基于正交試驗(yàn)法的20g鋼激光深熔焊工藝參數(shù)優(yōu)化研究

車 強(qiáng)，石 巖

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

小孔型氣孔是激光深熔焊時(shí)易發(fā)生的主要焊接缺陷之一，它的存在影響焊接質(zhì)量，使激光技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用受到抑制。日本大阪大學(xué)焊接研究所以Akira Matsunawa等研究人員對(duì)小孔型氣孔的形成機(jī)理作了極為深入的研究［1－5］，他們利用特制的細(xì)焦X射線透射成像設(shè)備觀察到匙孔末梢的不穩(wěn)定產(chǎn)生氣孔的過程。由于激光深熔焊接小孔的存在，高能的激光束通過小孔，到達(dá)熔池底部，不穩(wěn)定的小孔的深度和形狀會(huì)發(fā)生不斷變化，匙孔的末端劇烈地波動(dòng)，大氣泡間斷地在匙孔底部形成，如果焊接熔池不利于氣泡的上浮，被凝固金屬壁阻礙，最終殘留為氣孔。

本文從工程實(shí)際出發(fā)，運(yùn)用正交試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出20g鋼焊接時(shí)氣孔數(shù)少的試驗(yàn)組合。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用20g鍋爐鋼，其性能與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼接近，具有一定的強(qiáng)度，其塑性、韌性、成形和焊接工藝性能均很好，而且價(jià)格低廉。在焊接生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。其含碳量為0.17－0.24%，抗拉強(qiáng)度為410Mpa，屈服點(diǎn)230－250Mpa。主要指用來制造過熱器、主蒸汽管和鍋爐火室受熱面用的材料，有良好的焊接性能、一定的高溫強(qiáng)度和耐堿性腐蝕、耐氧化等，成分如下表1。

表1 20g鋼化學(xué)成分表

實(shí)驗(yàn)將20g板用線切割機(jī)床切成小長方體，規(guī)格為長75mm，寬10mm，高10mm。之后在磨床上磨平表面、端面，焊前用丙酮將鋼件各個(gè)表面擦拭干凈，以此去除試件表面的氧化膜、油污等雜質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)主要在SLC15×30數(shù)控多功能激光加工機(jī)上進(jìn)行。激光器為Rofin sinar公司DC050型slab CO2激光器(如圖1)，最大功率為5000W，CO2激光波長λ=1.6μm，采用直流激勵(lì)，光束模式為 TEM00，光束質(zhì)量因數(shù)k≥0.9，采用焦距f=24″的反射聚焦鏡聚焦，焦點(diǎn)光斑直徑D=0.3mm。機(jī)床型號(hào)為SLCFX15×30NC的五軸聯(lián)動(dòng)焊接切割一體機(jī)(如圖2)。采用西班牙FAGOR 8070數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行五軸(F軸為調(diào)焦軸)控制，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。通過數(shù)控系統(tǒng)的程序控制可以加工各種復(fù)雜的平面圖形和管子。

圖1 CO2激光器

圖2 數(shù)控機(jī)床

表2 Prima數(shù)控機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)對(duì)20g鋼進(jìn)行激光深熔焊接，采用拼焊的形式，示意圖如下圖3所示。

圖3 焊接示意圖

2 試驗(yàn)及結(jié)果處理

2.1 正交試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的因素?cái)?shù)和水平數(shù)(如表3)選擇正交試驗(yàn)表L25(56)對(duì)激光輸出功率P、焊接速度v和激光入射角 θ，離焦量f，進(jìn)行正交試驗(yàn)分析。保護(hù)氣體流量為 Ar～0.9m3/h，He～0.6m3/h。

表3 正交試驗(yàn)表

續(xù)表

由于激光深熔焊接時(shí)產(chǎn)生的氣孔全部存在于熱影響區(qū)，而絕大部分都分布在焊縫中心(并且主要在焊縫底部)，所以本實(shí)驗(yàn)采用特殊手法截取焊縫中心氣孔分布情況，統(tǒng)計(jì)氣孔數(shù)量。焊縫中心截面與橫斷面圖片分別如下圖4和圖5。

圖4 焊縫中心截面

圖5 焊接橫斷面

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 方差分析

試驗(yàn)的結(jié)果稱為試驗(yàn)指標(biāo)，可以控制的條件稱為因子或者因素。因素所處的不同狀態(tài)稱為水平。各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是不同的，同一因素的不同水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響也不同。按因素和水平將數(shù)據(jù)分成多組，假定同一組的數(shù)據(jù)是同一總體，方差分析是檢驗(yàn)在一定假設(shè)條件下各組均值是否相等，由此判斷因素的各個(gè)水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是否顯著，并從中找出起重要作用的因素或狀態(tài)(水平)。方差分析是將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異兩部分，構(gòu)造F統(tǒng)計(jì)量，作F檢驗(yàn)，即可判斷因素作用是否顯著。

