0.2 mm 厚超薄不銹鋼激光焊接焊縫抗拉強度分析*

陳銀銀

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學院，河南 鄭州 450000）

不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，已經(jīng)廣泛應用于人們生產(chǎn)生活的方方面面[1]。但是不銹鋼的含鉻量高，焊接時容易出現(xiàn)晶間腐蝕，降低耐腐蝕性能；再加上超薄不銹鋼太薄，在焊接的時候難度更大，容易出現(xiàn)未熔合、燒穿、翹曲變形等問題[2-3]。尤其對于有受力要求的產(chǎn)品，更要關注焊縫區(qū)抗拉強度和硬度值的變化，本文主要研究0.2 mm 厚304 不銹鋼采用脈沖激光焊接時，焊縫的抗拉強度變化情況，以此為生產(chǎn)實踐提供參考。

1 超薄不銹鋼應用范圍

一般把厚度小于0.3 mm 的不銹鋼稱為超薄不銹鋼，常用的不銹鋼型號主要有321、301、304、316、304L、316L、309 等，其中304 和316 不銹鋼是食品級常用不銹鋼[4]。超薄不銹鋼的各種應用領域?qū)穸燃颁摲N的要求如表1所示[5-7]。

表1 各種應用領域?qū)穸燃颁摲N的要求

2 焊接方法的選擇

在很多零件上用到的不銹鋼都會涉及焊接，最常用的方法是鎢極氬弧焊，這種焊接方法經(jīng)濟實惠、操作簡單，但是對于厚度小于0.3 mm 的超薄不銹鋼，采用鎢極氬弧焊相當困難，常常出現(xiàn)端部未熔合的圓形缺口和燒穿的焊接缺陷，如圖1 所示，難以保證焊接質(zhì)量。

圖1 缺口和燒穿缺陷

而且在用鎢極氬弧焊方法焊接不銹鋼時，還不可避免地會存在飛濺，造成不銹鋼表面有很多凸起，影響美觀，甚至會破壞周邊其他部件。為了美觀，需要增加打磨、拋光工序，增加了生產(chǎn)成本，而對于飛濺影響到周邊零部件的情況，只能進行遮擋。這對于自動化生產(chǎn)線來說顯然不太現(xiàn)實，所以對于超薄不銹鋼焊接最常用的方法是激光焊接，激光焊接主要有連續(xù)激光焊接、脈沖激光焊接兩種。本試驗用到的是脈沖激光焊接。由于脈沖激光焊接的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)，能夠更好地控制能量，更容易保證焊接質(zhì)量，避免燒穿情況的發(fā)生，更適合焊接超薄板件[8]。

3 試驗設備和材料

本試驗采用JHM-1GXY-300E 型脈沖激光焊機，焊接材料為0.2 mm 厚的304 不銹鋼薄板，試板尺寸為40 mm×20 mm×0.2 mm，試驗采用的304不銹鋼化學成分如表2所示[9-10]。

4 正交試驗

將提前切割好的尺寸為40 mm×20 mm×0.2 mm的304 不銹鋼片作為焊接試樣對接，采用自制夾具夾緊，放置在合適的工作位置。調(diào)整兩塊板件間隙，初步定為無間隙，后期根據(jù)填絲情況調(diào)整對接間隙。為了保證焊接效果，焊接時采用氬氣進行保護，氬氣流量為5 L/min，聚焦鏡的焦距為55 mm，焊接速度初步定為150 mm/min，光斑直徑為0.3 mm，焊接電流、脈沖寬度和脈沖頻率根據(jù)正交試驗結(jié)果進行試驗。

根據(jù)前期試驗結(jié)果，在激光光斑直徑、焊接速度、氬氣流量一定的情況下，影響脈沖激光焊接超薄不銹鋼焊接接頭質(zhì)量的主要因素有焊接電流、脈沖寬度、脈沖頻率和離焦量。焊接電流為主要影響參數(shù)，影響焊縫深度，當焊接電流小于80 A 時，焊縫容易出現(xiàn)未熔合的現(xiàn)象；當焊接電流大于84 A 時，很容易發(fā)生燒穿現(xiàn)象。脈沖寬度和脈沖頻率為次要影響因素，脈沖寬度和脈沖頻率主要影響焊縫的深度和寬度。若脈沖頻率太高，前一個周期的激光能量還在起作用，下一個周期就會疊加上；如果焊接電流過大，則極容易發(fā)生燒穿現(xiàn)象，而且焊縫表面成形不美觀，焊縫凸起過高，平直度也不好；經(jīng)過初步試驗，脈沖頻率在18 Hz~22 Hz 之間比較合適。激光焊接時，離焦量可以取正值、負值，也可以等于0。激光焊接厚板時，離焦量一般取負值，即為負離焦，此時激光焦點位于母材拼接縫隙中間位置，能更好地傳輸熱量，保證焊接厚板的時候更容易焊透；激光焊接薄板時，離焦量一般取正值，即為正離焦，此時激光焦點位于拼接縫隙上方，調(diào)節(jié)正離焦量大小，即可獲得不同光斑直徑。正負離焦量對焊縫的影響如圖2 所示，本試驗是焊接超薄板件，采用正離焦。

