基于激光焊的薄壁體焊接工藝優(yōu)化研究

李雄志,張穎,王虎,楊黃銳

(東風(武漢)實業(yè)有限公司,湖北武漢 430000)

0 引言

焊接技術是工業(yè)生產(chǎn)中重要的連接技術。激光焊接在多種行業(yè)都有廣泛應用。在特種材料焊接中，國內(nèi)進行了許多研究，如對BT20欽合金、H E130合金[2]等的焊接。德國玻璃機械制造商Glamaco Coswig公司和IFW接合技術與材料試驗研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術。我國激光焊接技術也處于領先水平，2004 年，華工激光法利萊“高功率激光切割，焊接及切焊組合加工技術與設備”項目獲得國家科學技術進步二等獎[3]；2006 年 9 月，中科院沈陽自動化研究所開發(fā)出國內(nèi)第一套激光拼接成套生產(chǎn)線，并成功開發(fā)了機器人激光焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了平面和空間曲線的激光焊接[4]。

激光焊接參數(shù)是影響焊接質(zhì)量的重要因素。只要控制好主要參數(shù)，即能有效采用高激光焊接加工技術[1]。本文作者闡述了激光焊接基本原理及國內(nèi)外研究概況，并采用正交分解法進行激光焊接實驗。同時采集相關數(shù)據(jù)，觀察接頭金相組織并分析焊接接頭試樣在不同的激光焊接工藝參數(shù)條件下的焊接接頭成形質(zhì)量、接頭變形以及焊接強度等，以獲得最佳的激光焊接工藝參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 母材及試樣準備

利用切割機將母材切割成150 mm×30 mm的試件進行實驗。

馬口鐵的成分見表1[5]。

試樣準備：將實驗材料按照需要焊接的尺寸進行裁剪；焊前清洗，將母材試樣放入盛有丙酮和無水乙醇的燒杯中清洗去除水、銹等污物，清洗時間各為15～20 min，用電吹風機吹干準備焊接。

1.2 實驗設備

實驗選用深圳大族激光焊接機，其型號是WF310。焊接機的性能見表2。

表2 WF310激光焊接機性能參數(shù)

1.3 夾具的設計

由于實驗時需要焊接的材料很薄，在焊接時必須保證焊接試件的平整和穩(wěn)定，所以在進行實驗之前需設計制造出夾具來確保實驗的正常進行。設計的夾具圖如圖1所示。

圖1 夾具設計圖

1.4 實驗設計

1.4.1 實驗方法

將裁剪好的試件采用對焊的焊接方法固定在夾具上，調(diào)節(jié)不同的焊接參數(shù)，結合鍍鉻馬口鐵包裝金屬板材料焊接的實際情況，討論激光功率、激光脈沖寬度、焊接速度及脈沖頻率4種因素對焊接的影響，確定一組最優(yōu)工藝參數(shù)。

文中采用對接法進行焊接。

1.4.2 實驗內(nèi)容

影響激光焊接接頭質(zhì)量的因素有4個，3個水平因素。因素水平表見表3。

表3 因素水平表

選擇L9(34)正交表，具體見表4。

表4 L9(34)正交表

按照表4的正交試驗表進行實驗，對焊接接頭進行檢測以及綜合評判，選出最佳的實驗參數(shù)。

1.5 金相試樣的制備

1.5.1 焊縫的宏觀形貌

根據(jù)試驗方案進行實驗，實驗過后把所得的試樣按要求進行切割、打磨、拋光和腐蝕，用相機記錄下宏觀形貌如圖2所示。由于焊縫截面比較小，不便于打磨及金相觀察，故將焊接件用牙托粉鑲嵌在塑料管中。

圖2 鑲嵌后的試件

1.5.2 金相制備

金相組織觀察分析之前要進行試樣的金相制備。其主要步驟如下：

(1)預磨試樣

在焊接后的試樣上選取具有代表性的地方，用手工鋸截取試樣。先用 NO.100 的粗砂紙把試樣的焊縫截面磨平到無大的劃痕，用砂紙進行精細打磨，至試樣表面平整。預磨過程中，每當更換一次更細的砂紙打磨時，試樣打磨的方向為前一次打磨方向的垂直方向，并且給試樣施加的壓力要適當，力道逐步降低[6]。

