不銹鋼板激光光束擺動疊焊工藝研究

李 翠 周 丹 孟曉明 葉 兵 王愛華,3

1.武漢華工激光工程有限責任公司激光先進制造技術湖北省重點實驗室，武漢,4302232.武漢南瑞電力工程技術裝備有限公司，武漢,4304153.華中科技大學材料科學與工程學院，武漢,430074

0 引言

不銹鋼疊焊板在冷卻設備、大型壓力容器等設備中已有著日益廣泛的應用[1-3]，而焊接接頭是上述設備中承壓部位最為薄弱的環節，因此焊接質量成為該類設備制造過程中的關鍵環節。激光焊接具有焊后無需后處理、焊接變形小、焊接效率高、連續焊接密封性能好和節能環保等優點，非常適用于不銹鋼板的非熔透型焊接[4-6]。疊焊板結合面熔寬是確保疊焊接頭力學性能的關鍵指標，但光纖激光非熔透深熔焊焊縫形狀為丁字形，焊縫的上部寬、中間平直、底部窄且深，疊焊時結合面熔寬窄，從而導致疊焊接頭的抗剪切性能降低。當光斑直徑不變時，若僅調整激光功率和焊接速度，則結合面寬度增大的空間有限；通過增大正離焦量或減小負離焦量可以獲得較大的表面熔寬，但熔深也會隨之大幅減小，很難同時獲得合適的熔深和熔寬；通過改變光學配置來增大聚焦光斑直徑，結合面熔寬僅有小幅度增大，且需顯著增大激光器輸出功率來保證焊縫熔深[7]。

此外，激光非熔透焊接過程中常存在匙孔不穩定而導致的工藝型氣孔問題[8-9]。目前抑制工藝性氣孔的方法主要有激光離焦量控制法[10]、脈沖激光焊接法[11]和雙光束焊接法[12]等，雖然上述方法均能抑制氣孔的產生，但存在能耗高或工藝復雜繁瑣等問題。近年來人們發現采用激光光束擺動焊接技術對氮氣孔有顯著的消除效果[13]，但目前該項技術主要應用于有色金屬的焊接[14-18]，在不銹鋼疊焊中的應用研究還未見報道。

本文采用雙楔形棱鏡旋轉激光光束擺動焊接技術進行不銹鋼板激光疊焊工藝研究，并分析了激光光束擺動焊接工藝參數對不銹鋼疊焊接頭氣孔率、結合面熔寬和焊縫質量的影響規律。

1 試驗材料及方法

試驗采用301不銹鋼冷軋板進行疊焊，上下板的尺寸分別為200 mm×100 mm×1.5 mm和200 mm×100 mm×3 mm，301不銹鋼冷軋板母材化學成分見表1。試驗所用的激光器型號為YLS-6000的光纖激光器(IPG公司生產)，激光波長為1 070 nm，額定輸出功率為6 kW，光纖芯徑為200 μm，焦點處光斑直徑為0.4 mm。焊接頭采用型號為D50的擺動激光頭，分別采用5種激光光束擺動方式對上述不銹鋼板進行激光疊焊，如圖1所示。焊接設備配備KUKA六軸機器人，焊接過程中采用N2進行保護，氣流量為20 L/min。

表1 301不銹鋼的化學成分(質量分數)

圖1 五種激光光束擺動方式Fig.1 Five wobbly types of laser beam

焊后采用型號為DK7732Z的電火花數控線切割機床取樣，金相樣品磨好拋光后，采用FeCl3鹽酸酒精溶液對其進行腐蝕，利用Dino-lite Digital Microscope電子顯微鏡觀察焊縫截面形貌，采用XJL-03金相顯微鏡觀察焊縫微觀組織，WDW-200E微機控制電子萬能試驗機對疊焊試樣進行剪切拉伸試驗，拉伸試樣示意圖見圖2，每種樣品各取3個拉伸試樣，并對測試得到的剪切線載荷取平均值。

