针对不锈钢管件的超细芯径光纤激光焊接工艺研究

邓鹏，李志军，李宝成，马江伟，吴福先，张占军

（中核控制系统工程有限公司，北京 100176）

1 前言

不锈钢管件耐腐蚀性优异、高温强度优秀、塑性良好，在核电、环保、化工等领域得到了广泛应用。以核电为例，细长不锈钢管是核电站探测器的重要组成部分，在应用中对接延长、端焊等加工形式占较大比例，对接头的密封性及连接强度提出较高要求。目前，针对不锈钢管件的焊接工艺主要是钨极惰性气体保护焊和激光焊，而激光焊接由于其热影响区小、焊接速度快、焊缝美观、可控性好等优势，受到广泛的关注，市场对激光焊接专机及焊接工艺开发需求强烈。

齐惠娟等研究了CO2激光焊接不锈钢，相比高频焊或钨极惰性气体保护焊，其焊缝枝晶细小、组织致密无气孔。霍宏伟等对比研究了304 不锈钢薄板连续激光搭接焊与电阻焊，结果表明，激光焊接热影响区更窄，可以获得更均匀、细小的柱状晶，拉伸与剪切强度与电阻焊接头相当。姜吉臣等研究了光纤激光器焊接不锈钢时焦距的确定方式以及不同离焦量对熔深的影响，获得了与焊接需求匹配的工艺参数。闻龙研究了保护气体对YAG 激光焊接的影响，发现氩气为最优的保护气体，获得的焊缝晶粒较细、残余应力小且耐腐蚀性达到母材90%以上。樊宇等通过激光焊接实验发现，激光焊接接头的硬度、拉伸强度及耐腐蚀性优于等离子-钨极惰性气体保护复合焊接，激光功率和离焦量对熔深影响较大。柳岸敏等发现，激光功率增加导致热输入增加，焊缝截面熔池的熔宽与熔深加大，焊接头氧化程度加深，同时抗拉强度下降。光纤激光器的芯径影响激光束的能量分布和光学特性，相比大芯径光纤激光与YAG 激光，其中心能量分布更集中，带来的焊接效果也大不相同，虽然已有学者在激光焊接领域做了大量研究，但针对超细芯径光纤激光焊接不锈钢管的焊接工艺还有待探索。

2 实验材料与方法

300 系列不锈钢是核电测量系统中探测器制备使用的材料，本研究选用最常使用的316 不锈钢为例进行研究，材料组成元素及成分如表1 所示，实验用管材外径22mm，壁厚1.5mm，长度80mm。

表1 316 不锈钢化学成分 （质量分数 %）

采用自研的激光环焊专机，配备1000W 光纤激光器，光纤芯径50μm，使用自研的L 型激光焊接头，准直镜焦距100mm，聚焦镜焦距200mm，在高纯氩气保护下开展实验，实验装置如图1 所示。实验时，先用酒精清洗试样表面油污，之后通过激光点焊将两段圆管连接，装夹于环焊专机的旋转台上，通过同轴视觉CCD 对准焊缝，旋转台旋转角度控制在370°，使得焊缝起始点与终点可以重叠，保证焊缝的密封性。通过调控不同的激光功率进行实验，希望获得材料厚度80%以上的熔深，且无气孔、未熔合等焊接缺陷，焊接工艺参数如表2 所示。焊接后的样件，先在超声波清洗机中进行清洗，去除焊缝表面氧化物，使用高清相机拍摄焊缝表面形貌，之后使用线切割机将样件切割，采用热镶方式制作金相试样，分别在600#、1000#、1500#和2000#的水磨砂纸下打磨，使用抛光机进行抛光，最后采用王水进行腐蚀。在金相显微镜下观测各试样熔池的形貌和显微组织，采用显微硬度计沿着熔池上表面以下0.2mm 位置以0.3mm 间隔测量显微硬度。

图1 激光环焊专机

表2 焊接工艺参数

3 结果与讨论

3.1 焊缝形貌

三组焊缝的表面形貌如图2 所示，焊缝横截面熔池形貌如图3 所示，熔池尺寸如图4 所示。如图2，随着激光功率的增加，热输入增加，熔池总宽度增加，焊缝表面纹理变得粗糙。对于熔池，三种激光功率下熔池均呈“钉”型，为了更好地描述焊缝形貌，将熔池分为钉头和钉身两部分，以熔池总深度、钉头深度、钉头宽度、钉身深度和钉身宽度作为焊缝特征参数。随着功率的增加，钉头宽度增加，钉头深度几乎不变，钉身深度增加，而钉身宽度则是先增大后减小。“钉”型熔池的产生是由于在本实验条件下，焊接过程中热导焊和匙孔焊两种焊接形式同时存在，表层金属受激光辐射熔化形成熔池，而由于实验采用超细芯径光纤，激光束的中心功率密度较高，在焊接时产生匙孔，直接将一部分能量传输至熔池底部形成钉身，而钉头处熔池的热量向四周传导，所以当激光功率增大时，熔池宽度增加，而深度方向，由于匙孔的产生，热量直接进入钉身，同时，作用在底部的能量也增加，共同作用下使得钉身深度增加，而钉头的深度无较大变化。如图3(a)、3(c)所示，在600W 功率时，钉头刚刚出现，随着功率增加，钉头在宽度和深度方向增加，但当功率达到700W 时，产生的匙孔更深，热量被带至熔池底部，深度方向增加更快，使得钉身宽度略有减小。

图2 焊缝表面形貌

图3 焊缝横截面熔池形貌

图4 焊缝横截面熔池尺寸

3.2 金相组织

观测三种功率条件下的焊缝截面熔池的显微组织，如图5 所示，熔池主要由柱状晶和等轴晶组成，熔合线附近主要分布有柱状晶，在钉头位置结晶方向是由熔合线指向钉头的中心，在钉身处则是指向钉身的中心，在熔池顶部、钉头及钉身的中部主要是等轴晶组织。对比图5(b)与图5(c)，在激光功率较大时，等轴晶延伸长度更长，两侧熔合线处的等轴晶相交于钉头中心，且晶粒更加细小。激光功率较大时，熔池热输入增加，温度增加，在熔合线位置温度梯度增加，促进了柱状晶的产生，熔池温度的升高促进了样件与空气的热对流，熔池冷却速率升高，使得晶粒更加细化。

图5 熔池显微组织。

3.3 力学性能

在沿着距熔池上表面以下0.2mm 位置以0.3mm 间隔测量其显微硬度，结果如图6 所示。从熔池显微硬度分布图得知，焊缝处的显微硬度高于基体材料，1#和2#试样在焊缝位置显微硬度相近，而3#试样显微硬度较高，高出1#、2#试样约40HV。根据三种工艺条件下的焊缝熔池显微组织结果可知，在3#试样工艺条件下，熔池中柱状晶分布更多，而柱状晶的偏析比等轴晶要少，结构要更加致密，再加上晶粒更加细化，总体表现出高的显微硬度。

图6 熔池显微硬度

4 结语

针对超细芯径光纤激光环焊不锈钢管件开展了焊接工艺研究。以功率作为变量开展对照实验，对熔池形貌产生显著的影响，总体形状呈“钉”型，功率的增加主要增加钉头宽度和钉身深度。当功率在700W 时，由于晶粒细化且熔池中分布有更多的柱状晶，获得的焊缝硬度更高。本研究为超细芯径光纤激光的应用提供有效参考，后续还需进行系统的工艺研究以获得稳定的工艺窗，以实现焊接过程控制。