不銹鋼與鈦合金納秒激光焊接工藝研究

王麗，謝非

不銹鋼與鈦合金納秒激光焊接工藝研究

王麗1，謝非2

（1. 中山職業技術學院，廣東 中山 528404；2. 明陽智慧能源集團股份公司，廣東 中山 528400）

針對不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接時，容易產生間化合物，導致焊點拉力低的現象，通過納秒激光焊接工藝來提高不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接的焊點拉力。采用納秒光纖激光器進行304不銹鋼與TC4鈦合金的焊接實驗，通過激光運行螺旋線組成焊點，并對工藝參數進行正交試驗，得到焊點拉力最大的工藝參數。當激光功率為90 W，激光頻率為600 kHz，焊接速度為200 mm/s，螺旋線間距為0.04 mm，脈沖時間為10 ns時，得到焊點拉力最大，為29 N。采用納秒光纖激光器進行不銹鋼與鈦合金的焊接時，由于激光與材料作用的時間極短，約為10 ns，熔池的溫度也相對較低，產生的間化合物來不及生長，從而極大提高了焊點的拉力。

納秒激光器；不銹鋼；TC4鈦合金；激光焊接

TC4鈦合金具有較低的密度（4.43 g/cm3），是非常重要的輕質合金，而且具有高比強度、良好的耐高溫性以及耐腐蝕性，在大多數酸、堿、鹽環境中不容易被腐蝕，被廣泛應用于航天航空、汽車制造等領域[1—3]，但是TC4鈦合金的焊接和機械加工性能較差，而且制造成本較高，使其應用受到了一定的限制[4]。304不銹鋼具有優良的焊接性、耐磨性，而且制造成本較低[5—7]，但是304不銹鋼在耐高溫及耐蝕性方面遠不如鈦合金，而且密度（7.62 g/cm3）較大。

隨著生產技術的進一步發展，對產品的使用性能以及成本控制方面均提出了更高的要求，需要采用鈦合金和不銹鋼材料組合形成結構件，焊接是實現兩者之間組合的最佳方式。由于鈦合金和不銹鋼材料在物理性能以及化學成分之間差異較大，傳統的焊接，如氬弧焊、電子束焊、電阻焊均無法達到理想的焊接效果。激光焊接技術具有熱輸入少，焊接后變形小，焊接強度大，容易實現自動化生產[8—15]的優點，已經在生產中得到大量應用，但是激光焊接鈦合金/不銹鋼時，會在兩種材料之間形成間化合物，這種間化合物是脆性的，會降低焊縫的強度。一般采用在鈦合金/不銹鋼之間添加過渡層材料，來降低間化合物，提高焊縫強度，但是添加過渡層需要增加生產工序，增加生產成本。納秒激光器每個脈沖的出光時間很短，為ns級，與傳統光纖激光器（連續出光）以及Nd: YAG固體激光器（每個脈沖出光時間為ms級）有極大差異，在不銹鋼與鋁合金異種金屬焊接方面取得了較好的效果[16]。截至目前，未見有采用納秒激光對不銹鋼/鈦合金進行焊接的報道出現。

文中采用納秒激光器對304不銹鋼和TC4鈦合金進行搭接焊接，提高焊點的拉力，為實際生產提供參考。

1 實驗

1.1 設備

采用的激光器為納秒光纖激光器，平均功率為100 W，脈沖頻率為25~1000 kHz，波長為1064 nm，每個激光脈沖的出光時間為10~240 nm，激光束從激光器發出后，經過光纖進行傳輸，經過聚焦鏡聚焦后，在激光焦點處的光斑直徑為0.04 mm，實驗平臺如圖1所示。

圖1 實驗平臺

1.2 材料

材料為304不銹鋼，厚度為0.2 mm；TC4鈦合金，厚度為0.5 mm。將材料切割成尺寸為100 mm× 50 mm的板材，材料的化學成分見表1。采用304不銹鋼在上、TC4鈦合金在下的方式進行搭接焊接，采用自制工裝夾具將待焊工件夾緊。

表1 304不銹鋼和TC4鈦合金的化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steal and TC4 Titanium alloy (mass fraction) %

2 實驗過程及結果分析

2.1 方法

激光束在掃描振鏡的引導下，在平面運行一個螺旋線圖形，設置螺旋圖形的直徑為1 mm，激光在產品上形成一個直徑為1 mm的圓點即激光焊點，螺旋線圖形如圖2a所示。納秒激光焊接時，激光能量是以脈沖的形式出光，激光束在運行螺旋線圖形時，相當于多個脈沖激光形成的點連接成為了螺旋線，如圖2b所示。由于激光頻率較高，達到kHz，焊接速度為100~200 mm/s，多個脈沖激光形成的點會在螺旋線圖形上進行重疊，產生熱量堆積，溫度升高，使焊接區域材料熔化形成熔池，激光離開后，熔池冷卻凝固形成焊縫。