圖2 拉伸試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile sample

隨機取長度為40 mm的焊縫中心縱截面觀察氣孔形貌和分布，如圖3所示。每種樣品均取3個試樣，并對測試得到的氣孔率取平均值，氣孔率的計算表達式如下：

式中，SP為氣孔面積；SW為縱向焊縫面積。

圖3 焊縫縱向截面形貌Fig.3 Cross section morphology of welding seam in longitudinal

2 試驗結果及分析

2.1 光束擺動方式對焊縫質量的影響

2.1.1光束擺動方式對焊縫形貌的影響

在激光功率P=3 kW，焊接速度v=2.4 m/min，離焦量Z=5 mm，擺動頻率f=300 Hz，擺動振幅A=1 mm的條件下，不同光束擺動方式對焊縫截面形貌的影響見圖4。與常規無擺動激光焊相比，采用5種激光光束擺動方式焊接均能有效地增大疊焊板焊縫的結合面熔寬。直線形光束擺動時的焊縫熔深最大，結合面熔寬最小；8字形光束擺動時的焊縫結合面熔寬最大，熔深最小；當光束擺動方式為無限符形時，焊縫存在嚴重咬邊現象。

2.1.2光束擺動方式對焊縫氣孔率的影響

不銹鋼激光非熔透深熔焊焊縫中氣孔形狀不規則、尺寸較大，主要分布在焊縫的中下部或根部，為典型的工藝型氣孔，如圖5所示。這是由于在激光深熔焊過程中，材料在激光照射下產生蒸發形成匙孔，匙孔內的壁體材料連續蒸發產生高溫蒸氣，匙孔內的金屬蒸氣向外噴發致使匙孔開口處的蒸氣形成湍流，并將保護氣體卷入匙孔底部；同時金屬蒸氣的強烈噴發和表面張力梯度的變化導致匙孔壁面出現褶皺，隨著匙孔的波動，這些褶皺閉合，從而將保護氣體密封在熔池內形成氣泡。激光焊焊接速度和熔池凝固速度較快，來不及逸出的氣泡會被快速凝固的熔融金屬捕獲而殘留在焊縫中，從而形成工藝型氣孔[19-20]。

(a)常規無擺動 (b)順時針環形擺動

(c)逆時針環形擺動 (d)直線形擺動

(e)8字形擺動 (f)無限符形擺動圖4 激光光束不同擺動方式下的焊縫截面形貌Fig.4 Cross section morphologies of welding seams by different wobble types of laser beam

激光光束在不同擺動方式下的焊縫氣孔率見圖6，可以看出，常規無擺動激光焊的焊縫氣孔率達到了7.2%，引入光束擺動后，焊縫氣孔率均明顯降低，結合面處的氣孔數量也顯著減少，其中順時針環形光束擺動焊接的焊縫氣孔率最小,僅為0.6%。這是因為5種激光光束擺動方式焊接均對熔池起到攪拌作用，使得熔池流動速度增大，增強了熔池的對流行為，有利于氣泡的逸出，從而使得氣孔率顯著降低；激光的擺動能起到焊前預熱和焊后緩冷的作用，對已處于凝固階段的焊縫有重熔的作用，延長了焊接熔池液態金屬的停留時間，熔池的凝固速度減小，給氣泡提供了更多的上浮逸出時間，從而起到消除氣孔的作用；此外，激光熱源的擴展使得熔池的面積增大，相較于常規無擺動激光焊，引入光束擺動后的焊接焊縫深寬比有所減小，激光匙孔更為穩定。由圖6可以看出，直線形光束擺動方式下的氣孔率為3.1%，氣孔率較常規無擺動激光焊的氣孔率降低了60%以上，直線形光束擺動方式較其他4種光束擺動方式的氣孔率高，這是因為光束在焊縫兩側折返時速度急降為零，此時熔池狀態不穩定可能失穩形成氣孔。

(a)常規無擺動 (b)順時針環形擺動 (c)逆時針環形擺動

(d)直線形擺動 (e)8字形擺動 (f)無限符形擺動圖5 不同焊接工藝下焊縫縱向截面內氣孔分布Fig.5 The distribution of pores in the longitudinal section of welding seams under different welding processes

