薄板激光脉冲焊接工艺现状

王赛文，张可杰，胡特菁，陈俊扬

（嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036）

激光脉冲焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用薄板、于微、小型零件的精密焊接中。

1 焊接方式

激光焊接机工作区由三部分组成：焊接主机、激光器、交换式工作台如图1所示。现有的激光焊接方式有两种叠焊和角焊，两种方式在焊接工艺，焊接形式和焊道上有着很大的区别。

图1 激光焊接机内部结构图

1.1 叠焊

叠焊的焊接方式是将上下两块母材进行焊接，根据焊接的能量比不同焊缝的形态也随之改变，如图2所示。叠焊的优势在于能量密度高，焊缝深度比大，焊接质量高等优点，在实际生产中成为一种重要的焊接手段，但叠焊技术应用于薄板焊接上会经常出现几个问题，因焊接能量过高、过低而出现的焊穿、弧坑和未焊透现象。因焊接材料问题会出现焊缝内出现焊渣与气泡现象。由于薄板的厚度不会超过5 mm。出现以上问题都将导致残次品的增加，为解决此类问题需要针对焊接工艺和焊接功率进行深入研究。

图2 焊缝形态变化示意图

卢兵兵、董梁针对超薄工业纯钛合金激光叠焊工艺进行了研究。对超薄TA1钛合金板材开展激光焊接工艺试验，通过合理的选择焊接工艺参数可以避免焊穿等缺陷。

张威等人测试了不同功率下的焊缝断面的形貌。对于薄板来说，需要考虑的问题是焊缝区随着焊接的功率增大，焊接位置会发生时效现象。在对于两个不同材料薄板的焊接时可能会出现断裂。这是现阶段叠焊接对于薄板焊接的问题所在。

1.2 角焊

角焊是将以大于等于1角度的形式焊接起来的两块零件，也就是通过激光把连接处融化粘结在一起。优势在于两块零件可以以任意角度进行安装，坏处是角度会影响焊接时飞溅的程度。张晓磊研究了各焊接参数对角焊缝宏观形貌和截面硬度分布的影响规律，结果表明：激光功率的提高可以显著改善焊接质量，此外，焊缝主体截面母材硬度分析角焊会出现飞溅现象，会对焊接位置的硬度有影响。

2 母材

母材是焊接过程中的被焊接材料。各种材料对激光焊接的反应也不同，这里主要讲述薄板激光焊接的常用材料：不锈钢板和钛板。

2.1 不锈钢母材

不锈钢板激光焊接不锈钢的特性是不锈和耐腐蚀。且其铬含量至少为10.5%碳含量最大不超过1.2%的钢。由于不锈钢薄板的厚度较薄，所以在加工过程中会出现气化现象。

贺东伟在对一个厚度0.1 mm的超薄新型不锈钢微晶体激光元件进行脉冲焊接并探讨了工艺参数对焊接接头微观形貌及显微组织的影响。根据前期预实验结果，影响微激光焊接头抗拉力的主要因素有脉冲功率百分比(P)、脉冲频率(f)、脉冲宽度(T)和脉冲能量(E)。得出的结果是在一定的脉冲用量的情况下，会获得最佳的工艺参数。如下图3所示。

图3 不锈钢焊接数据表

2.2 钛板母材

钛是一种金属化学元素，化学符号Ti，原子序数22，在化学元素周期表中位于第四周期、第IVB族。是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，耐湿氯气腐蚀。但钛不能应用于干氯气中，即使是温度0 ℃以下的干氯气，也会发生剧烈的化学反应，生成四氯化钛，再分解生成二氯化钛。表1是钛的力学性能。

表1 钛的力学性能

工业纯化的钛因其优异的导热耐腐蚀性广泛应用于浸在海水中的环境中，在实际工业生产中，纯钛的加工焊接多数是采用钢的TIG焊，但焊接工艺上速度较慢会对生产速度产生较大的影响。对0.9 mm的钛板材料进行正交激光工艺焊接实验研究，激光管的前倾焊接入光反射比后倾焊接入光反射要小更容易直接实现激光熔融穿透。

3 板厚

板厚是板材轧后的厚度，由于薄板的厚度大概率不超过5 mm所以需要考虑在各个板厚下薄板激光焊接会出现的各种情况。

3.1 0.5 mm薄板

0.5 mm薄板焊接会出现工件未焊透与穿透现象见图4，所以为了使工件避免出现这类事故的发生，一般会先进行焊接测试，如未达到所需要求，进行加减焊接工艺。

图4 激光焊接工件气孔倾向对比（左图为焊透右图为未焊透）

王东亮等人针对0.5 mm纯度钒钛材料薄板的激光电弧间距辅助高速激光电弧焊高速激电焊接，研究了激光热源电弧间距和不同热源之间相对温度位置对高速激光热源电弧的热耦合、熔池耦应形态的直接影响，利用高速光学摄影对激光电弧耦合形态和激光熔池耦合形状关系进行影像分析，探索不同激光热源电弧间距和不同热源之间相对温度位置对纯钛薄板高速激光焊接加工过程中热稳定性的直接影响及其规律。结果表明，两种热源相对位置(Laser Leading，LL和Arc leading，AL)模式下，随着热源间距的减小，TIG电弧面积均会有所增加；在AL状态下，电弧起预热作用，LL状态下，当热源间距减小到6 mm时，激光和TIG电弧共同作用形成共熔池现象；LL状态下的TIG电弧面积标准差更小，LL状态的焊接过程稳定性优于AL状态。

3.2 0.1～0.4 mm薄板

当薄板厚度达到了0.4～0.4 mm时，一般的焊接已经无法进行正常焊接了，需要使用人工无缝焊接，而这种焊接需要考虑无缝焊接的厚度，从各个方面对工件的影响比如材料、焊接介质、焊接温度等等。张颖云为了深入研究人工激光无缝焊接厚度参数对各种钛合金材料焊缝的焊接影响，对焊接厚度0.1 mm的材料tc4钛合金焊缝板材可以进行人工光纤焊接激光无缝焊接。正交焊接试验研究结果表明：水平激光焊接功率水平对抗拉反应强度的直接影响较大；而对于延伸率，相较于水平激光焊接功率，离子聚焦量和激光焊接反应速度对延伸率的直接影响均与水平相当。

4 总结

文章以薄板激光焊接技术的各项工艺与技术阐述了这项技术的现状，从三个方面进行了分析。分别是焊接方式，母材，板厚三个方面。

（1）焊接方式：使用叠焊的方式，焊缝光滑且表面成型良好，如果出现激光功率过大的情况，会出现焊穿、断裂的情况。将功率调整至最佳状态。焊接出现断裂的情况会降低。使用角焊的方式，焊缝的质量会提升，会出现飞溅现象。

（2）母材：不锈钢板的特性是不锈与耐腐蚀，可塑性强。钛板属于特殊稀有金属，其特性为重量轻、强度高、耐湿耐腐蚀。对两种不同母材要注意保护气体的选择。同时由于两种材料导热性能不一，要注意焊接功率的选择。

（3）板厚：薄板激光焊接的厚度会影响焊接工艺，板厚为0.5 mm的薄板在激光焊接的过程中会形成共熔池现象。板厚为0.1～0.4 mm的薄板在激光焊接的过程中会出现为完成焊接却出现焊透现象。