火工品薄壁件的激光焊接

杜云峰，陳敏慧，鄭挺軍，石敏科，高春亮， 陳小松

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

激光焊接是一門發(fā)展極快的新制造技術(shù)，一般無(wú)需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可。其最主要的優(yōu)勢(shì)之一是能將激光束集中于非常狹小的區(qū)域[1]，具有焊接速度快、熱影響區(qū)小、變形小、焊縫窄、焊縫組織均勻的特點(diǎn)；其機(jī)械性能、抗蝕性能優(yōu)于常規(guī)焊接方法，既可焊接同種材料，也可以焊接異種材料。

隨著火工品技術(shù)的不斷進(jìn)步，火工品設(shè)計(jì)向安全性、可靠性、小型化方向發(fā)展，火工品零部件的加工方式也由原來(lái)較單一的沖壓引伸、切削加工向電加工、化學(xué)加工、激光加工、特種焊接等多種加工方式拓展。這些特種焊接和燒結(jié)技術(shù)不僅滿足了火工品的特殊功能特性，而且在零部件的制造方面能夠解決許多難以加工的工藝問(wèn)題，同時(shí)又可以降低加工制造的成本，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期[2]。本研究采用激光焊接對(duì)火工品零部件的薄壁件焊接進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，取得了理想的效果。

1 試驗(yàn)條件

1.1 激光器件

試驗(yàn)采用德國(guó)TRUMPF公司的LASMA333型YAG脈沖激光器，激光器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 激光器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of laser

1.2 試驗(yàn)材料及焊接密封性要求

薄壁件密封片如圖1所示，其厚度為0.25mm，材料為00Cr 9Ni10，與同種材料的零件進(jìn)行焊接，焊接好的密封組件在0.1MPa氣壓條件下，氦氣泄漏率要求小于10-5cm3/s。

圖1 密封片示意圖Fig.1 Sketch of sealing piece

1.3 影響激光焊接的參數(shù)

影響激光焊接的參數(shù)主要包括激光功率、脈沖寬度、脈沖頻率、焊接速度、離焦量及保護(hù)氣體等，因此需要通過(guò)調(diào)整激光焊接參數(shù)來(lái)改善焊縫成形[3-5]。尤其是激光功率和焊接速度的匹配關(guān)系直接表征了焊接的工藝范圍，激光焊接獲得較好焊縫成形時(shí)需要適當(dāng)降低焊接速度或提高激光功率以增大焊接熱輸入，所以選擇合適的匹配關(guān)系成為關(guān)鍵技術(shù)之一。

1.3.1 激光功率

激光功率是指激光器的輸出功率，在實(shí)際應(yīng)用中，激光功率的選取除取決于材料本身特性外，尚需根據(jù)焊接要求確定。薄壁材料的焊接中，由于材料表面的汽化，易使焊點(diǎn)成孔，尤其是薄片上的焊接[6]。焊接過(guò)程中汽化量過(guò)大，就會(huì)形成高壓蒸汽的高壓噴射，將對(duì)熔池表面產(chǎn)生很大的作用力，將熔池中液態(tài)金屬排擠出熔池外，甚至形成熔融金屬的飛濺，結(jié)果導(dǎo)致薄壁材料表面穿孔，或者形成嚴(yán)重的凹陷，因此必須嚴(yán)格控制激光功率。

1.3.2 脈沖寬度

在薄壁件焊接中，除應(yīng)適當(dāng)拉長(zhǎng)脈寬增加焊接的參數(shù)范圍，以及提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性外，尚需考慮熱影響區(qū)的大小。應(yīng)保證在熱影響區(qū)所允許的情況下適當(dāng)增加脈寬，以提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1.3.3 脈沖頻率

激光脈沖的頻率是反映激光器在1s內(nèi)能打出多少個(gè)脈沖的能力，在激光功率恒定的情況下，頻率越高，每個(gè)激光輸出的能量就越小，因此可在保證激光的能量足夠熔化金屬的情況下，確定激光的輸出頻率。過(guò)高的頻率勢(shì)必造成激光的脈沖能量過(guò)低，從而造成焊接失敗。

