長幅度較大。

(2)搭接處焊縫寬度隨離焦量由負到正，先增大后減小，在離焦量為-2 mm時達到最大，但是此時寬深比較小，綜合考慮離焦量為0 mm時焊縫成形最好。

(3)焊縫組織為奧氏體柱狀晶和δ鐵素體，熱影響區組織為粗大奧氏體基體上分布著呈條狀的δ鐵素體。焊縫區顯微硬度略低于母材，差距不大，激光功率增加時，焊縫區硬度降低；搭接處焊縫硬度波動較大。