圖2 正負離焦量對焊縫的影響

前期試驗發(fā)現(xiàn)，即使采用正離焦也需要有一定的范圍，當正離焦量過小時，依然會發(fā)生燒穿；而當正離焦量過大時，焊縫表面會發(fā)黑并且不平整。經(jīng)多次試驗之后，獲得了一個能保證焊縫表面美觀的離焦量，初步將離焦量定為此值。

正交試驗主要針對焊接電流、脈沖寬度和脈沖頻率進行設計，前期的試驗已經(jīng)探索出合適的焊接電流范圍為80 A~84 A，脈沖寬度范圍為2.0 ms~2.4 ms，脈沖頻率范圍為18 Hz~22 Hz，每個參數(shù)確定3 個水平，取值如表3 所示。采用L9 三因素三水平正交表設計試驗，正交試驗設計方案如表4所示。

表3 正交試驗因素水平表

表4 正交試驗設計方案

表4 優(yōu)化后的試驗參數(shù)主要有9 組，在試驗時，重點觀察焊縫成形，對于焊縫成形美觀的焊接試樣進行標記，在試樣上貼標簽寫上編號和具體的工藝參數(shù)，以免后期混淆。

各試驗編號對應的正交試驗結(jié)果如表5 所示，方差分析如表6 所示。表中的T1、T2、T3 分別表示因素A、B、C在1、2、3水平下的抗拉強度之和，R為極差。

表5 正交試驗結(jié)果

表6 方差分析數(shù)據(jù)表

由正交優(yōu)化試驗結(jié)果分析得出，最佳工藝參數(shù)為：焊接電流82 A、脈沖寬度2.2 ms、脈沖頻率22 Hz。此時能夠獲得抗拉強度最大的焊縫。經(jīng)過試驗驗證，在采用焊接電流82 A、脈沖寬度2.2 ms、脈沖頻率22 Hz 時，獲得了成形優(yōu)良的焊縫，此時焊縫魚鱗紋整齊、寬度一致、凸起均勻。

5 拉伸試驗

對于采用脈沖激光焊方法焊接的超薄不銹鋼產(chǎn)品，由于使用時主要考慮其承受抗拉載荷的能力，因此采用抗拉強度作為工藝參數(shù)的主要評定標準。將焊接好的試樣剪裁成合適大小，夾持在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，測試其具體拉斷力，記錄數(shù)據(jù)，再根據(jù)拉伸試樣的寬度和厚度，計算抗拉強度。表中編號對應正交試驗表編號，具體試驗數(shù)據(jù)如表7 所示。由于焊接過程中沒有采用填絲填料，實際焊縫處厚度小于0.2 mm，而本表在計算時，拉伸試樣厚度取0.2 mm，故焊縫實際的抗拉強度值大于本表計算值。

表7 拉伸試驗數(shù)據(jù)

測試母材的抗拉強度為578 MPa，試驗結(jié)果表明，采用最佳工藝參數(shù)（編號5）焊接時，接頭的承載能力能夠達到母材的99%，焊接接頭的抗拉強度和母材基本一致，符合使用要求。

6 結(jié)論

采用脈沖激光焊接0.2 mm 厚304 不銹鋼時，采用最佳工藝參數(shù)焊接，焊縫區(qū)的抗拉強度能夠跟母材相當，可以達到母材承載能力的99%以上。經(jīng)過拉伸試驗驗證，焊接接頭在斷裂時也正是從焊縫和母材交界處斷裂，所以在脈沖激光焊接的0.2 mm 厚304不銹鋼產(chǎn)品的使用過程中，要重點檢查焊縫和母材交接處有無裂紋、有無斷裂風險。