(2)機械拋光

需要對粗磨好的試樣進行機械拋光，在拋光前先在拋光布上擠少量金剛石研磨膏，由于馬口鐵的硬度不高，所以選擇用3.5人造金剛石研磨膏。拋光過程中應使用 900 r/min的拋光機來進行拋光。拋光過程中應該將試樣放在靠近拋光機中央部位拋光，直到試樣拋光至在金相顯微鏡下觀察無劃痕為止。每換一個試樣時拋光布要用清水清洗。

(3)試樣腐蝕

將拋光后的試樣用清水沖洗干凈，再用酒精除去水漬和污物。將試樣在4%的硝酸乙醇溶液的腐蝕劑中進行腐蝕，腐蝕時間約為4 s，腐蝕后立即用水沖洗，然后再用酒精除水，用吹風機吹干試樣，放在100、200、500倍目鏡下對焊縫截面進行觀察，如能清楚看清組織且無明顯劃痕，則試樣準備完畢，否則重復以上步驟直到滿足需求[7]。

2 實驗結論與分析

2.1 顯微硬度測試

馬口鐵經(jīng)過激光焊焊接后的試件使用FM-300超微載荷顯微硬度計進行硬度測試，測試載荷為0.490 5 N，加壓時間為5 s。制備好試樣后為了使熔合區(qū)位置明顯，測試硬度值時，從焊縫中心向熔合去母材方向測試硬度值。用激光焊接馬口鐵薄壁的實驗一共有9組，每個試件不同區(qū)域的硬度值見表5—表14。

表5 試件1顯微硬度測試值 HV

表6 試件2顯微硬度測試值 HV

表7 試件3顯微硬度測試值 HV

表8 試件4顯微硬度測試值 HV

表9 試件5顯微硬度測試值 HV

表10 試件6顯微硬度測試值 HV

表11 試件7顯微硬度測試值 HV

表12 試件8顯微硬度測試值 HV

表13 試件9顯微硬度測試值 HV

表14 母材顯微硬度測試值 HV

2.1.1 試件硬度分析

焊接熱流會對靠近焊縫的基體內(nèi)造成較大的影響，形成熱影響區(qū)。在熱影響區(qū)內(nèi)，組織會發(fā)生變化，并有碳化物出現(xiàn)。更重要的是，由于焊接時受熱不均、變形和相變，將會在焊縫中產(chǎn)生殘余應力。在熱影響區(qū)內(nèi)緊鄰焊縫區(qū)的一側，會有拉應力存在，這一拉應力將會導致應力腐蝕現(xiàn)象[8]。

根據(jù)文獻報道，在進行硬度測量時，殘余應力的存在會影響壓痕深度和接觸面積，從而對測量值產(chǎn)生影響，采用維氏硬度可以對殘余應力的大小進行表征[9]，利用硬度值來表征接頭處的殘余應力大小。

圖3為各試件的顯微硬度曲線，可以看出,從焊縫區(qū)到基體區(qū)的硬度整體上呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢;焊接焊縫附近的硬度數(shù)值要比母材的硬度值高。原因主要有：(1)激光焊接時，焊接的速度快，熔池的冷卻凝固速度也快，晶粒細化效果非常地明顯，致使焊縫中晶粒尺寸要比母材中的晶粒尺寸小很多，焊縫區(qū)域的硬度比母材硬度值高約50;(2)因焊接會在焊縫中產(chǎn)生較大的應力，導致了母材硬度與焊縫區(qū)域硬度差別很大。還可以看出：焊縫區(qū)域的寬度和熱影響區(qū)的寬度因不同的焊接參數(shù)而不一樣，當焊縫越窄時，焊縫的質(zhì)量就越好;熱影響區(qū)的寬度隨著焊接速度的增加而變小;從焊縫區(qū)到基體區(qū)的硬度整體上呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。圖3中的虛線并不一定是焊縫熱影響區(qū)以及母材的分界，但是測得的數(shù)值是相應區(qū)域的。

