钽材激光焊接工艺试验研究

李格妮

摘 要：采用激光焊对钽材零件的焊接进行试验研究，选用正交试验设计方案并通过极差分析确定功率、焊接速度、离焦量三个影响因素对焊缝熔深的影响，试验完成后对接头进行微观金相检测。试验结果表明，采用激光焊可以解决钽材的焊接，并且获得了高质量高可靠的焊接接头。

关键词：钽；激光焊；正交试验；焊接参数

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.008

0 引言

激光焊利用激光束优异的方向性和高功率密度等特点进行工作，通过光学系统将激光束聚焦在一个很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使待焊件熔化并形成牢固的焊点和焊缝。激光焊接具有能量密度高热输入小，焊缝和热影响区窄，焊接质量高，焊接精度高、效率快等优点。

钽熔点高达2996℃，耐磨损抗腐蚀，是重要的功能材料，在航空航天、电子行业、能源行业、医疗器械等领域都有广泛的应用；在高温下极易氧化，形成固溶体、金属间化合物，导致强度、硬度增大而塑性、韧性下降，易出现晶粒粗大，形成气孔及裂纹，对焊接造成了极大的困难；钽的热导率高，焊接需要的耗能偏大，但是焊接热输入偏大时易引起晶粒粗大；焊接热输入偏小时熔池熔化不良，因此，钽的焊接必须选择合适的焊接热输入以保证焊缝质量。此外，由于零件待焊部位厚度薄，焊接过程容易出现焊穿、钽材熔化量过大导致变形，而且焊后需要保持直角，并且要求两零件保持同轴。为了获得满足熔深要求，熱影响区和晶粒度较小的焊接接头，根据零件尺寸、结构特点以及焊接要求，本文采用高能束的激光焊对钽材零件进行焊接试验。

1 试验

1.1 试验材料

本试验材料选用Ta1，材料状态为退火，化学成分如表1所示。

1.2 正交试验设计

通过对激光焊的影响因素进行分析，确定了本研究的主要影响因素有，功率（A）、焊接速度（B）、离焦量（C），每个因素取三个水平，采用正交试验方案进行试验设计，因素水平表如表2所示，各因素间正交试验安排如表3所示。

2 激光焊试验结果及分析

按照表3的试验方案进行激光焊试验，对获得的接头进行微观分析，在观察接头组织之前，对接头焊缝进行有效处理，将试件接头进行镶嵌以便观察，接头金相组织分9组实验。9组试验接头内部均未出现气孔、裂纹、夹渣等焊接缺陷，9组试验下焊接结构的熔深及焊缝区晶粒大小，其结果如表3所示。由于焊接过程中没有出现气孔、裂纹、夹渣焊接缺陷，因此将熔深和焊缝区晶粒大小作为评判焊缝质量的指标。

由表3可知，随着功率的增大，焊接热输入增大，熔深及晶粒大小也相应的增大，根据极差计算公式得出在功率、焊接速度、离焦量三个影响因素下，熔深及晶粒大小的极差值如表4所示。

由极差计算结果可知，熔深的极差中功率的极差值最大，焊接速度极差值最小。由极差值的大小可确定功率对熔深的影响最大，其次是离焦量，焊接速度对熔深的影响最小。因此，为了获得满足熔深要求以及合适热影响区范围的焊接接头可重点通过调整焊接功率和离焦量来控制。

根据表4，将功率、焊接速度、离焦量每个因素三个水平下的熔深值相加，值越大表明该水平对试验结果影响越大。通过计算，得到每个因素三个水平下的熔深值，功率280W时熔深最大为0.975mm，焊接速度7r/s时熔深值最大为0.793mm，离焦量-0.1mm时熔深值最大为0.792mm。因此，可确定功率280W、焊接速度7r/s、离焦量-0.1mm，这三个水平值对熔深影响较大。方案表中不存在这三个因素水平组合，结合极差计算结果，功率和离焦量影响较大优先考虑这两个因素水平，最终确定第九组试验参数为最优的焊接参数，其中功率为280W、转速8r/s、离焦量为-0.1mm。

3 总结

（1）根据钽材零件的结构特点、焊接技术要求以及钽材本身性能和焊接过程中出现的问题，本文采用高能束激光焊进行焊接试验，获得了高质量高可靠的焊接接头。

（2）选用正交试验方案进行试验设计，通过极差分析，确定了激光焊的主要影响因素顺序从大到小为功率、离焦量、焊接速度，因此为了获得具有一定熔深要求的接头可重点通过调整焊接功率和离焦量来控制；此外通过分析确定了钽材的最优激光焊接参数。

参考文献：

[1]胡忠武，李中奎，张小明.钽及钽合金的工业应用和进展[J].稀有金属快报，2004.

[2]郑喜军.激光焊接技术综述[J].河南科技，2013（04）.

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