針對不銹鋼管件的超細芯徑光纖激光焊接工藝研究

鄧鵬，李志軍，李寶成，馬江偉，吳福先，張占軍

（中核控制系統工程有限公司，北京 100176）

1 前言

不銹鋼管件耐腐蝕性優異、高溫強度優秀、塑性良好，在核電、環保、化工等領域得到了廣泛應用。以核電為例，細長不銹鋼管是核電站探測器的重要組成部分，在應用中對接延長、端焊等加工形式占較大比例，對接頭的密封性及連接強度提出較高要求。目前，針對不銹鋼管件的焊接工藝主要是鎢極惰性氣體保護焊和激光焊，而激光焊接由于其熱影響區小、焊接速度快、焊縫美觀、可控性好等優勢，受到廣泛的關注，市場對激光焊接專機及焊接工藝開發需求強烈。

齊惠娟等研究了CO2激光焊接不銹鋼，相比高頻焊或鎢極惰性氣體保護焊，其焊縫枝晶細小、組織致密無氣孔。霍宏偉等對比研究了304 不銹鋼薄板連續激光搭接焊與電阻焊，結果表明，激光焊接熱影響區更窄，可以獲得更均勻、細小的柱狀晶，拉伸與剪切強度與電阻焊接頭相當。姜吉臣等研究了光纖激光器焊接不銹鋼時焦距的確定方式以及不同離焦量對熔深的影響，獲得了與焊接需求匹配的工藝參數。聞龍研究了保護氣體對YAG 激光焊接的影響，發現氬氣為最優的保護氣體，獲得的焊縫晶粒較細、殘余應力小且耐腐蝕性達到母材90%以上。樊宇等通過激光焊接實驗發現，激光焊接接頭的硬度、拉伸強度及耐腐蝕性優于等離子-鎢極惰性氣體保護復合焊接，激光功率和離焦量對熔深影響較大。柳岸敏等發現，激光功率增加導致熱輸入增加，焊縫截面熔池的熔寬與熔深加大，焊接頭氧化程度加深，同時抗拉強度下降。光纖激光器的芯徑影響激光束的能量分布和光學特性，相比大芯徑光纖激光與YAG 激光，其中心能量分布更集中，帶來的焊接效果也大不相同，雖然已有學者在激光焊接領域做了大量研究，但針對超細芯徑光纖激光焊接不銹鋼管的焊接工藝還有待探索。

2 實驗材料與方法

300 系列不銹鋼是核電測量系統中探測器制備使用的材料，本研究選用最常使用的316 不銹鋼為例進行研究，材料組成元素及成分如表1 所示，實驗用管材外徑22mm，壁厚1.5mm，長度80mm。

表1 316 不銹鋼化學成分 （質量分數 %）

采用自研的激光環焊專機，配備1000W 光纖激光器，光纖芯徑50μm，使用自研的L 型激光焊接頭，準直鏡焦距100mm，聚焦鏡焦距200mm，在高純氬氣保護下開展實驗，實驗裝置如圖1 所示。實驗時，先用酒精清洗試樣表面油污，之后通過激光點焊將兩段圓管連接，裝夾于環焊專機的旋轉臺上，通過同軸視覺CCD 對準焊縫，旋轉臺旋轉角度控制在370°，使得焊縫起始點與終點可以重疊，保證焊縫的密封性。通過調控不同的激光功率進行實驗，希望獲得材料厚度80%以上的熔深，且無氣孔、未熔合等焊接缺陷，焊接工藝參數如表2 所示。焊接后的樣件，先在超聲波清洗機中進行清洗，去除焊縫表面氧化物，使用高清相機拍攝焊縫表面形貌，之后使用線切割機將樣件切割，采用熱鑲方式制作金相試樣，分別在600#、1000#、1500#和2000#的水磨砂紙下打磨，使用拋光機進行拋光，最后采用王水進行腐蝕。在金相顯微鏡下觀測各試樣熔池的形貌和顯微組織，采用顯微硬度計沿著熔池上表面以下0.2mm 位置以0.3mm 間隔測量顯微硬度。

