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鋼薄板進行連續激光對接焊工藝實驗，研究不同工藝參數對焊接成形質量的影響規律。結果表明：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，可實現有效焊接。

關鍵詞：激光對接焊;A3鋼;工藝參數;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。激光焊接技術具有焊接速度快、熱影響區小、焊接成形美觀、深寬比較高等優點[1-3]，對于提高薄板的焊縫成形質量有著積極作用。本文采用連續激光焊研究不同工藝參數對1.5 mm A3鋼薄板焊接成形件接頭形貌及力學性能的影響規律，并得出最優焊接工藝參數。

1 實驗材料、設備及方法

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。實驗用設備為本單位自研的標準型千瓦級焊接設備（Kre-LW1000），采用美國IPG 型光纖連續激光器，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性能的影響，工藝實驗方案如表1所示。焊接結束后通過線切割切取焊接接頭，經過研磨、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現，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。綜上分析發現，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。同時根據拉伸實驗結果，成形件抗拉強度隨著焊接速度的增大逐漸降低。結合焊接截面形貌、拉伸實驗結果及表面形貌等因素，選擇v=30 mm/s為較優的焊接速度。

同時，對比實驗T1及T6發現，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焊縫接頭形貌發現，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，導致焊縫表面呈深棕色，即氧化較為嚴重，同時容易產生飛濺，進一步影響表面質量。分析拉伸實驗結果發現，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，同時結合接頭拉伸實驗發現，當焊縫間隙小于50 μm時，抗拉強度基本保持不變，可實現有效焊接。

3 結論

（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，焊接速度對焊縫質量影響更大。

（3）熔透情況下，一定范圍內離焦量的數值變化對焊縫成形質量影響不明顯。

（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有效焊接。

參考文獻：

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