不锈钢薄板T形接头激光穿透焊工艺

魏代斌，丛发敏，侍鹏，夏春智,

(1.日照钢铁控股集团有限公司,山东 日照 276500；2.江苏科技大学,江苏 镇江 212100)

0 前言

近年来，在节能减排，可持续发展的背景下，越来越多的结构设计向着轻量化发展。金属三明治板具有强度高、重量轻、刚度大、吸收能量大等特点被越来越多的国家重视，并广泛应用于桥梁，航天、船舶等行业[1]。T形接头作为其中的重要连接形式，传统的角焊接已经不能满足轻量化需求。激光焊具有能量密度高、焊接速度快、加热冷却速度快及激光作用位置易控制等特点[2]，用激光穿透焊实现T形接头的焊接，可以得到强度高、变形小的高质量焊接接头[3-4]。激光焊中影响焊缝成形的主要工艺参数有焊接功率、离焦量、焊接速度及保护气体等[5]。

杨橄生等人[6]采用激光穿透焊焊接船用钢907A T形接头，发现焊接速度和离焦量一定时，焊缝宽度和深度随激光功率的提高而增大，力学性能主要取决于搭接处的焊缝宽度。陈永等人[7]对激光焊接的T形接头进行弯曲剪切试验，发现T形接头弯曲载荷和剪切载荷随着连接处宽度的增加而增大。郭晓军等人[8]对不同参数下的低合金高强钢激光穿透焊进行研究，发现焊接热输入略高于2.4 kJ/cm时，熔深和搭接处宽度较合适。文中针对304不锈钢薄板的激光穿透焊工艺，研究了焊接功率和离焦量对T形接头成形的影响。

1 焊接材料及方法

试验材料为304不锈钢，其化学成分见表1，规格为100 mm×100 mm×1.8 mm(面板)和100 mm×40 mm×2.6 mm(芯板)。

表1 304化学成分(质量分数，%)

利用YSL-6000光纤激光发生器进行激光焊接，其输出功率最高可达6 kW。具体焊接工艺参数见表2，其中1～3号只改变激光功率，4～14号改变离焦量，保护气体采用纯氩气，气体流量为20 L/min，具体装配图如图1所示。焊接前用丙酮擦拭试板表面，清除污染物。

表2 焊接工艺参数

图1 T形接头激光穿透焊示意图

T形接头的特征尺寸和硬度打点位置如图2所示，包括熔深、熔宽、间隙及搭接处的焊缝宽度，其中线①，②，③为显微硬度测试线，位置分别为面板以下0.3 mm，面板和芯板搭接处和焊接接头中间。

图2 T形接头特征尺寸和显微硬度测试位置

2 结果与分析

2.1 激光功率对焊缝成形的影响

激光焊缝形貌如图3所示，不同激光功率下焊缝成形良好，2.5 kW时焊缝表面较光滑。利用3D显微镜拍摄T形接头特征尺寸，可以得到T形接头截面尺寸随激光功率的变化情况，如图4所示。

图3 焊缝外观

在焊接速度和离焦量一定的情况下，焊接热输入和激光功率呈正相关，随着激光功率的增大，焊接热输入增加，从而焊缝熔深、熔宽都增大。由图4可知，随着激光功率的增加，熔宽和搭接处焊缝宽度逐渐增加，熔深在激光功率由2.5 kW增加到4.0 kW时，增大较小，激光功率增大到5.0 kW时，增长幅度较大。在激光功率为5.0 kW时，发生严重飞溅，综合考虑在功率为4.0 kW时，焊缝成形最佳。

图4 T形接头截面尺寸随激光功率的变化情况

2.2 离焦量对焊缝成形的影响

离焦量为激光焊接时激光的焦点距离焊件表面的距离，焦点位置激光能量最为集中，密度低。规定焦点位置在工件表面以下为负离焦，工件表面以上为正离焦，有研究表明与正离焦相比，负离焦更易获得较大的熔深[9]，而正离焦能获得较大的宽深比[10]。

图5为激光功率为5.0 kW时，T形接头截面尺寸随离焦量的变化规律，由图5可知，随着离焦量由负到正，T形接头的熔宽逐渐增大，在离焦量为10 mm时，达到3.37 mm；熔深和搭接处焊缝宽度呈现出先增大后减小的趋势，在离焦量为-2 mm时最大，分别为5.46 mm和1.37 mm。T形接头的力学性能主要取决于搭接处焊缝宽度，搭接处宽度越大，面板和芯板接合面越大，力学性能越好[11]。但是离焦量为-2 mm时，焊缝熔深较大，增大了熔合区面积，为了保证芯板的性能，所以要考虑增大离焦量，获得较小的熔深。综合考虑，离焦量为0 mm时，效果最好。

图5 T形接头截面尺寸随离焦量的变化规律

2.3 接头显微组织和显微硬度

2.3.1接头显微组织

图6为激光功率为4.0 kW，离焦量为-2 mm时T形接头截面形貌，图7为不同区域的显微组织。图7a和图7c分别为面板和芯板焊缝区显微组织，可以看出有明显方向性的柱状晶，基体为奥氏体，在奥氏体的枝晶间分布着网状和枝晶状的δ铁素体。图7b和图7d分别为面板和芯板熔合区显微组织，图7b的左部和图7d的右部为焊缝组织，与焊缝组织相连的热影响区组织为粗大奥氏体晶粒，分和灰色条状的δ铁素体。

图6 2号T形接头截面形貌

选择激光功率不同的1号和3号T形接头，对其焊缝区显微组织进行分析对比，如图8所示。对比图7c、图8a和图8b，发现随着激光功率的增大，热输入增加，热循环高温停留时间增长，形成的奥氏体柱状晶变粗大。

图7 2号T形接头显微组织

图8 不同激光功率的T形焊缝显微组织

2.3.2接头显微硬度

按照图2所示对T形接头进行显微硬度测试，①和②间距为0.2 mm，③间距为0.3 mm，载荷为200 g，保载时间为15 s。

图9所示为激光不同功率及不同离焦量下3条显微硬度测试路径对比，1～3号是不同激光功率对比，3号、6号和13号是不同离焦量对比。

图9a为横向路径①显微硬度，由图9a可知，焊缝区的硬度都略低于母材硬度，对比1～3号发现当激光功率为5.0 kW时，焊缝区平均硬度最低为189.4 HV，且焊缝区显微硬度较稳定，这是由于激光功率增加使热输入增加，高温停留时间增加，焊缝组织粗化，导致硬度降低。对比3号、6号和13号发现当离焦量为正时，显微硬度较大，达到199.5 HV。图9b为横向路径②显微硬度，可以发现搭接处的显微硬度波动比较大，边缘部分硬度较高，这是因为面板和芯板之间存在小间隙，散热不均匀。图9c为3号试样纵向路径③显微硬度，可以发现面板区和芯板区显微硬度差距不明显，在母材时略高，与图9a规律相符。

图9 T形接头显微硬度

3 结论

(1)对不锈钢T形接头进行激光焊接时，焊接接头的熔深、熔宽及搭接处焊缝宽度随激光功率的增加而增大，且熔深增长幅度较大。

(2)搭接处焊缝宽度随离焦量由负到正，先增大后减小，在离焦量为-2 mm时达到最大，但是此时宽深比较小，综合考虑离焦量为0 mm时焊缝成形最好。

(3)焊缝组织为奥氏体柱状晶和δ铁素体，热影响区组织为粗大奥氏体基体上分布着呈条状的δ铁素体。焊缝区显微硬度略低于母材，差距不大，激光功率增加时，焊缝区硬度降低；搭接处焊缝硬度波动较大。