二氧化碳?jí)嚎s機(jī)排氣消音器激光焊接技術(shù)研究

鄒 仲，鄧琦林

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240）

本文針對(duì)活塞往復(fù)式二氧化碳?jí)嚎s機(jī)排氣消音器部件的零件工況，提出使用激光焊接的工藝方法，從而得到外形美觀、熔深穩(wěn)定、工藝性好的焊接零件。

1 焊接試驗(yàn)裝置

本次激光焊接所使用的激光發(fā)生器是HJ-3000型CO2激光器，其最大輸出功率為3000 W。焊接時(shí)，工件用三爪卡盤夾具固定，并將夾具固定在DJS-II型多功能激光數(shù)控加工機(jī)床上，通過調(diào)整機(jī)床的X、Y軸坐標(biāo)位置，令焊接時(shí)的激光焦點(diǎn)落在工件焊縫上。由于工件焊縫是圓周狀的，故在焊接時(shí)，采用激光發(fā)生器固定不動(dòng)、工件繞軸心旋轉(zhuǎn)的方式。使用可調(diào)速伺服電動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，令?yuàn)A具卡盤繞夾具軸心旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光焊接焦點(diǎn)在焊接過程中始終聚焦在焊縫圓周上（圖1）。

圖1 激光焊接夾具整體結(jié)構(gòu)

2 焊接試驗(yàn)工件的制備

排氣消音器部件的材料為SPCE，其含碳量為0.1%，屬于低碳鋼，具有較好的焊接性，焊接前后不需進(jìn)行特別處理[2]。

將排氣消音器的上、下端分別插入成部件狀態(tài)（圖2）。消音器部件的焊接區(qū)域是上端與下端的連接處，坡口尺寸為C1，消音器壁厚為1.6 mm。

圖2 消音器部件壓裝示意圖

3 焊接工藝試驗(yàn)

焊接時(shí)，使用3種激光焊接工藝：本體直接焊接、送絲焊接及送粉焊接。焊絲選用直徑1.2 mm的氣保焊用碳鋼焊絲，其熔點(diǎn)約1500℃；金屬粉使用Ni45鎳基自熔合金噴焊粉，其熔點(diǎn)為980～1050℃，硬度為45 HRC。

表1 焊接工藝參數(shù)

4 焊接力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)消音器部件的尺寸，承受壓力的截面圓徑為26.8 mm，工件在工作時(shí)設(shè)計(jì)的可耐受壓力為28.8 MPa，由此可得滿足耐受壓力的最小機(jī)械強(qiáng)度：

即當(dāng)消音器部件頂出的破壞機(jī)械力＞16.5 kN，理論上就能承受包括壓縮機(jī)極限狀態(tài)下的任何靜態(tài)壓力。

治療前兩組患者的神經(jīng)功能缺損評(píng)分差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.084，P=0.933）。甲組患者治療后的神經(jīng)功能缺損評(píng)分小于治療前，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=28.071，P=0.000）。乙組患者治療后的神經(jīng)功能缺損評(píng)分小于治療前，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=17.109，P=0.000）。治療后，甲組患者的神經(jīng)功能缺損評(píng)分小于乙組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=11.687，P=0.000）。如表2。

將焊接后的消音器部件切割去除下蓋頂端部分，再與拉伸夾具一起放在CHT4305液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)上，并將消音器部件外緣夾緊，用頂伸夾具對(duì)消音器部件頂端進(jìn)行破壞力試驗(yàn)（圖3）。

圖3 破壞力受力分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，在3種不同的焊接工藝狀態(tài)下，破壞力曲線都與位移的增加呈線性關(guān)系，直至破壞，中間無明顯的屈服過程。這是因?yàn)橄啾瘸Ｒ?guī)的拉伸試驗(yàn)料棒，消音器部件的整個(gè)焊縫寬度較小，間隙最小處僅0.025 mm，相對(duì)于消音器本體材料壁厚1.6 mm而言是極小的。因此，即便在拉力試驗(yàn)過程中，將拉伸速度調(diào)至很慢，當(dāng)達(dá)到足夠的破壞力時(shí)，焊縫會(huì)瞬間斷裂，而不會(huì)進(jìn)入一般機(jī)械拉伸的屈服階段[4]。從表2可看出，3種焊接狀態(tài)的消音器部件，最終的破壞力都高于16.5 kN；而從絕對(duì)值數(shù)據(jù)來比較，依次為送粉＞本體＞送絲。

表2 破壞力結(jié)果

5 焊縫截面分析

從圖4a所示截面圖可看出，本體焊接的焊縫熔池深度小于但接近母材本體的壁厚，外表面形成一個(gè)向內(nèi)凹的圓弧。

從圖4b可看出，送絲焊接的熔池深度明顯小于母材本體的壁厚，且在焊料熔化與母材熔化的區(qū)域中間有一個(gè)較明顯的空洞。由于送絲的焊料半徑為1.2 mm，母材的坡口尺寸是一個(gè)45°的倒角，焊料固定在坡口上，未焊接時(shí)就已形成一個(gè)較大的間隔空間，這使激光加熱在焊料與母材上時(shí)，熱量需分別熔化兩者，從而在該區(qū)域形成目視可見的空洞。

從圖4c可看出，送粉焊接的截面是3種焊接工藝中最飽滿的，其內(nèi)部的熔池深度也最大，略超過母材壁厚。由于有外來填粉的補(bǔ)充，所以在熔化后的焊縫處形成一個(gè)向外凸的圓弧，熔池的深度與母材本體的厚度相當(dāng)，形成較理想的熔池狀態(tài)[5]。

