激光深熔焊接304 不銹鋼焊縫成形工藝與控制

應漁鋒 朱楓江 孟洋

（1.浙江精功機器人智能裝備有限公司，浙江 紹興 312000；2.網易（杭州）網絡有限公司，浙江 杭州 310052）

激光深熔焊具有高精度、高能量密度、焊縫深、熱影響區(qū)較窄、焊縫美觀、高效率的特點，自1960 年由美國人提出后，至今在汽車和航空制造材料加工上應用廣泛[1]。激光焊接中聚焦激光束于材料表面，以加熱融化，起到加工作用。其優(yōu)勢是集中激光光束于較窄區(qū)域，以高能量密度熱源快速作用于材料。

一、激光深熔焊原理及304 不銹鋼應用

激光焊接按其匙孔（小孔）產生分為熱傳導焊接及深熔焊接。激光深熔焊本質特征是有小孔效應，在其焊機過程中，高能量密度激光照至待焊材料面上，部分被材料反射，部分被吸收，使材料的表面溫度迅速升高、融化產生汽化，金屬蒸汽膨脹壓力導致液體金屬面出現凹陷，進而產生凹坑，其凹坑底部受激光束直射產生新蒸汽，加深凹坑，形成匙孔[2]。匙孔內蒸汽受高密度激光產生電離，形成高溫等離子體。匙孔形成過程只需幾毫秒，匙孔及等離子體改變激光和材料的相互機理，深入材料內部，使材料加大對激光束的吸收。

304 不銹鋼是奧氏體不銹鋼，其特點是塑性、韌性較高，耐蝕性好，無磁性，大量應用在航空航天、核工業(yè)、常壓容器、生物化學領域。有關學者對304 不銹鋼MAG 焊接接頭及性能的研究顯示，其焊接接頭抗拉強度不低于母材，塑性較好。但因添絲、人工焊接，其線能量不是很穩(wěn)定，易出現焊渣、弧坑氣孔、裂紋缺陷，熱影響焊接變形大。M.T.Liao 研究顯示，保護氣體成分對焊接接頭及力學性能影響較大，當CO2含量較大，飛濺嚴重，焊縫會出現鐵素體。杜偉哲對304 不銹鋼的激光深熔焊的工藝試驗研究顯示，激光焊接工藝參數和焊縫成形的關系，得出了熔池形狀回歸方程，揭示了功率、速度及離焦量對焊縫成形的影響[3]。

二、激光深熔焊接304 不銹鋼的熔池溫度場研究

激光深熔焊過程較復雜，受多維、多參數影響，且是快速反應過程，材料融化、汽化及焊縫凝固結晶都伴有不同的物理化學過程，包括傳熱傳質、相態(tài)變化、小孔、等離子產生。所以，應加大對激光熱源處理，根據熱傳遞機制，計算熔池及溫度場，尋找適宜的焊接形式，以確保有效的焊縫質量。熔池、溫度場對焊接工藝參數、質量都有較大的聯(lián)系，控制好焊接中熔池、溫度場能有效保證焊縫成形及質量。一般采用圖像分析及數值模擬獲得熔池和焊接參數關系，通過試驗和計算兩種方法研究熔池特征，以對焊接熔池進行預測，建立溫度場數學模型。目前常用的數學模型是Rosenthal 熱源模型。因激光深熔焊的深度比為8:1，小孔呈細長型，能吸入全部射光能力，經其內壁熱傳導給金屬周圍，將激光束看為線熱源，對其進行Rosenthal 熱源模型研究，能顯示焊接熱變化類型、范圍、對材料及各參數影響。

激光和材料相互作用時，兩者能量轉換為守恒定律，即材料入射激光能量=材料反射能量+被材料吸收能量+激光透過材料能量。不銹鋼對激光吸收率較高，若激光功率越大，材料溫度升溫越高，材料吸收率也越大。材料表面的狀態(tài)也會影響激光吸收，越粗糙，反射率越低，吸收率越大，且激光加熱材料時，會出現氧化及污染，會加大材料吸光。而小孔產生是激光吸收的分界線，一旦汽化出現小孔，激光吸收率會突變，受等離子體和激光作用，不再與激光波長、材料特性、表面狀態(tài)相關，小孔效應可增加材料吸光率。激光焊接時，材料的熱導率、熱擴散、等壓比熱熔也會隨溫度發(fā)生變化。金屬受激光熱量體積會發(fā)生變化，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，這份熱量就是熔化熱。且在焊接過程中液態(tài)還會轉為氣態(tài)，整個過程中的熱物理參數變化較大，要利用Rosenthal 熱源模型進行合理的計算，以控制焊縫成形。

三、激光深熔焊接304 不銹鋼的參數控制

激光深熔焊接有較大的熔深熱影響區(qū)，其焊接工藝參數對熔深有極大的影響，主要包括三個工藝參數：激光功率、焊接速度、離焦量[4]。

（一）激光功率

激光功率是沒有考慮導光或聚焦影響的、由激光發(fā)射出的功率，對焊接的熔深有較大的影響。而光斑直徑在不受其他條件影響下，焊接熔深會隨激光功率增大而增加。

（二）焊接速度

在激光功率條件不變下，提高焊接的速度，會使熱輸入密度值降低，焊接熔深隨之減小，所以，降低焊接速度可有效加大熔深。但若焊接速度過慢，會增加熔寬度，熔深反而不會增加。是因為激光深熔焊接過程中，金屬蒸汽反壓力是推動小孔的動力，當焊機速度過低，熱輸入量增加，金屬熔化增多，其汽化反壓力無法維持小孔存在，小孔無法加深，甚至消失，無法保證及增加熔深。且金屬汽化的增加會使小孔溫度提高，等離子體濃度升高，增加激光吸收率。所以，焊接速度的有效控制對熔深影響較大，應做好其控制，確保焊縫成形。

（三）離焦量

離焦量對焊接材料表面激光光斑的大小、光束射入方向都有較大的影響，進而影響熔深、熔寬、橫截面。若離焦量較大時，熔深較小，出現傳熱焊接，當離焦量降低至某值，熔深呈跳躍性增加，小孔產生，但此時的熔深并不穩(wěn)定，會隨離焦量的微小變化產生較大變化。熔深最大焦點位是焊接材料的表面下某處，即負離焦量，一般為表面下-1.5-1.5mm 位置，其焊縫成形最好。

四、總結

通過綜述可知，激光深熔焊中，熔池、等離子體、小孔等物理過程因素影響著焊縫成形及質量。所以，應加大計算機仿真技術的應用，采用Rosenthal 熱源模型加大熱源控制，并根據材料選擇適宜的焊接方法、焊接工藝參數，以預防及減少焊接成形缺陷。