圖3 各試件的硬度曲線

正交分析時考察焊縫熱影響區(qū)的顯微硬度最大值，由表5—表14可知每個試件的顯微硬度最大值，將其加入到正交表中(表15)，由此可用數(shù)學計算來選擇出一組最優(yōu)方案。

表15 正交試驗表

表中，K1表示因素A、B、C、D的第1水平所在的實驗中考察指標：熱影響區(qū)顯微硬度之和；K2表示表示因素A、B、C、D的第2水平所在的實驗中考察指標：熱影響區(qū)顯微硬度之和；K3表示表示因素A、B、C、D的第3水平所在的實驗中考察指標：熱影響區(qū)顯微硬度之和；k1,k2,k3表示表示K1,K2,K3的平均值，因為是3個指標相加，所以應除以3，得到表中的結果。

由表中可知，各因素對實驗指標(熱影響區(qū)硬度)的影響按大小次序來說應當是D(焊接速度)、B(脈沖寬度)、C(脈沖頻率)、A(激光功率)；最好的實驗方案是A3B2C1D3，即A3:激光功率，第3水平，1.6 kW;B2:脈沖寬度，第2水平，2.5 ms;C1:脈沖頻率，第1水平，13 Hz;D3:焊接速度，第3水平，5.5 mm/s。

可以看出，分析出的最好方案在已經(jīng)做過實驗中出現(xiàn)過，這也說明找出的最好方案是符合要求的。

2.1.2 焊接速度對硬度的影響

從表15可以算出試件1,5,9的平均硬度是569.63 HV,試件2,6,7的平均硬度是565.7 HV，試件3,4,8的平均硬度是525.99 HV。而試件1,5,9的焊接速度時4.5 mm/s，試件2,6,7的焊接速度時5.0 mm/s，試件3,4,8的焊接速度時5.5 mm/s。試件的硬度隨著焊接速度變化的曲線如圖4所示。

圖4 硬度隨焊接速度變化曲線

由圖可看出，隨著焊接速度增加試件的硬度出現(xiàn)變大趨勢。原因如下：(1)隨著焊速的增加，熱輸入量減少，熔池中δ→γ的轉變被抑制，起到強化作用的硬相鐵δ鐵素體含量增多，使得焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的平均硬度值上升。(2)焊接速度的減小會導致焊接熱輸入的增加，進而使焊縫晶粒粗化，造成該位置塑性和韌性下降。

2.2 焊接試件的微觀組織分析

進行實驗時，焊接區(qū)域附近的組織和成分會發(fā)生變化。為了獲得好的激光焊焊縫，焊縫的微觀組織觀察和分析是必不可少的。將按照正交實驗設計焊接的試件以及母材經(jīng)過腐蝕后進行金相顯微鏡觀察。

母材的材料是馬口鐵，其含碳量是0.101%，屬于低碳鋼。母材的基體組織是鐵素體+珠光體。如圖5所示，白色部分是鐵素體，黑色部分是珠光體。測量鐵素體晶粒的平均長度是10.63 μm,平均寬度是8.25 μm。從圖中可以看出，晶粒形狀大小比較均勻。

圖5 母材顯微組織

從圖5和圖6可以看出母材再經(jīng)過激光焊接之后顯微組織發(fā)生了明顯變化。圖6(a)中黑色部分為板條狀馬氏體，白色部分為鐵素體，還有少量沿晶界分布的珠光體。焊縫區(qū)出現(xiàn)板條狀馬氏體的主要原因為：當焊接速度較高時，焊縫的加熱和冷卻速度較高，相當于經(jīng)過了淬火，因此焊縫區(qū)出現(xiàn)了板條狀馬氏體。圖6(a)中在焊縫中心處的鐵素體的平均長度是8.605 μm,平均寬度是6.345 μm。與母材的晶粒大小比較之后，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)的晶粒變小。原因是：焊接過程中，因有溫度高且加熱范圍小的特點，主要靠傳導的熱量擴散很快，所焊縫的冷卻速度也很快，導致原本是有一定取向的纖維組織在焊接重熔冷卻結晶過程中組織細化。圖6(b)中在熔合區(qū)左側也就是靠近焊縫方向的熱影響區(qū)晶粒明顯變大。熱影響區(qū)的組織形式主要是馬氏體+鐵素體，是由于發(fā)生再結晶形成的，有部分馬氏體中的過飽和碳析出，形成鐵素體組織。