脈沖頻率、平均焊點(diǎn)直徑和焊接速度必須相互匹配，才能達(dá)到所需的重疊度。一般來(lái)說(shuō)，重疊度越大，焊縫表面越光滑，但焊接速度也相應(yīng)降低。

1.3.4 焊接速度

焊接速度對(duì)熔池的影響較大，在一定的激光功率下，提高焊接速度，熱輸入能量密度下降，焊接熔池減少，但速度過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)度熔化、工件燒穿。所以對(duì)一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個(gè)合適的焊接速度范圍，并在其中一定速度值時(shí)可獲得最大熔深。

1.3.5 保護(hù)氣體

激光焊接過(guò)程常使用惰性氣體來(lái)保護(hù)熔池，若某些材料焊接可不計(jì)較表面氧化時(shí)也可不考慮保護(hù)，但在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合則常使用惰性氣體做保護(hù)，使工件在焊接過(guò)程中免受氧化。

密封薄壁件激光焊接的保護(hù)氣體采用氬氣，保護(hù)氣體流速的作用是保護(hù)熔池不被氧化，帶走熔池表面的氣霧以保護(hù)聚焦透鏡不被蒸發(fā)的氣霧污染。氣體流量過(guò)大或過(guò)小均不能得到滿意的焊縫，過(guò)大時(shí)熔池?cái)嚢杓ち?，易產(chǎn)生氣孔等缺陷，并帶走大量的熱能；過(guò)小時(shí)不能起到對(duì)工件的保護(hù)效果。另外保護(hù)氣體的吹入方向?qū)缚p的形貌也起著重要的作用。

1.3.6 離焦量對(duì)焊接的影響

激光焊接通常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過(guò)高，容易蒸發(fā)成孔，離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各平面上功率密度分布相對(duì)均勻。按照幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦量相等時(shí)，取對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但是實(shí)際獲得的熔池形狀不同。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔池較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄壁材料時(shí)，宜用正離焦。

1.4 參數(shù)的選擇

焊接工藝參數(shù)對(duì)薄壁件焊接的密封性有著密切的關(guān)系，不同的激光焊接設(shè)備有不同的關(guān)鍵工藝參數(shù)，在研究中確定了影響本設(shè)備焊縫成型的6個(gè)主要工藝參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 激光焊接工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of laser welding

2 試驗(yàn)結(jié)果與性能分析

2.1 焊接外觀檢查

對(duì)焊件進(jìn)行焊接后外觀檢查，見(jiàn)圖2。

圖2 密封片焊接外觀Fig.2 Welding appearance of sealing piece

用鑷子夾取酒精棉球?qū)⒑缚p周圍擦干凈，在40倍工具顯微鏡下檢查焊縫質(zhì)量。焊縫連續(xù)光滑，焊接位置正確，無(wú)斷點(diǎn)、虛焊等現(xiàn)象，焊接件無(wú)變形現(xiàn)象，解決了火工品薄壁件密封片的焊接問(wèn)題，焊接結(jié)果符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的焊接外觀要求。

2.2 密封性檢測(cè)

用法國(guó)阿爾卡特生產(chǎn)的ASM181T型氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)焊接后的薄壁密封組件進(jìn)行密封效果無(wú)損檢測(cè)。取焊接件30件，每10個(gè)1組，分3組進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test result of helium leakage

表3中焊接件在0.1MPa壓力差試驗(yàn)條件下進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)品合格率達(dá)到100%，滿足了火工品薄壁密封件焊接泄漏率的要求。

3 結(jié)論

將激光焊接應(yīng)用于火工品生產(chǎn)領(lǐng)域，可有效地利用其優(yōu)點(diǎn)，改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝方式，使火工品零部件的生產(chǎn)效率大幅提高，是值得推廣的焊接工藝方法。

（1）薄壁件焊接中激光參數(shù)是影響焊接質(zhì)量的重要因素，在選定的工藝參數(shù)下得到的焊縫成形良好、無(wú)缺陷。

（2）采用激光焊接火工品薄壁零部件，其密封性能達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，獲得了良好、穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

（3）火工品薄壁件激光焊接屬于初步探索性研究，需要進(jìn)行參數(shù)的進(jìn)一步完善，以后可以在火工品零部件的組合焊接中推廣應(yīng)用。

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