A3鋼薄板激光對接焊工藝研究

杜洋　趙凱　時云　郝云波　朱忠良　侍倩

摘要：針對A3鋼薄板進行連續(xù)激光對接焊工藝實驗，研究不同工藝參數(shù)對焊接成形質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著激光功率的增加，焊接接頭熔池寬度、深度及抗拉強度逐漸增加;隨著焊接速度的增加，接頭熔池寬度、深度降低及抗拉強度逐漸降低;離焦量對接頭形貌及拉伸性能影響較小;焊縫間隙小于等于50 μm時，接頭抗拉強度基本保持不變，可實現(xiàn)有效焊接。

關(guān)鍵詞：激光對接焊;A3鋼;工藝參數(shù);焊縫間隙

中圖分類號：TG456.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）01-0075-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.13

0 前言

一些加熱面積較大的焊接方式容易導(dǎo)致薄板焊穿和變形，因此需要選用能量密度更為集中的焊接方式。激光焊接技術(shù)具有焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊接成形美觀、深寬比較高等優(yōu)點[1-3]，對于提高薄板的焊縫成形質(zhì)量有著積極作用。本文采用連續(xù)激光焊研究不同工藝參數(shù)對1.5 mm A3鋼薄板焊接成形件接頭形貌及力學(xué)性能的影響規(guī)律，并得出最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。

1 實驗材料、設(shè)備及方法

實驗材料為 A3鋼薄板，尺寸200 mm×50 mm×1.5 mm，實驗時將2塊薄板在長度方向上進行對接。實驗用設(shè)備為本單位自研的標準型千瓦級焊接設(shè)備（Kre-LW1000），采用美國IPG 型光纖連續(xù)激光器，激光波長1 060 nm，光斑尺寸200 μm，最大輸出功率1 kW。焊接前使用丙酮擦拭試樣表面以去除油污，選用純度99.999%的氬氣作為保護氣體，氣流量為20 L/min。焊接過程中采用工裝夾具，防止薄板變形[4-5]，實驗系統(tǒng)如圖1所示，對接焊示意以及接頭形貌如圖2所示。

使用單因素分析法研究激光功率、焊接速度、離焦量以及焊縫間隙對接頭形貌及力學(xué)性能的影響，工藝實驗方案如表1所示。焊接結(jié)束后通過線切割切取焊接接頭，經(jīng)過研磨、拋光及腐蝕液（4%硝酸酒精）處理后，在倒置顯微鏡下觀察焊縫形貌，并使用萬能拉伸實驗機進行拉伸實驗。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 激光功率的影響

不同激光功率下獲得的焊接接頭形貌如圖3所示。圖中黑線包絡(luò)部分表示在焊接過程中焊縫附近材料受熱熔化后凝固的組織，右上角小圖表示該工藝參數(shù)下的焊縫表面形貌。可以看出，當激光功率較低（小于700 W）時，接頭部分存在部分縫隙，即未焊透情況。隨著激光功率的增大，焊縫上表面熔寬變化不大，下表面熔寬逐漸增大，熔深逐漸增高，當激光功率為800 W時，熔深變化不再明顯，氣孔逐漸降低。同時觀察焊縫表面形貌發(fā)現(xiàn)，當激光功率增加到一定程度時，接頭表面呈深棕色，這是因為激光功率過大時容易造成焊接表面嚴重氧化，影響焊縫美觀。

對表1各實驗條件下得到的焊接成形件進行拉伸實驗，結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著激光功率的增加，激光對接焊成形件抗拉強度逐漸增加，當功率為800 W時，上升速率不再明顯。綜上分析發(fā)現(xiàn)，激光功率對焊縫熔池形貌即成形件抗拉強度有著較為顯著的影響，因此確定合適的激光功率可以對激光對接焊成形質(zhì)量提供可靠保證。綜合考慮焊縫熔池形貌、表面形貌及拉伸強度等因素，選擇P=800 W為較優(yōu)的激光功率。

2.2 焊接速度的影響

在不同掃描速度下形成的焊接接頭形貌如圖4所示。由圖4可知，當其他焊接參數(shù)一定時，焊接速度對接頭形貌的影響較為顯著。隨著焊接速度的增大，焊縫上下表面的熔寬逐漸減小，熔深也隨之降低，且焊接速度增加到一定程度（40 mm/s）時，焊縫未能焊透，這是由于焊接速度過快，材料來不及吸收大量激光能量，導(dǎo)致單位時間能量密度較低，未能使焊縫下半部分熔化完全。同時根據(jù)拉伸實驗結(jié)果，成形件抗拉強度隨著焊接速度的增大逐漸降低。結(jié)合焊接截面形貌、拉伸實驗結(jié)果及表面形貌等因素，選擇v=30 mm/s為較優(yōu)的焊接速度。

同時，對比實驗T1及T6發(fā)現(xiàn)，在單位能量密度相等的情況下，焊縫形貌及接頭抗拉強度也有所不同，這說明焊接質(zhì)量不完全取決于單位能量密度（激光功率與焊接速度的比值）。進一步觀察T1及T6焊縫接頭形貌發(fā)現(xiàn)，在T6實驗情況下，焊縫熔池寬度和深度更小且形成的孔洞更大，說明焊接速度對焊縫質(zhì)量影響更大。

2.3 離焦量的影響

不同離焦量下形成的接頭形貌如圖5所示。由圖5可知，離焦量在0～-2 mm范圍變化時，對熔池上下表面的寬度影響較小，但隨著離焦量絕對值的增加，熔池深度逐漸變長。同時，由于離焦量能夠改變激光作用在焊縫表面的光斑大小，因此會影響焊縫表面的功率密度分布。當離焦量絕對值為0時，表面接受的功率密度相對較大，導(dǎo)致焊縫表面呈深棕色，即氧化較為嚴重，同時容易產(chǎn)生飛濺，進一步影響表面質(zhì)量。分析拉伸實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，離焦量對成形件的抗拉強度影響不大。

綜上可知，在本實驗條件下，離焦量選擇-1 mm、

-2 mm更為合理。

2.4 焊縫間隙的影響

在焊接樣件裝夾過程中，樣件之間的焊縫間隙對焊縫形貌影響較大，進而影響樣件的力學(xué)性能。不同焊縫間隙下接頭形貌如圖6所示。當焊縫間隙較大時，熔池中間部分塌陷，熔寬及熔深呈逐漸降低趨勢，進一步導(dǎo)致抗拉強度顯著減小。當焊縫間隙減至50 μm時，熔池塌陷狀況不明顯，同時結(jié)合接頭拉伸實驗發(fā)現(xiàn)，當焊縫間隙小于50 μm時，抗拉強度基本保持不變，可實現(xiàn)有效焊接。

3 結(jié)論

（1）激光功率對焊縫成形影響顯著，隨著激光功率的增加，熔池上、下表面寬度均增加，結(jié)合面處寬度變化相對較小，接頭抗拉強度增加，但功率較大時表面氧化嚴重。

（2）焊接速度對焊縫成形質(zhì)量影響明顯，隨著焊接速度的增加，熔池上、下表面寬度降低。且單位能量密度相等時，焊接速度對焊縫質(zhì)量影響更大。

（3）熔透情況下，一定范圍內(nèi)離焦量的數(shù)值變化對焊縫成形質(zhì)量影響不明顯。

（4）激光對接焊成形時，容許一定的焊縫間隙。當激光功率為800 W、焊接速度30 mm/s、離焦量-1 mm、焊縫間隙低于50 μm時，1.5 mm厚度A3鋼激光對接焊可實現(xiàn)有效焊接。

參考文獻：

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