圖6 試件1焊縫和熔合區(qū)微觀組織

正交實驗中的第二組，經(jīng)過激光焊接實驗后發(fā)現(xiàn)雖然試件的上下表面焊接紋理清晰，但是試件有焊透和塌邊嚴重現(xiàn)象，其表面形貌如圖7所示，說明第二組實驗的參數(shù)對于焊接0.2 mm的馬口鐵板不太適用,正常焊縫外觀如圖8所示。

圖7 試件2焊縫外觀

圖8 正常焊縫外觀

圖9為3號件的顯微組織，圖9(a)是焊縫中心區(qū)域組織，黑色板條狀是半條狀馬氏體，白色組織是鐵素體，還有少量沿晶界分布的珠光體。經(jīng)測量得知鐵素體的平均長度是8.532 μm，平均寬度是6.33 μm。相比較于母材中鐵素體的晶粒尺寸，焊縫中心的鐵素體晶粒變小，但是與8號試件的晶粒尺寸比較，3號件中晶粒尺寸變大。圖9(b)是熔合區(qū)顯微組織，靠近母材的熱影響區(qū)晶粒尺寸明顯變大。但是熱影響區(qū)寬度較窄。

圖9 試件3焊縫及熔合區(qū)微觀組織

圖10為4號件的顯微組織，由圖10(a)可以看到條狀的黑色組織，是焊縫在激光焊接時經(jīng)歷了較高的加熱和冷卻速度形成的板條狀的馬氏體，但是板條狀馬氏體的分布不太均勻。白色晶粒是鐵素體，還有少量沿晶界分布的珠光體。焊縫中心鐵素體的平均長度是9.23 μm,平均寬度是7.35 μm,與母材中鐵素體的晶粒尺寸比較是得到了細化，但是仍比8號件晶粒尺寸大。由圖10(b)中可以明顯看出晶粒尺寸變大的熱影響區(qū)較寬。

圖10 試件4焊縫及熔合區(qū)微觀組織

正交實驗的第五組，經(jīng)過激光焊接實驗后發(fā)現(xiàn)，5號試件雖然融透了，但是上下表面的紋理模糊，焊接效果一般，其焊縫的表面形貌如圖11所示。

圖11 試件5的表面形貌

從圖12可看到，焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的組織和晶粒尺寸發(fā)生了明顯的變化。圖12(a)是焊縫中心的顯微組織照片，其中有黑色的板條狀組織，是在激光焊接時有較高的加熱和冷卻速度而得到的馬氏體，白色組織是鐵素體，還有少量的黑色珠光體沿晶界分布著。在焊縫中心位置，鐵素體晶粒的平均長度是8.58 μm,平均寬度是6.77 μm，與母材中的鐵素體晶粒尺寸相比較是變小了，但與8號試件中焊縫中心的鐵素體晶粒尺寸比較是變大了。

圖12 試件6焊縫及熔合區(qū)微觀組織

圖13為7號試件焊縫及熔合區(qū)的顯微組織，從圖中可以明顯看出，在經(jīng)過激光焊接之后，母材的顯微組織以及晶粒尺寸發(fā)生了明顯的變化，圖13(a)中黑色的條狀組織是板條狀馬氏體，白色組織是鐵素體，還有少量的珠光體沿晶界分布。在焊縫中心位置的鐵素體的平均長度是9.25 μm,平均寬度是7.23 μm,相比較于母材中的鐵素體的晶粒尺寸，焊縫中心的鐵素體晶粒變小，但是與8號試件焊縫中心的鐵素體晶粒相比，晶粒細化不太明顯。