2.2 激光工藝參數對焊縫質量的影響

圖6 激光光束不同擺動方式下的焊縫氣孔率Fig.6 Porosity of welding seams in different wobble types of laser beam

5種激光光束擺動方式均能增大結合面熔寬，減小焊縫氣孔率，除直線形擺動方式外，其他擺動方式下的焊縫熔深減小量較多，表面會產生咬邊的現象。因而，選擇直線形光束擺動方式作為研究對象，進一步分析激光焊接工藝參數對焊縫結合面熔寬和焊接接頭質量的影響規律。

2.2.1離焦量對焊縫外觀質量的影響

在P=3 kW，v=2.4 m/min，f=300 Hz，A=1 mm，直線形光束擺動方式下，不同離焦量條件下的焊縫表面形貌見圖7。在離焦量由-5 mm增大至10 mm的過程中，試板表面光斑直徑先減小后增大，從而導致激光作用區域內的激光能量密度呈現先增大后減小的變化趨勢。由圖7a和圖7b可以看出，當焦點在試板上表面或離焦量為負值時，激光能量密度的增大會導致等離子體濃度顯著變化，從而影響焊接過程的穩定性，使得焊縫表面出現不平整、咬邊和飛濺等現象。由圖7c和圖7d可以看出，當離焦量為正值時，離焦量越大，焊縫越穩定，飛濺現象越不明顯，且飛濺顆粒越小；當離焦量為10 mm時，焊縫周圍無飛濺現象。在焊接過程中飛濺現象越明顯，越易導致保護鏡片等設備損傷，工程應用中建議采用正離焦量，但是離焦量并非越大越好，離焦量過大會導致激光能量密度減小，進而影響熔深。當離焦量Z=5 mm時即可得到成形美觀的焊縫。

2.2.2激光功率對焊縫尺寸的影響

在v=2.4 m/min，Z=5 mm，f=300 Hz，A=1 mm，直線形光束擺動方式下，激光功率對焊縫尺寸的影響見圖8。隨著激光功率的增大，單位長度焊縫所獲得的激光輸入能量增大，材料熔融率提高，焊縫下板熔深迅速增大；熔融的金屬氣化率變大，大量的金屬蒸氣產生壓力，迫使熔融的金屬向兩邊擴散，導致焊縫變寬，結合面熔寬整體也呈現增大的趨勢，但增大幅度較小。由于下板熔深對疊焊接頭的強度影響較小，在工程應用中下板熔深不應超過下板厚度的一半，因此不宜追求過大的下板熔深。

(a)Z=-5 mm

(b)Z=0

(d)Z=10 mm圖7 不同離焦量下焊縫表面形貌Fig.7 Surface morphologies of welding seams in different defocus distance

圖8 激光功率對焊縫尺寸的影響Fig.8 Influence of laser power on weld size

2.2.3焊接速度對焊縫尺寸的影響

在P=3 kW，Z=5 mm，f=300 Hz，A=1 mm，直線形光束擺動方式下，焊接速度對焊縫尺寸的影響見圖9。隨著焊接速度的增大，單位長度焊縫所獲得的激光輸入能量減小，從而導致焊接熔深減小以及結合面熔寬逐漸減小。由此可知，合適的焊接速度有利于提高生產效率和獲得良好的焊接接頭。

圖9 不同焊接速度下焊縫尺寸Fig.9 Influence of welding speed on weld size

2.2.4擺動頻率對焊縫尺寸的影響

在P=3 kW，v=2.4 m/min，Z=5 mm，A=1 mm，直線形光束擺動方式下，擺動頻率對焊縫尺寸的影響見圖10。隨著擺動頻率的增大，熔池重疊率急劇提高，連續性得到提升，焊縫凝固過程中再次重熔次數增加，焊接過程的穩定性得到增強，從而可獲得成形優良的焊縫。同時擺動頻率的改變雖然不影響激光能量密度，單位面積的總熱輸入也恒定，但單位面積焊縫單次所接受的熱輸入隨著擺動頻率的增大而減小，因此，擺動頻率越大，焊縫結合面熔寬越大，而熔深越小。

