離焦量對(duì)Q235/316薄板激光焊接的影響

王 波， 舒林森,2*

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 漢中 723000)

異種金屬材料焊接結(jié)構(gòu)具有節(jié)約貴重金屬材料、降低成本及充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢(shì)等優(yōu)點(diǎn)，因此，異種金屬的焊接是解決零部件同時(shí)滿足多方面性能需求的有效途徑[1]，被廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造、電力及造紙等行業(yè)[2-4]。

激光焊接具有高能量密度、熱影響區(qū)小、可精確控制等特點(diǎn)，且激光焊接屬于自熔性焊接，冷卻速率高，變形小，是異種薄板金屬焊接最有效的途徑之一[5-7]。由于不銹鋼與其他金屬的異種金屬焊接結(jié)構(gòu)既可以滿足不銹鋼部分耐腐蝕、部分承載結(jié)構(gòu)力的要求，同時(shí)還可以節(jié)省大量的不銹鋼材料，在工程中應(yīng)用非常廣泛[8-10]。近年來，許多學(xué)者為異種金屬焊接獲得較優(yōu)焊接質(zhì)量做了大量的研究，文獻(xiàn)[11-13]研究了工藝參數(shù)對(duì)異種金屬焊縫成形的影響并對(duì)組織、力學(xué)性能進(jìn)行了深入探究；文獻(xiàn)[14-15]通過分析、研究離焦量對(duì)焊接接頭成形質(zhì)量的影響以對(duì)及抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律，得到較好的焊縫接頭。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)研究異種金屬焊接打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，然而，對(duì)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼研究較少，特別是離焦量與其他工藝參數(shù)對(duì)異種薄板焊接接頭力學(xué)性能研究相對(duì)較少。

鑒于此，本文針對(duì)板厚為1 mm的Q235鋼和316不銹鋼異種鋼焊接工藝進(jìn)行分析，開展多因素正交試驗(yàn)，分析各工藝因素對(duì)異種鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響情況，利用極差分析法評(píng)估各工藝參數(shù)對(duì)力學(xué)性能影響的顯著次序，并找出最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)組合。然后進(jìn)行離焦量單因素試驗(yàn)，通過對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響情況揭示離焦量對(duì)Q235/316異種鋼焊接質(zhì)量影響規(guī)律。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)材料為厚度1 mm的Q235鋼與316不銹鋼，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 316不銹鋼和Q235鋼的力學(xué)性能

本試驗(yàn)所用為800 W的Nd：YAG脈沖激光熔覆機(jī)，其焊接工藝參數(shù)的可調(diào)范圍是：電流P為150～165 A，脈寬為2.0～2.6 ms，頻率f為16～22 Hz，離焦量h為-10～-26 mm，掃描速度v為200～350 mm/min，激光焊接示意如圖1所示。

拉伸試驗(yàn)采用YL100-W液壓雙動(dòng)拉伸機(jī)在拉伸速度為5 mm/min條件下進(jìn)行，拉伸前在試件參數(shù)中設(shè)置試樣寬度10 mm，厚度1 mm，標(biāo)距30 mm。為減小試驗(yàn)偶然性及數(shù)據(jù)計(jì)算誤差，不同試驗(yàn)參數(shù)下分別選取3組拉伸試樣求其平均值，讀取并記錄試驗(yàn)機(jī)單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體實(shí)施中，為盡可能減少拉伸試樣中的焊接缺陷，以提高拉伸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)先在較大的Q235、316薄板上完成各參數(shù)對(duì)接焊試驗(yàn)，然后在焊后薄板上切割出長寬高為20 mm×80 mm×1 mm的拉伸試樣，并對(duì)拉伸試樣表面進(jìn)行清洗去除油污，以此得到較為均勻、完整的焊接拉伸試樣，試樣尺寸如圖2所示。其中，先用砂紙打磨掉較大試驗(yàn)薄板上對(duì)邊的加工痕跡和表面氧化層等雜質(zhì)，最后用丙酮將試件清洗和風(fēng)干燥處理，用酒精擦拭兩塊薄板的待焊接部位，然后采用自制夾具將兩塊較大薄板對(duì)接并固定，對(duì)接處的間隙小于0.10 mm。以設(shè)計(jì)好的焊接工藝參數(shù)分別進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)，對(duì)焊后薄板進(jìn)行切割、清潔。