圖4 不同焊接工藝的消音器部件截面圖（5×）

6 焊接微觀組織及硬度分析

因?yàn)榧す夂附咏裹c(diǎn)集中，加熱速度快，易形成較大的溫度梯度，所以在不同區(qū)域，晶粒的大小結(jié)構(gòu)不盡相同[6]。由于焊接工藝不同，本體焊接、送絲焊接、送粉焊接的微觀金相組織也不同。采用DFC295/LAS型金相顯微鏡觀察3種焊接工藝的微觀組織形貌。

圖5是本體焊接時(shí)的微觀放大圖?？煽闯?，1區(qū)域?yàn)楹缚p區(qū)域，其顯微組織為長大后的白色鐵素體。5區(qū)域也為焊縫區(qū)域，但該區(qū)域的晶粒最細(xì)小，組織最致密，這是因?yàn)榧す夂附优c中心傾斜30°，正好沿此方向進(jìn)行加熱，激光有極強(qiáng)的穿透力；該區(qū)域的顯微組織是精細(xì)的白色鐵素體。2、4、6區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)，這些區(qū)域的散熱條件比1區(qū)域好，故雖然受到的焊接熱量不及1區(qū)域，但晶粒大小與1區(qū)域相比差別并不大；該區(qū)域的顯微組織也是長大后的白色鐵素體。3區(qū)域?yàn)槟覆膮^(qū)域，從圖中可看出，母材區(qū)域的晶粒比焊縫區(qū)域大，比熱影響區(qū)小，且仍保持以原態(tài)白色鐵素體形式存在。

此外，在消音器上、下端中間（圖5所示框選部分），由于焊接后零件變形和急速冷卻的原因，焊接熔化后的熔池并沒有將該區(qū)域完全填充，形成了一個(gè)真空區(qū)域，易形成力學(xué)上的應(yīng)力集中[7]。

圖5 本體焊接時(shí)的微觀組織形貌（500×）

圖6 是送絲焊接時(shí)的微觀放大圖?？煽闯觯?區(qū)域?yàn)楹附z熔化所在的焊縫，因?yàn)榇舜魏附铀褂玫暮附z材質(zhì)為10號(hào)鋼，與消音器部件的零件材料基本接近，所以從微觀組織也可看出兩者冶金熔合的情況較理想；該區(qū)域的組織為白色的鐵素體。5區(qū)域也為焊縫區(qū)域，該區(qū)域的晶粒度相比1區(qū)域更細(xì)致；該區(qū)域的組織也為白色鐵素體。2、4、6區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)，這些區(qū)域的晶粒度相比1區(qū)域更大；該區(qū)域的組織為白色鐵素體。3區(qū)域?yàn)槟覆牟糠?，因?yàn)闆]有經(jīng)歷過晶粒再生長過程，故晶粒度較?。辉搮^(qū)域的組織也為白色鐵素體。

如前所述，在焊縫中有一個(gè)較明顯的空洞（圖6所示框選部分），這是因?yàn)樵诤附忧?，焊料與本體形成的一個(gè)較大空隙，而焊接時(shí)的能量不足以將焊料充分熔化后填充完全，從而在焊接后形成了較大的真空，且明顯大于本體焊接的空隙[8]。

圖6 送絲焊接時(shí)的微觀組織形貌（500×）

圖7 是送粉焊接時(shí)的微觀放大圖?？煽闯?，1區(qū)域?yàn)殒嚮鄣娜刍缚p區(qū)域，與金屬機(jī)體形成了良好的冶金熔合。5區(qū)域因?yàn)楹附咏嵌群徒裹c(diǎn)聚焦的關(guān)系，晶粒度較細(xì)致，組織為白色鐵素體。2、4、6區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)，晶粒度較大，組織為白色鐵素體。3區(qū)域?yàn)槟覆模瑳]有晶粒長大的原始晶粒，組織為白色鐵素體。

從圖7可明顯看出，送粉焊接的焊縫填充性能極好。在與零件基體有效熔合的同時(shí)，還將消音器部件的零件間隙較好地填滿[9]。

圖7 送粉焊接時(shí)的微觀組織形貌（500×）

從圖8所示的硬度分布來看，送粉焊接時(shí)，在焊接熔池區(qū)域及附近的顯微硬度均明顯高于本體焊接及送絲焊接，該硬度測(cè)量結(jié)果也與之前拉伸破壞力的試驗(yàn)結(jié)果吻合。

7 結(jié)論

本文提出采用激光焊接取代傳統(tǒng)隧道爐釬焊，得出以下結(jié)論：

（1）消音器部件激光焊接中，本體焊接最優(yōu)參數(shù)為：激光功率1000 W，離焦量80 mm，轉(zhuǎn)速1檔，工件角度30°。送絲焊接最優(yōu)參數(shù)為：激光功率1500 W，離焦量80 mm，轉(zhuǎn)速1檔，工件角度30°。送粉焊接最優(yōu)參數(shù)為：激光功率1500 W，離焦量80 mm，轉(zhuǎn)速 1檔，工件角度 30°。

（2）無論使用本體焊接、送絲焊接還是送粉焊接，焊接的破壞力都大于消音器部件工作時(shí)的設(shè)計(jì)耐壓極限，焊接強(qiáng)度依次為送粉＞本體＞送絲。從對(duì)焊縫截面的顯微硬度分析得出，填充質(zhì)量依次為送粉＞本體＞送絲。故綜合判定送粉焊接是最優(yōu)焊接工藝。

（3）激光焊接過程中，沒有使用助焊劑，也可不需保護(hù)氣體，在同樣滿足產(chǎn)品性能要求的前提下，焊接作業(yè)環(huán)境比傳統(tǒng)的隧道爐焊接大為改善。

圖8 不同焊接工藝的消音器部件硬度分布

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