厚度為0.05 mm 的316 不銹鋼激光焊接工藝

陳銀銀

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，鄭州 450000）

由于在316 不銹鋼材料中添加了Mo 等元素，其耐腐蝕性及耐高溫性較于304 不銹鋼有明顯提高，在航空航天、精密儀器制造、微電子等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1—3]。由于產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的輕量化越來越受到重視，因此，超薄金屬材料（厚度≤0.05 m）將有更多的需求。超薄的不銹鋼在焊接過程中，對(duì)焊接夾具以及工藝參數(shù)均提出了嚴(yán)苛的要求[4—7]。

激光焊接技術(shù)是采用聚焦的激光能量對(duì)材料進(jìn)行加熱焊接，具有焊縫強(qiáng)度大、熱影響范圍小、效率高以及容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[8—9]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不銹鋼以及鋁合金等材料的焊接[10—14]。杜祥永等[15]研究了厚度為0.1 mm 的316 不銹鋼的激光焊接工藝。在2012 年，筆者和王金鳳老師[16]采用Nd:AG脈沖激光對(duì)0.2 mm 厚的超薄不銹鋼進(jìn)行對(duì)接焊，實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的99%。目前，關(guān)于厚度為0.05 mm 超薄不銹鋼焊接的研究鮮有報(bào)道，這種超薄不銹鋼，因具有質(zhì)輕的優(yōu)勢(shì)，將在燃料電池、手機(jī)折疊屏等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超薄不銹鋼的焊接對(duì)生產(chǎn)條件如夾具、工藝參數(shù)等非常敏感，需要進(jìn)行系統(tǒng)研究，才能達(dá)到大批量生產(chǎn)的要求。

文中擬研究厚度為0.05 mm 的316 不銹鋼的激光焊接工藝，為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為316 不銹鋼，厚度為0.05 mm，其化學(xué)成分見表1。將材料切割成長(zhǎng)×寬為200 mm×100 mm 的板材，用酒精、水清洗干凈，備用。焊接方式為搭接，采用自制工裝夾具將待焊工件夾緊。

表1 316 不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 316 stainless steel(ma ss fraction) %

1.2 設(shè)備

采用IPG 公司的連續(xù)光纖激光器（簡(jiǎn)稱QCW 激光器），型號(hào)為YLR-150/1500-QCW-AM，對(duì)材料進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。采用濟(jì)南華興試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的電子拉力試驗(yàn)機(jī)（規(guī)格型號(hào)為WDH-10）對(duì)焊縫進(jìn)行拉力測(cè)試。采用金相顯微鏡對(duì)焊縫外觀進(jìn)行測(cè)試，品牌為北京北極星辰，型號(hào)為XJB200。

2 激光焊接工藝實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 焊接夾具的夾持間距實(shí)驗(yàn)

由于待焊接的不銹鋼厚度為0.05 mm，夾具壓合不好，容易產(chǎn)生虛焊，因此，需要對(duì)夾具進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。文中設(shè)計(jì)的夾具由兩塊平行壓塊對(duì)材料進(jìn)行壓緊，兩塊壓塊的間距可以調(diào)節(jié)，間距分別設(shè)置為2.0，1.5，1.0，0.5 mm，然后進(jìn)行焊接測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)兩塊壓塊之間的間距為2.0 mm 和1.5 mm 時(shí)，焊縫表面有孔洞及虛焊現(xiàn)象發(fā)生，如圖1a 所示。將焊縫進(jìn)行切片，上、下材料之間有間隙，如圖1b 所示。當(dāng)兩塊壓塊之間的間距為1.0 mm 和0.5 mm 時(shí)，焊縫表面沒有產(chǎn)生孔洞，也沒有發(fā)生虛焊，焊縫成形較好，如圖1c 所示。將焊縫進(jìn)行切片，上、下材料之間沒有間隙，如圖1d 所示。虛焊的情況會(huì)導(dǎo)致焊縫抗拉強(qiáng)度降低，且使得焊縫無法密封。由于將間距調(diào)節(jié)至0.5 mm 的難度較大，會(huì)影響實(shí)際生產(chǎn)效率，因此，后續(xù)設(shè)置兩塊壓塊之間的間距為1.0 mm。

圖1 焊縫外觀Fig.1 Appearance of the weld seam

2.2 焊縫軌跡導(dǎo)出線

不銹鋼厚度為0.05 mm，對(duì)焊接速度非常敏感，在焊接軌跡結(jié)束時(shí)，容易留下弧坑，如圖2a 所示。弧坑是在焊縫表面留下一個(gè)凹坑，影響焊縫的整體美觀，同時(shí)可能會(huì)將材料擊穿，影響焊縫的氣密性，焊縫軌跡末尾弧坑的切片如圖2b 所示，下層材料已經(jīng)被焊透。為了解決焊縫軌跡末尾的弧坑，增加焊縫軌跡的導(dǎo)出線，如圖2c 所示。軌跡AB為焊接的軌跡，BC為導(dǎo)出線，AB段為勻速運(yùn)動(dòng)，不會(huì)因?yàn)橥蝗粶p速而在焊縫軌跡末尾產(chǎn)生弧坑。焊縫表面如圖2d 所示，整個(gè)焊縫的一致性較好，焊縫表面無凹坑產(chǎn)生。焊縫軌跡末尾的切片如圖2e 所示，整條焊縫的熔深保持一致。