圖1 激光焊接示意圖 圖2 試樣拉伸圖

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)激光熔覆機(jī)提供的薄板焊接參考工藝參數(shù)以及前期進(jìn)行的預(yù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)多因素正交試驗(yàn)，并以拉伸試樣的拉伸強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行極差分析，最終得出最優(yōu)工藝參數(shù)。其中，由于離焦量可調(diào)范圍較大，為得到較優(yōu)的試驗(yàn)規(guī)律及準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，選取離焦量中間范圍即-15～-21 mm進(jìn)行正交試驗(yàn)。

以焊接工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)五因素四水平，選用L16(45)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行多因素正交試驗(yàn)，如表2所示。采用極差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲取影響激光焊接效果的五個(gè)因素的主次順序和各指標(biāo)下的最優(yōu)水平組合。

1.3 數(shù)據(jù)極差分析

針對(duì)表2所列的正交試驗(yàn)試樣拉伸強(qiáng)度值進(jìn)行極差分析。其中，i為列數(shù)即因素?cái)?shù)(A、B、C、D、E)，Kij為第i列第j水平時(shí)的試驗(yàn)平均值；R為第i列的極差值，表示該因素在其取值范圍內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)變化的幅度。極差分析可確定影響試驗(yàn)結(jié)果的主次因素，極差大表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大，是主要因素；反之為次要因素。

如表2所示，通過極差分析方法判斷五個(gè)因素對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響，計(jì)算出激光焊接試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果。可知，影響Q235/316薄板焊接抗拉強(qiáng)度的主要因素是離焦量(D)和脈寬(B)，次要因素是電流(A)，其因素主次順序?yàn)椋弘x焦量>脈寬>頻率>掃描速度>電流，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)組合是A1B4C3D4E2。雖然離焦量和脈寬對(duì)抗拉強(qiáng)度影響都較大，分別是32.91和32.49，但為研究最主要因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，現(xiàn)就離焦量單因素進(jìn)行分析。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2 離焦量單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

由正交試驗(yàn)結(jié)果分析可得，電流150 A、脈寬2.6 ms、頻率20 Hz、離焦量-15 mm、掃描速度250 mm/min為最優(yōu)工藝參數(shù)組合，以此參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)并對(duì)焊后試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其拉伸強(qiáng)度為386.42 MPa，斷后伸長率為8.25；離焦量對(duì)焊后抗拉強(qiáng)度影響最大，為獲得良好的焊縫質(zhì)量和較優(yōu)的抗拉強(qiáng)度，可以通過調(diào)整離焦量進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量。所以通過改變離焦量參數(shù)值進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究離焦量在電流、脈寬、頻率、掃描速度一定的工藝參數(shù)條件下對(duì)激光熔覆成形的影響，離焦量的試驗(yàn)范圍以2 mm為間隔，從-10 mm試驗(yàn)至-20 mm。

2.1 離焦量單因素試驗(yàn)結(jié)果

圖3為不同離焦量焊接宏觀形貌。從圖中可知，在6組不同離焦量下的Q235/316薄板對(duì)接焊，其焊縫都完整均勻、平整，形成了致密的魚鱗紋。其中當(dāng)離焦量為-10 mm時(shí)焊縫處為黑色，此時(shí)激光束能量密度過大，焊縫處瞬時(shí)熱量增大散熱速度降低，存在明顯的過燒缺陷；當(dāng)離焦量為-12、-14、-16、-18 mm時(shí)，焊縫魚鱗紋明顯宏觀形貌較好，焊縫處寬度也較均勻；當(dāng)離焦量為-20 mm時(shí)焊縫處為銀白色，此時(shí)激光束能量稍弱，焊縫處散熱較快，焊縫形貌較好。