圖2 焊接圖形

2.2 焊接預實驗

納秒激光焊接的工藝參數較多，為節約實驗時間及樣品，首先進行預實驗。為獲得較大的功率密度，采用激光焦點作用在產品表面的方式進行焊接，即離焦量設置為0。單個脈沖的出光時間最短為10 ns，脈沖時間太長（超過200 ns）的情況下，熱影響較大，容易產生材料損傷，導致焊點拉力降低。激光在焦點處的光斑大小為0.04 mm，螺旋線間距越小，兩條螺旋線之間重疊越多，這樣熱量堆積越大，熱影響區域較大，熔深較大；兩條螺旋線之間的間距越大，兩條螺旋線之間幾乎無重疊，這樣熱量堆積較小，熱影響區域較小且熔深較小，設置螺旋線的間距分別為0.02，0.03，0.04，0.05，0.06 mm。焊接速度是指激光運行螺旋線圖形的速度，焊接速度越快，熱量堆積越小，焊接速度越慢，熱量堆積越小。激光頻率為kHz級，頻率越高，單位時間內脈沖數量越多，反之，頻率越低，單位時間內的脈沖數量越低。為了達到焊點的拉力最大，對激光功率、激光頻率、焊接速度、螺旋線間距、脈沖時間這5個因素進行正交試驗，根據預實驗的結果，每個因素分別取5個水平參數，如表2所示。

2.3 正交試驗及直觀分析

依據五因素五水平正交試驗，共25組，對焊點進行拉力測試，當激光功率為90 W，激光頻率為600 kHz，焊接速度為200 mm/s，螺旋線間距為0.04 mm，脈沖時間為10 ns時，焊點拉力達到最大的29 N，此時的工藝參數為最佳工藝參數。

表2 因素水平表

Tab.2 Factor level

表3 正交試驗及結果

Tab.3 Analysis of orthogonal experiment

對正交試驗的25組焊點拉力結果進行直觀分析，因素A（激光功率）取水平1（60 W）的共5組，將這5組試驗的拉力值進行累加得統計量1，同理將各因素在各水平下的試驗結果疊加，如表4所示，其中同一因素在不同水平下的值中最大與最小值之差為極差，值越大，表明該因素對焊點拉力指標的影響越大；反之，值小表明該因素對焊點拉力指標的影響小。從表4可知，對焊點拉力指標的影響因素由主到次，依次為螺旋線間距、焊接速度、激光功率、脈沖時間以及激光頻率。

表4 正交試驗直觀分析表

Tab.4 Visual analysis table of orthogonal test

2.4 納秒激光焊縫微觀結構分析

圖3a為304不銹鋼與TC4鈦合金在最佳工藝參數條件下的激光焊接焊縫區微觀組織，主要由塊狀的灰色區組成，通過EDS對焊縫中元素進行分析，結果為含有44.21%的Fe，43.56%的Ti，6.98%的Ni，5.41%的Cr（質量分數），結合Ti-Fe二元相圖分析，焊縫中組織主要由Ti和Fe相組成，沒有間化合物TiFe2存在。熔池的最高溫度和冷卻速率決定了焊縫中金屬間化合物的生長速度以及寬度[17]，熔池的溫度越高以及冷卻速率越大，產生間化合物的速度及寬度將越大。納秒激光焊接過程中，激光脈沖時間為10 ns，激光與材料作用的時間很短，熔池的溫度相對較低，產生的間化合物來不及生長，納秒激光焊接也可稱為“低溫焊接”。另外，由于采用的是脈沖激光持續運行軌跡（螺旋線），如圖3b所示，當激光到達出光位置B時，會對后面的熔池A區域，進行持續的傳輸熱量，起到對熔池A區域進行保溫的作用，這樣熔池的冷卻速率大幅降低，將抑制間化合物的生長。間化合物的減少，將有利于提高焊點的拉力。

圖3 焊點焊縫的微觀結構及激光加熱示意

3 結論

采用納秒激光器對304不銹鋼與TC4鈦合金進行焊接形成焊點，通過正交優化試驗，焊點拉力達到最大的29 N，焊點拉力直觀分析結果表明，影響焊點拉力的因素由主到次，依次為螺旋線間距、焊接速度、激光功率、脈沖時間以及激光頻率。

焊縫微觀結構分析結果表明，由于激光脈沖時間為10 ns，激光與材料作用的時間很短，熔池的溫度相對較低，有利于抑制間化合物的生長，進而提高焊點的拉力。

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Technical Study on Nanosecond Laser Welding of Stainless Steel and Titanium Alloy

WANG Li1, XIE Fei2

(1. Zhongshan Polytechnic, Zhongshan 528404, China; 2. Mingyang Smart Energy Group Co., Ltd.,Zhongshan 528400, China)

During stainless steel and titanium alloy dissimilar metal welds, it was easy to produce inter-compound, resulting in low solder joint tension. This paper aims to improve the tension of the welding spot.The welding experiment of 304 stainless steel and TC4 titanium alloy was carried out using nanosecond laser. The welding spot was composed of laser running helix. Through orthogonal experiment on the process parameters, the maximum welding force was obtained.When the laser power was 90 W, the laser frequency was 600 kHz, the welding speed was 200 mm/s, the helix spacing was 0.04 mm, and the pulse time was 10 ns, the maximum solder joint tension was 29 N. When stainless steel and titanium alloy were welded using nanosecond fiber laser, the time of laser and material action was very short, which was 10 ns, the temperature of the molten pool was relatively low, and the produced inter-compound was too late to grow, which can greatly improve the tension of the weld spot.

nanosecond laser; stainless steel; TC4 titanium alloy; laser scanning

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.022

TG456.7

A

1674-6457(2021)04-0149-05

2021-02-25

中山市2020年省科技專項資金（2020sdr004）

王麗（1983—），女，碩士，講師，主要研究方向為理化測試與質檢技術、焊接技術及自動化。