圖1 激光環焊專機

表2 焊接工藝參數

3 結果與討論

3.1 焊縫形貌

三組焊縫的表面形貌如圖2 所示，焊縫橫截面熔池形貌如圖3 所示，熔池尺寸如圖4 所示。如圖2，隨著激光功率的增加，熱輸入增加，熔池總寬度增加，焊縫表面紋理變得粗糙。對于熔池，三種激光功率下熔池均呈“釘”型，為了更好地描述焊縫形貌，將熔池分為釘頭和釘身兩部分，以熔池總深度、釘頭深度、釘頭寬度、釘身深度和釘身寬度作為焊縫特征參數。隨著功率的增加，釘頭寬度增加，釘頭深度幾乎不變，釘身深度增加，而釘身寬度則是先增大后減小。“釘”型熔池的產生是由于在本實驗條件下，焊接過程中熱導焊和匙孔焊兩種焊接形式同時存在，表層金屬受激光輻射熔化形成熔池，而由于實驗采用超細芯徑光纖，激光束的中心功率密度較高，在焊接時產生匙孔，直接將一部分能量傳輸至熔池底部形成釘身，而釘頭處熔池的熱量向四周傳導，所以當激光功率增大時，熔池寬度增加，而深度方向，由于匙孔的產生，熱量直接進入釘身，同時，作用在底部的能量也增加，共同作用下使得釘身深度增加，而釘頭的深度無較大變化。如圖3(a)、3(c)所示，在600W 功率時，釘頭剛剛出現，隨著功率增加，釘頭在寬度和深度方向增加，但當功率達到700W 時，產生的匙孔更深，熱量被帶至熔池底部，深度方向增加更快，使得釘身寬度略有減小。

圖2 焊縫表面形貌

圖3 焊縫橫截面熔池形貌

圖4 焊縫橫截面熔池尺寸

3.2 金相組織

觀測三種功率條件下的焊縫截面熔池的顯微組織，如圖5 所示，熔池主要由柱狀晶和等軸晶組成，熔合線附近主要分布有柱狀晶，在釘頭位置結晶方向是由熔合線指向釘頭的中心，在釘身處則是指向釘身的中心，在熔池頂部、釘頭及釘身的中部主要是等軸晶組織。對比圖5(b)與圖5(c)，在激光功率較大時，等軸晶延伸長度更長，兩側熔合線處的等軸晶相交于釘頭中心，且晶粒更加細小。激光功率較大時，熔池熱輸入增加，溫度增加，在熔合線位置溫度梯度增加，促進了柱狀晶的產生，熔池溫度的升高促進了樣件與空氣的熱對流，熔池冷卻速率升高，使得晶粒更加細化。

圖5 熔池顯微組織。

3.3 力學性能

在沿著距熔池上表面以下0.2mm 位置以0.3mm 間隔測量其顯微硬度，結果如圖6 所示。從熔池顯微硬度分布圖得知，焊縫處的顯微硬度高于基體材料，1#和2#試樣在焊縫位置顯微硬度相近，而3#試樣顯微硬度較高，高出1#、2#試樣約40HV。根據三種工藝條件下的焊縫熔池顯微組織結果可知，在3#試樣工藝條件下，熔池中柱狀晶分布更多，而柱狀晶的偏析比等軸晶要少，結構要更加致密，再加上晶粒更加細化，總體表現出高的顯微硬度。

圖6 熔池顯微硬度

4 結語

針對超細芯徑光纖激光環焊不銹鋼管件開展了焊接工藝研究。以功率作為變量開展對照實驗，對熔池形貌產生顯著的影響，總體形狀呈“釘”型，功率的增加主要增加釘頭寬度和釘身深度。當功率在700W 時，由于晶粒細化且熔池中分布有更多的柱狀晶，獲得的焊縫硬度更高。本研究為超細芯徑光纖激光的應用提供有效參考，后續還需進行系統的工藝研究以獲得穩定的工藝窗，以實現焊接過程控制。