圖13 試件7焊縫及熔合區(qū)微觀組織

從圖14中可以明顯看出，母材在經(jīng)過激光焊接之后晶粒尺寸以及組織發(fā)生了明顯變化，圖14(a)和(c)臨近母材處的熱影響區(qū)，晶粒尺寸明顯變大。圖14(b)是焊縫中心位置的顯微組織，黑色條狀組織是板條狀馬氏體，馬氏體的分布也比較均勻，白色組織是鐵素體，還有少量的沿晶界分布的珠光體，呈黑色。焊縫中心位置的鐵素體晶粒的平均長度是8.375 μm,平均寬度是6.125 μm,相比較于母材中鐵素體的晶粒尺寸，焊縫中心處的晶粒細化比較明顯。

圖14 試件8焊縫及熔合區(qū)微觀組織

圖15為9號試件的顯微組織照片，圖中白色晶粒是鐵素體，沿晶界分布的以及黑色顆粒狀組織是珠光體，也有少量黑色板條狀的馬氏體。在焊縫中心的鐵素體的平均長度是8.68 μm,平均寬度是7.02 μm，與母材中的鐵素體晶粒尺寸相比是變小了，得到了細化。但是與8號試件相比，晶粒細化不太明顯。組織中只有少量的板條狀馬氏體，會使焊縫的硬度不夠，影響焊縫質(zhì)量。

圖15 試件9焊縫區(qū)微觀組織

2.3 工藝優(yōu)化分析

經(jīng)過正交分析實驗焊接后試件的金相分析以及硬度分析，綜合選擇出8號試件的焊接參數(shù)為最佳焊接參數(shù)。把同一種材質(zhì)成型了的馬口鐵罐剪開之后，對用激光焊接部分進行金相以及硬度實驗來確定8號件的實驗參數(shù)合理性。經(jīng)過一系列的實驗后得到其金相圖如圖16所示。

圖16 馬口鐵罐焊縫區(qū)微觀組織

從圖16可以看到白色組織是鐵素體，少量的板條狀組織是板條狀馬氏體，還有少量的黑色的珠光體沿晶界分布著。經(jīng)過測量，焊縫中心的鐵素體的平均長度是8.68 μm，平均寬度是7.2 μm。焊縫中心的晶粒尺寸與母材的晶粒尺寸相比是明顯細化，但是與8號試件相比，成型的馬口鐵罐焊縫中心區(qū)的晶粒比8號件的晶粒尺寸要大。說明8號件的晶粒細化現(xiàn)象比較明顯，同時也說明8號件焊縫區(qū)的韌性和塑性要比馬口鐵罐焊縫好。另一方面，圖16中只有少量的板條狀馬氏體且馬氏體的分布不太均勻。

對馬口鐵罐進行硬度實驗，得到的硬度數(shù)值見表16。

表16 罐身焊接接頭顯微硬度值 HV

經(jīng)計算得知馬口鐵罐焊縫區(qū)的平均硬度是201.72 HV,熱影響區(qū)的平均硬度是190.87 HV;8號試樣焊縫區(qū)的平均硬度是216.21 HV,熱影響區(qū)的平均硬度是210.88 HV,所以8號件的焊接接頭硬度比馬口鐵罐顯微硬度要高，結合金相分析，8號件的激光焊接工藝比廠家生產(chǎn)的馬口鐵罐的焊接工藝要好。

3 結束語

通過正交分析法設計實驗，采用脈沖激光焊焊接薄壁馬口鐵，得出如下結論：

(1)工藝參數(shù)為：激光功率為1.6 kW、脈沖寬度為2.5 ms、脈沖頻率為13 Hz、焊接速度為5.5 mm/s時，焊接接頭力學性能和金相組織優(yōu)于其他試樣；

(2)適當增加激光焊的焊接速度，焊縫和熱影響區(qū)的硬度也隨之增加。