圖2 焊縫外觀Fig.2 Appearance of the weld seam

2.3 工藝參數(shù)正交試驗(yàn)及結(jié)果

影響不銹鋼激光連續(xù)焊接效果的工藝參數(shù)主要有激光平均功率、焊接速度以及離焦量。為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)激光平均功率小于等于50 W 時(shí)，無法焊接上；當(dāng)激光功率大于等于90 W 時(shí)，焊縫表面有過燒的情況發(fā)生。當(dāng)焊接速度小于等于70 mm/s 時(shí)，熱量堆積過高，材料容易燒傷；當(dāng)焊接速度大于等于110 mm/s 時(shí)，熱量堆積不夠，無法形成熔池，焊接失敗。離焦量同樣對(duì)焊縫有較大影響，當(dāng)離焦量為0 mm 時(shí)，功率密度最高，熔深最大；隨著離焦量的增加，焊縫深度減小，當(dāng)離焦量大于等于5 mm 時(shí)，很難焊接上。對(duì)激光平均功率、焊接速度以及離焦量等3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)（所取因素水平見表2），并分析工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響。

表2 因素水平Tab.2 Factor and level table

在正交試驗(yàn)的9 組試驗(yàn)中，激光功率因素取水平1（60 W）的共有3 組試驗(yàn)，將這3 組試驗(yàn)的焊縫抗拉強(qiáng)度累加得統(tǒng)計(jì)量（K1）=299，用同樣的方法將其他因素在各水平下的焊縫抗拉強(qiáng)度進(jìn)行疊加，結(jié)果如表3 所示。統(tǒng)計(jì)量（K值）越大，說明在因素條件下，此水平的參數(shù)最優(yōu)，如在因素A 情況下，K2最大，表明平均功率70 W 最優(yōu)。直觀分析表3 可知，最佳工藝是A2B2C3，即當(dāng)激光平均功率為70 W，焊接速度為100 mm/s，離焦量為0 mm 時(shí)，焊縫的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最高的167 MPa。

表3 中的極差值R，是同一因素在3 個(gè)水平下的最大值與最小值之差，R值越小，表明該因素對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度的影響越小；反之，R值越大，表明該因素對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度的影響越大。從表3 中可以看出，對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度的影響因素由主到次依次為激光平均功率、焊接速度、離焦量。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal experiment

2.4 焊縫密封測(cè)試

采用最佳工藝參數(shù)對(duì)0.05 mm 厚的不銹鋼焊接矩形軌跡，矩形的長(zhǎng)×寬為60 mm×50 mm，如圖3a所示，整個(gè)焊縫一致性較好，焊縫無虛焊、焊穿等現(xiàn)象。焊縫的50 倍放大圖如圖3b 所示，焊縫表面光滑光亮，這是因?yàn)樵诤附舆^程中增加了氮?dú)猓瑢?duì)焊縫進(jìn)行了有效保護(hù)，焊縫表面未發(fā)生氧化現(xiàn)象。圖3c 為焊縫的背面，未出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象，焊縫背面的痕跡一致性較好。上、下層不銹鋼與焊縫組成了一個(gè)密閉的腔體，往腔體內(nèi)部沖入壓縮空氣，并將整個(gè)焊縫浸入水中，測(cè)試氣密性。沖入3 個(gè)大氣壓的壓縮空氣，持續(xù)10 min，焊縫在水中未冒氣泡，表明在最佳工藝參數(shù)條件下，焊縫能滿足3 個(gè)大氣壓的氣密性要求。

圖3 焊縫外觀Fig.3 Appearance of the weld seam

2.5 焊縫組織性能測(cè)試

對(duì)最佳工藝參數(shù)條件下的焊縫微觀組織進(jìn)行分析，焊縫的微觀組織如圖4 所示，焊縫的邊緣為細(xì)小的柱狀晶，中心位置為細(xì)小的等軸晶，焊縫熔合區(qū)很小，焊縫微觀組織一致性非常好。這是因?yàn)椴捎玫氖羌す膺B續(xù)出光焊接，與傳統(tǒng)的脈沖點(diǎn)焊相比，激光會(huì)持續(xù)對(duì)焊縫進(jìn)行加熱，焊縫內(nèi)部受熱均勻，產(chǎn)生的熔池有較好的流動(dòng)性，因此，產(chǎn)生了均勻的等軸晶粒，使得焊縫一致性較好，有利于提高焊縫的抗拉強(qiáng)度。傳統(tǒng)脈沖點(diǎn)焊的焊縫抗拉強(qiáng)度為112 MPa（焊點(diǎn)處施加外力為11.3 N，焊點(diǎn)直徑為0.25 mm，計(jì)算得到焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度為112 MPa）[17]，激光連續(xù)出光焊接的焊縫抗拉強(qiáng)度為167 MPa，焊縫抗拉強(qiáng)度提高了50%左右。

圖4 焊縫微觀組織Fig.4 Microstructure of the weld seam

3 結(jié)語

當(dāng)夾具的兩塊壓塊之間的間距為 2.0 mm 和1.5 mm 時(shí)，焊縫表面有孔洞，并出現(xiàn)了虛焊；當(dāng)兩塊壓塊之間的間距為0.5 和1.0 mm 時(shí)，焊縫表面沒有孔洞，沒有出現(xiàn)虛焊，焊縫表面成形較好。

為了解決焊縫軌跡末尾的弧坑，增加焊縫軌跡的導(dǎo)出線，整個(gè)焊縫的焊接速度均勻，焊縫表面一致性較好，焊縫表面無凹坑產(chǎn)生。

進(jìn)一步對(duì)激光平均功率、焊接速度以及離焦量等3 個(gè)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到的焊縫抗拉強(qiáng)度最高為167 MPa，對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度的影響因素由主到次依次為激光平均功率、焊接速度、離焦量，為實(shí)際生產(chǎn)提供了參考。