圖10 擺動頻率對焊縫尺寸的影響Fig.10 Influence of wobble frequency on weld size

2.2.5擺動振幅對焊縫尺寸的影響

在P=3 kW，v=2.4 m/min，Z=5 mm，f=300 Hz，直線形光束擺動方式下，擺動振幅對焊縫尺寸的影響見圖11。隨著擺動振幅的增大，結合面熔寬顯著增大，熔深逐漸減小。由圖11a～圖11c可以看出，當擺動振幅小于1.5 mm時，焊縫的形狀為丁字形，中間平直區域的焊縫寬度有增大趨勢，從而改善了常規無擺動激光焊接工藝下該區域焊縫寬度較小的缺點；由圖11d可以看出，當擺動振幅增大到2 mm時，焊縫形狀轉變為橢圓形，焊縫熔深急劇減小，上板未焊透；由圖11e可以看出，當擺動振幅為3 mm時，焊縫形狀轉變為梯形，存在嚴重咬邊現象。

(a)A=0.5 mm

(b)A=1.0 mm (c)A=1.5 mm

(d)A=2.0 mm (e)A=3.0 mm圖11 不同擺動振幅下焊縫截面形貌Fig.11 Cross section morphologies of welding seams under different wobble amplitude

2.2.6焊縫顯微組織

301不銹鋼中所含的錳、鎳、鈷元素能與γ-Fe無限固溶，進而可以開啟γ相區(即奧氏體區)，以致在室溫條件下，301不銹鋼仍能保持奧氏體組織。疊焊接頭焊縫微觀組織形貌見圖12，可以看出，不銹鋼母材與焊接熱影響區均為單一奧氏體組織，呈纖維狀，是一種典型沿冷軋方向延伸的顯微組織。常規無擺動激光焊熱影響區的奧氏體晶粒較母材的奧氏體晶粒略有長大，焊縫熔池凝固相變過程與 Cr/Ni當量比(HCr/HNi)有緊密的聯系。根據相關研究， 得到Cr、Ni當量分別為[21]

HCr=w(Cr)+w(Mo) +1.5w(Si)

HNi=w(Ni)+w(Co)+30w(C) +0.5w(Mn)

(a)母材

(b)常規無擺動激光焊熱影響區

(c)直線形光束擺動激光焊熱影響區

(d)常規無擺動激光焊熔合區

(e)直線形光束擺動激光焊熔合區圖12 焊縫微觀組織形貌Fig.12 Microphologies of welding seams

通過計算得到301不銹鋼的HCr/HNi為1.45，當1.25

2.2.7力學性能

焊縫機械性能與焊縫結合面熔寬有著緊密聯系，不同擺動振幅條件下的焊縫常溫拉伸試驗結果見表2。當擺動振幅較小(為0.5 mm)時，與無擺動焊接相比，結合面熔寬變化量較小，而線載荷卻顯著增大，這是因為擺動焊較常規無擺動焊的氣孔率小，結合面氣孔數量是降低疊焊接頭剪切強度的因素，且擺動焊熔合區晶粒更細小亦可增大焊接接頭的剪切線載荷。隨著擺動振幅的增大，結合面熔寬增大，疊焊接頭剪切時受力面積增大，剪切線載荷增大，能有效提高不銹鋼疊焊接頭抗剪切能力。當擺動振幅增大到1.5 mm時，焊縫剪切線載荷可達到795.6 kN/m。

表2 焊接試樣拉伸試驗結果

3 分析與討論

3.1 結合面熔寬對疊焊接頭剪切強度的影響

圖13 激光直線形光束擺動下的焊接行走路徑Fig.13 The laser welding travelling path in linear beam wobble mode