(5)列方差分析表，作F檢驗(yàn)

若計(jì)算出的F值F0＞Fa，則拒絕原假設(shè)，認(rèn)為該因素或交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響;若F0趆Fa，則認(rèn)為該因素或交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無顯著影響。

總自由度:dfT=n－1

因素自由度:dfj=m－1，m為因素水平個(gè)數(shù)s

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由上表可以看出，實(shí)驗(yàn)的四個(gè)因素功率p、焊接速度v、入射角度θ、離焦量f均不顯著。所以下面考慮用極差法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.2.2 極差分析

(1)計(jì)算極差，確定因素的主次順序

第j列的極差Rj=max(Ki)－min(Ki)極差越大，說明這個(gè)因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，極差最大的那個(gè)因素，就是最主要的因素。

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過表中計(jì)算分析可知，對(duì)指標(biāo)(氣孔數(shù))的影響從大到小排列為v＞p＞f＞θ。從中選取最優(yōu)氣孔參數(shù)組合為p3v4θ4f1，影響曲線如圖6所示。

圖6 影響曲線圖

由圖可見，激光功率p從3000W增加到3500W氣孔數(shù)增加，從3500W繼續(xù)增加到4000W，氣孔數(shù)顯著減少;焊接速度v從0.8m/min增加到1.1m/min時(shí)，氣孔數(shù)大幅度減少，從1.1m/min繼續(xù)增加到1.4m/min時(shí)，氣孔數(shù)繼續(xù)減少，之后隨著焊接速度的繼續(xù)增加氣孔數(shù)變化不大;入射角度θ從0°一直增加，氣孔數(shù)基本承下降的趨勢(shì)，在22.5°時(shí)達(dá)到最小;離焦量f從－2mm一直增加到2mm，氣孔數(shù)增加，從2mm增加到4mm，氣孔數(shù)下降。

2.2.3 正交試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)

通過極差分析得出了理論上獲得氣孔數(shù)最少的焊接組合p3v4θ4f1，即功率4Kw，速度1.7m/min，角度22.5°，離焦量為－2mm。焊后焊縫截面和橫斷面分別如下圖7和圖8。

圖7 焊縫截面圖

圖8 橫斷面圖

統(tǒng)計(jì)得出該組參數(shù)下氣孔數(shù)為22個(gè)，熔深6mm，氣孔數(shù)要多于第18組試驗(yàn)的18個(gè)氣孔，而且熔深也較18組試驗(yàn)的7mm要淺，故優(yōu)化后的試驗(yàn)參數(shù)為激光功率P為4.5kw，焊接速度v為1.4m/min，入射角度θ為22.5°，離焦量 f為 6mm。

3 結(jié)語

本文對(duì)20g鋼進(jìn)行激光深熔焊過程中產(chǎn)生氣孔的參數(shù)進(jìn)行了初步的優(yōu)化，通過正交試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了探討分析得出:20g在激光功率 P為4.5kw，速度 v為1.4m/min，入射角度 θ為22.5°，離焦量 f為6mm，保護(hù)氣體Ar和He混合，流量分別為0.9m3/h和0.6m3/h的參數(shù)下可以獲得熔深較好且氣孔很少的焊接組合。這為進(jìn)一步單因素參數(shù)優(yōu)化研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］Akira Matsunawa，Vlad Semak.The simulation of front keyhole wall dynamics during laser welding［J］.JOURNAL OF PHYSICS D:APPLIED PHYSICS.1997，30:798 －809.

［2］Seiji Katayama .Formation mechanism and reduction method of porosity in laser welding of stainless steel［A］.ICALEO［C］.San Diego USA，1997.

［3］Shigeki Fujinaga，Hiroo Takenaka，Toru Narikiyo，Seiji Katayama，Akira Matsunawa.Direct observation of keyhole behaviour during pulse modulated high-power Nd:YAG laser irradiation［J］.JOURNAL OF PHYSICS D:APPLIED PHYSICS.2000，33:492 －497.

［4］Alexander F H Kaplan，Masami Mizutani，Seiji Katayama，Akira Matsunawa.Unbounded keyhole collapse and bubble formation during pulsed laser interaction with liquid zinc［J］.JOURNAL OF PHYSICS D:APPLIED PHYSICS.2002，35:1218 －1228.

［5］Susumu tsukamoto，Isao kawaguchi，Goro arakane，et al.Keyhole behavior in high power laser welding［C］.Proceedings of SPIE，2003:251 －256.