A3钢薄板激光对接焊工艺研究

杜洋　赵凯　时云　郝云波　朱忠良　侍倩

摘要：针对A3钢薄板进行连续激光对接焊工艺实验，研究不同工艺参数对焊接成形质量的影响规律。结果表明：随着激光功率的增加，焊接接头熔池宽度、深度及抗拉强度逐渐增加;随着焊接速度的增加，接头熔池宽度、深度降低及抗拉强度逐渐降低;离焦量对接头形貌及拉伸性能影响较小;焊缝间隙小于等于50 μm时，接头抗拉强度基本保持不变，可实现有效焊接。

关键词：激光对接焊;A3钢;工艺参数;焊缝间隙

中图分类号：TG456.7文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）01-0075-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.13

0 前言

一些加热面积较大的焊接方式容易导致薄板焊穿和变形，因此需要选用能量密度更为集中的焊接方式。激光焊接技术具有焊接速度快、热影响区小、焊接成形美观、深宽比较高等优点[1-3]，对于提高薄板的焊缝成形质量有着积极作用。本文采用连续激光焊研究不同工艺参数对1.5 mm A3钢薄板焊接成形件接头形貌及力学性能的影响规律，并得出最优焊接工藝参数。

1 实验材料、设备及方法

实验材料为 A3钢薄板，尺寸200 mm×50 mm×1.5 mm，实验时将2块薄板在长度方向上进行对接。实验用设备为本单位自研的标准型千瓦级焊接设备（Kre-LW1000），采用美国IPG 型光纤连续激光器，激光波长1 060 nm，光斑尺寸200 μm，最大输出功率1 kW。焊接前使用丙酮擦拭试样表面以去除油污，选用纯度99.999%的氩气作为保护气体，气流量为20 L/min。焊接过程中采用工装夹具，防止薄板变形[4-5]，实验系统如图1所示，对接焊示意以及接头形貌如图2所示。

使用单因素分析法研究激光功率、焊接速度、离焦量以及焊缝间隙对接头形貌及力学性能的影响，工艺实验方案如表1所示。焊接结束后通过线切割切取焊接接头，经过研磨、抛光及腐蚀液（4%硝酸酒精）处理后，在倒置显微镜下观察焊缝形貌，并使用万能拉伸实验机进行拉伸实验。

2 实验结果分析

2.1 激光功率的影响

不同激光功率下获得的焊接接头形貌如图3所示。图中黑线包络部分表示在焊接过程中焊缝附近材料受热熔化后凝固的组织，右上角小图表示该工艺参数下的焊缝表面形貌。可以看出，当激光功率较低（小于700 W）时，接头部分存在部分缝隙，即未焊透情况。随着激光功率的增大，焊缝上表面熔宽变化不大，下表面熔宽逐渐增大，熔深逐渐增高，当激光功率为800 W时，熔深变化不再明显，气孔逐渐降低。同时观察焊缝表面形貌发现，当激光功率增加到一定程度时，接头表面呈深棕色，这是因为激光功率过大时容易造成焊接表面严重氧化，影响焊缝美观。

对表1各实验条件下得到的焊接成形件进行拉伸实验，结果如表2所示。由表2可知，随着激光功率的增加，激光对接焊成形件抗拉强度逐渐增加，当功率为800 W时，上升速率不再明显。综上分析发现，激光功率对焊缝熔池形貌即成形件抗拉强度有着较为显著的影响，因此确定合适的激光功率可以对激光对接焊成形质量提供可靠保证。综合考虑焊缝熔池形貌、表面形貌及拉伸强度等因素，选择P=800 W为较优的激光功率。

2.2 焊接速度的影响

在不同扫描速度下形成的焊接接头形貌如图4所示。由图4可知，当其他焊接参数一定时，焊接速度对接头形貌的影响较为显著。随着焊接速度的增大，焊缝上下表面的熔宽逐渐减小，熔深也随之降低，且焊接速度增加到一定程度（40 mm/s）时，焊缝未能焊透，这是由于焊接速度过快，材料来不及吸收大量激光能量，导致单位时间能量密度较低，未能使焊缝下半部分熔化完全。同时根据拉伸实验结果，成形件抗拉强度随着焊接速度的增大逐渐降低。结合焊接截面形貌、拉伸实验结果及表面形貌等因素，选择v=30 mm/s为较优的焊接速度。

同时，对比实验T1及T6发现，在单位能量密度相等的情况下，焊缝形貌及接头抗拉强度也有所不同，这说明焊接质量不完全取决于单位能量密度（激光功率与焊接速度的比值）。进一步观察T1及T6焊缝接头形貌发现，在T6实验情况下，焊缝熔池宽度和深度更小且形成的孔洞更大，说明焊接速度对焊缝质量影响更大。

2.3 离焦量的影响

不同离焦量下形成的接头形貌如图5所示。由图5可知，离焦量在0～-2 mm范围变化时，对熔池上下表面的宽度影响较小，但随着离焦量绝对值的增加，熔池深度逐渐变长。同时，由于离焦量能够改变激光作用在焊缝表面的光斑大小，因此会影响焊缝表面的功率密度分布。当离焦量绝对值为0时，表面接受的功率密度相对较大，导致焊缝表面呈深棕色，即氧化较为严重，同时容易产生飞溅，进一步影响表面质量。分析拉伸实验结果发现，离焦量对成形件的抗拉强度影响不大。

综上可知，在本实验条件下，离焦量选择-1 mm、

-2 mm更为合理。

2.4 焊缝间隙的影响

在焊接样件装夹过程中，样件之间的焊缝间隙对焊缝形貌影响较大，进而影响样件的力学性能。不同焊缝间隙下接头形貌如图6所示。当焊缝间隙较大时，熔池中间部分塌陷，熔宽及熔深呈逐渐降低趋势，进一步导致抗拉强度显著减小。当焊缝间隙减至50 μm时，熔池塌陷状况不明显，同时结合接头拉伸实验发现，当焊缝间隙小于50 μm时，抗拉强度基本保持不变，可实现有效焊接。

3 结论

（1）激光功率对焊缝成形影响显著，随着激光功率的增加，熔池上、下表面宽度均增加，结合面处宽度变化相对较小，接头抗拉强度增加，但功率较大时表面氧化严重。

（2）焊接速度对焊缝成形质量影响明显，随着焊接速度的增加，熔池上、下表面宽度降低。且单位能量密度相等时，焊接速度对焊缝质量影响更大。

（3）熔透情况下，一定范围内离焦量的数值变化对焊缝成形质量影响不明显。

（4）激光对接焊成形时，容许一定的焊缝间隙。当激光功率为800 W、焊接速度30 mm/s、离焦量-1 mm、焊缝间隙低于50 μm时，1.5 mm厚度A3钢激光对接焊可实现有效焊接。

参考文献：

[1] 霍宏伟，胡海军，李治国，等. 304不锈钢薄板激光焊搭接接头组织及性能[J]. 电焊机，2016，46（3）：44-47.

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[4] 温鹏，张旭东，陈武柱，等. 薄板激光焊时失稳变形及其控制[J]. 焊接学报，2006，27（9）：99-102.

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