2.2 抗拉強(qiáng)度分析

圖4為拉伸試驗(yàn)宏觀形貌。圖中①—⑥分別為離焦量-10、-12、-14、-16、-18、-20 mm下的拉伸試件形貌，其中離焦量為-10、-12 mm時(shí)，試件在焊縫處斷裂，試件長度無明顯變化；當(dāng)離焦量為-14 mm時(shí)，試件在Q235鋼處斷裂，拉伸后試件明顯伸長，長度約為88 mm，焊接接頭質(zhì)量較好；當(dāng)離焦量-16、-18 mm時(shí)，試件在Q235鋼處斷裂，試件有明顯伸長；當(dāng)離焦量為-20 mm時(shí)，試件斷裂位置在焊縫處，拉伸后試件有較少的伸長量。

圖3 不同離焦量焊接宏觀形貌

圖4 拉伸試驗(yàn)宏觀形貌

圖5 拉伸試樣的位移-載荷曲線

圖5為拉伸試樣的位移-載荷曲線。從圖中可知，隨著位移的增加，試件拉伸載荷先增大后減??；當(dāng)拉伸載荷超過2500 N時(shí)，焊接試件陸續(xù)出現(xiàn)屈服、斷裂。對(duì)比6組試樣，當(dāng)離焦量為-10、-12 mm時(shí)，在彈性變形階段和屈服階段后直接斷裂，試樣焊接接頭的最大拉伸載荷不足3500 N，這是因?yàn)殡x焦量偏小，激光束能量過大，焊縫處存在過燒等焊接缺陷，降低了對(duì)接焊的焊接質(zhì)量，不利于得到較好的焊接接頭；當(dāng)離焦量為-14、-16、-18 mm時(shí)，此時(shí)試樣拉伸的彈性變形、屈服階段、塑性硬化階段和頸縮變形階段完整，最大拉伸載荷都超過3500 N，其中離焦量為-14 mm，拉伸載荷最大，接近4000 N；當(dāng)離焦量為-20 mm時(shí)，試樣焊接接頭的最大拉伸載荷不足3500 N，這是因?yàn)殡x焦量偏大，激光束能量較小，焊縫接頭處不能完全熔融，得不到較好的焊接質(zhì)量。

表3為不同離焦量下焊接試件室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，離焦量為-14 mm時(shí)，拉伸試樣的整體焊接力學(xué)性能較好，其拉伸強(qiáng)度為396.72 MPa，屈服強(qiáng)度為296 MPa以及斷后伸長率為9.50；離焦量為-14 mm下的試件拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率優(yōu)于多因素正交試驗(yàn)優(yōu)化后離焦量為-15 mm下的焊接試件，所以，綜合最優(yōu)工藝參數(shù)組合為電流150 A、脈寬2.6 ms、頻率20 Hz、離焦量-14 mm、掃描速度250 mm/min。

表3 不同離焦量下焊接試件室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

通過多因素正交試驗(yàn)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)離焦量是影響Q235/316薄板焊后抗拉性能最主要的因素，離焦量對(duì)焊后力學(xué)性能有著重要影響，通過改變離焦量的參數(shù)值，獲得較好的焊接接頭抗拉性能。具體分析如下：

(1)采用極差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，不同工藝參數(shù)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響程度是不同的，其影響因素主次順序?yàn)椋弘x焦量>脈寬>頻率>掃描速度>電流；通過離焦量單因素分析結(jié)果可得出綜合最優(yōu)工藝參數(shù)組合為電流150 A、脈寬2.6 ms、頻率20 Hz、離焦量-14 mm、掃描速度250 mm/min。

(2)離焦量對(duì)焊接力學(xué)性能有重要影響。當(dāng)離焦量為-14 mm時(shí)，此時(shí)焊接接頭具有最優(yōu)的抗拉性能，其拉伸強(qiáng)度為396.72 MPa；當(dāng)離焦量為-20 mm時(shí)，此時(shí)離焦量偏大，激光束能量較小，焊縫接頭處不能完全熔融；當(dāng)離焦量為-10和-12 mm時(shí)，離焦量偏小，激光束能量過大，焊縫處存在過燒，降低了焊接質(zhì)量，不利于得到較優(yōu)焊接接頭。