激光焊接能量集中，結合面熔寬較小，這一特性會導致疊焊接頭的抗剪切性能降低。當采用激光光束擺動焊接時，光束作用在焊件表面的區域更大。以直線形光束擺動方式為例，其行走路徑見圖13，可以看出，擺動頻率越快(f越大)，焊縫內的熱量更均勻，單位時間內到達光束擺動振幅值位置的次數也越多，所以焊縫熔寬隨著振動頻率的增大而增大，結合面熔寬也相應增大。此外，隨著擺動振幅的增大，激光作用工件熔化區域增大，結合面熔寬顯著增大。當焊接的功率和焊接速度為定值時，單位線長度內的熱輸入量是定值，故焊縫的深度隨著熔寬的增大而減小，所以選擇合適的光束擺動頻率和擺動振幅有助于增大疊焊接頭的結合面熔寬，增大剪切受力面積，從而提高疊焊接頭的抗剪切性能。

3.2 結合面氣孔率對疊焊接頭剪切強度的影響

常規無擺動激光焊上下板結合面處存在工藝型氣孔，氣孔的存在一方面減小了有效搭接面積；另一方面，在承受剪切載荷時，搭接面處的氣孔可能成為裂紋源，會加速構件的剪切斷裂。與常規無擺動激光焊接相比，光束擺動激光焊的熔池冷卻速度較慢[24]，在光束的“攪動”作用下，熔池內的氣體較常規無擺動激光焊也更容易逸出，使得焊縫內的氣孔率降低，有效減小了結合面處氣孔缺陷，從而有利于提高疊焊接頭抗剪切能力。

3.3 焊縫晶粒對疊焊接頭剪切強度的影響

圖14 Cr/Ni當量比對奧氏體不銹鋼相變影響Fig.14 The effect of Cr/Ni equivalent ratio on the phase transition of austenitic stainless steel

光束擺動加強了熔池內的攪拌，使熔池對流加快，湍流層寬度增大，熱交換作用更加充分，溫度梯度減小，同時光束對溶池的攪拌作用使溶池內初凝的柱狀枝晶斷裂，使得晶軸間與焊縫中心處的等軸晶增多，這有利于減小材料焊后力學性能的各向異性，提升焊縫的斷裂塑性[25]。激光焊接時，焊縫的形成是一個非平衡快速凝固過程，經歷了L→γ的勻晶轉變，L→γ+δ的共晶轉變以及δ→γ的固溶轉變，如圖14所示[26]，其中固溶轉變是一個溶質的擴散過程，溫度范圍為1 573～1 073 ℃(降溫過程)，激光焊接過程中熔池的快速冷卻并未提供足夠的時間來完成固溶相變，使得焊縫最終的組織為奧氏體與δ鐵素體的混合相。光束擺動焊接時熔池冷卻速度較常規無擺動激光焊慢，這有利于δ鐵素體向奧氏體的轉變，所以焊縫中的殘留δ鐵素體較常規無擺動激光焊少，從而提升了焊縫的韌性[27]。

4 結論

(1)與常規無擺動激光焊相比，5種激光光束擺動方式焊接均能有效增大疊焊板結合面熔寬，其中，8字形光束擺動方式的焊接結合面熔寬最大，無限符形光束擺動方式的焊接焊縫存在嚴重咬邊現象。此外，光束擺動焊接能有效抑制工藝型氣孔的產生，順時針環形光束擺動方式下的焊縫氣孔率最小，低至0.6%。

(2)隨著激光功率增大或焊接速度減小，焊縫單位長度熱輸入量增大，焊縫熔深和結合面熔寬均呈現增大的趨勢。當離焦量取值為5 mm時，即可得到無飛濺、成形美觀的焊縫。

(3)光束在直線形擺動方式下，光束擺動頻率或振幅越大，焊縫結合面熔寬均呈現增大趨勢，而熔深相應減小。隨著光束擺動振幅的增大，焊縫形狀由丁字形向橢圓形、梯形轉變，當擺動振幅大于2 mm時，不銹鋼上下板未連接。

(4)不銹鋼疊焊中，光束擺動焊接焊縫結合面熔寬較大，結合面氣孔率顯著降低，且焊縫晶粒細小，是提高疊焊接頭力學性能的主要因素。

(5) 當光束擺動方式、激光功率、焊接速度、離焦量、擺動振幅和擺動頻率分別為直線形、3 kW、2.4 m/min、5 mm、1.5 mm和300 Hz時可獲得成形好、氣孔較少、剪切強度較高的疊焊接頭。