1Cr18Ni9Ti脈沖激光焊接工藝研究

田英超，張祎玲，曹 明

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112）

0 引言

奧氏體不銹鋼具有優(yōu)秀的耐蝕性、綜合力學(xué)性能良好，廣泛應(yīng)用于航天航空、化工、石油等領(lǐng)域[1-2]。激光與傳統(tǒng)光源相比，具有方向性好、高亮度、單色性強(qiáng)、相干性好等特點(diǎn)[3]，在航天航空、微電子、醫(yī)療及核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其焊縫特點(diǎn)是焊縫寬度窄、焊接變形小、焊接速度快、能量控制性好、受磁場(chǎng)影響小、焊縫表面光滑、工藝重復(fù)性好、能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸精密焊接[4]，在焊接閥門殼體類產(chǎn)品方面有較大優(yōu)勢(shì)。

1 閥門殼體焊接的設(shè)計(jì)要求

某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)用閥門為單線圈常閉式閥門，該閥門殼體材料為1Cr18Ni9Ti，由于閥門殼體焊縫熔深要求較小，并有很高的密封要求，因此采用激光熱導(dǎo)焊方式焊接。閥門焊縫設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表1，殼體焊縫接頭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

表1 閥門殼體激光焊縫設(shè)計(jì)要求Tab.1 Design requirements of laser welding joint for valve shell

圖1 閥門產(chǎn)品局部簡(jiǎn)化示意圖Fig.1 Local simplified schematic diagram of valve

2 激光焊接設(shè)備與材料

激光焊接設(shè)備為YAG固體脈沖激光焊機(jī)，激光焊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。被焊材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，材料狀態(tài)為1 100℃左右固溶處理態(tài)，化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表2 ML2350A激光焊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of ML2350A laser welding machine

表3 1Cr18Ni9Ti中化學(xué)成分含量質(zhì)量百分比Tab.3 Quality percentage of chemical components in 1Cr18Ni9Ti %

3 激光焊接機(jī)理

激光焊接的原理是：激光束轟擊金屬表面形成蒸汽，金屬蒸汽可防止剩余能量被金屬反射掉，材料在吸收激光能量后，經(jīng)過(guò)一定過(guò)程轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能使金屬熔化，冷卻后形成焊縫[3]。激光焊接有兩種焊接模式：深熔焊(DPW)和熱導(dǎo)焊(HCW)[6-8]。脈沖激光焊接主要工藝參數(shù)有：離焦量、焊點(diǎn)重疊率、峰值功率和脈沖寬度等。這些參數(shù)均與焊縫熔深有關(guān)，下面從理論方面逐一進(jìn)行分析。

3.1 離焦量與熔深的關(guān)系

由公式（1）可知，作用于工件表面的激光功率密度除了與脈沖能量和脈沖寬度有關(guān)外，還受光斑直徑的影響，而光斑直徑與離焦量（工件表面與焦平面的相對(duì)位置）有關(guān)，當(dāng)焦平面位于工作表面之上時(shí)為正離焦，反之為負(fù)離焦[9]。

式中：Pd為光斑的功率密度，W/cm2；E為脈沖能量，J；d為光斑直徑，cm；τ為脈沖寬度，s。

圖2是離焦量與焊縫熔深之間的關(guān)系曲線圖。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)離焦量為-0.2時(shí)，熔深最大；離焦量為+0.2時(shí)，熔深最小。這是由于當(dāng)最大功率密度位于金屬內(nèi)部時(shí)，激光局部加熱的程度最強(qiáng)，從而可使更多的金屬熔化和氣化，使得激光能量更容易向工件深處傳遞；同時(shí)液態(tài)金屬比固態(tài)金屬更容易吸收激光能量。

圖2 離焦量與焊縫熔深的關(guān)系曲線（5 ms）Fig.2 Defocusing amount versus weldpenetration(5 ms)

3.2 焊點(diǎn)重疊率與熔深的關(guān)系

閥門殼體激光焊機(jī)采用脈沖方式進(jìn)行環(huán)縫焊接，在離焦量確定后，焊接速度與脈沖頻率、焊點(diǎn)重合率滿足公式（2）所示的關(guān)系[5]。

式中：v為焊接速度，cm/s；d為焊點(diǎn)直徑，cm；f為脈沖頻率，Hz；K為焊點(diǎn)重疊率。

焊點(diǎn)重疊率是影響焊縫熔深均勻性的主要參數(shù)，焊點(diǎn)重疊率決定相鄰兩焊點(diǎn)中心的間距，焊點(diǎn)中間間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致焊縫在縱向上呈鋸齒狀，焊縫熔深不均勻；焊點(diǎn)中間間距過(guò)小，會(huì)降低接頭性能和焊接生產(chǎn)效率。

圖3是焊點(diǎn)重疊率與焊縫熔深之間關(guān)系曲線圖，由圖可知：隨著焊點(diǎn)重疊率增大，單位時(shí)間輸入的熱量也隨之增大，焊縫熔深更均勻，但進(jìn)一步提高焊點(diǎn)重疊率并不能明顯提高焊縫均勻性。

圖3 焊點(diǎn)重疊率與熔深關(guān)系曲線（3 kW,5 ms,4 Hz）Fig.3 Overlap rate versus weld penetration(3 kW,5 ms,4 Hz)

3.3 峰值功率與熔深的關(guān)系

峰值功率是激光焊接的關(guān)鍵參數(shù)，峰值功率與焊縫熔深的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn)，焊縫熔深隨峰值功率升高而增加，而且上升趨勢(shì)明顯。峰值功率較低時(shí)，工件表面溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要?dú)v經(jīng)數(shù)毫秒，在表面氣化之前，焊縫處的金屬溫度降到熔點(diǎn)以下，熱能才能有效地傳遞到金屬內(nèi)部，容易得到成形良好的焊縫，但焊縫熔深較淺；峰值功率較高時(shí)，激光使表層金屬立即被加熱至沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量金屬蒸氣，來(lái)不及散失，且此時(shí)工件表面凸凹不平，影響工件對(duì)激光能量的吸收，在焊縫內(nèi)部可形成孔穴，且容易引起飛濺。

圖4 峰值功率與熔深關(guān)系曲線（5 ms,4 Hz）Fig.4 Peak power versus weld penetration(5 ms,4 Hz)

3.4 脈沖寬度與熔深的關(guān)系

圖5 是脈沖寬度與焊縫熔深之間的關(guān)系曲線圖。由圖可見(jiàn)，隨著脈沖寬度增加，熔深不斷增大。由于不銹鋼材料液態(tài)比固態(tài)更易吸收激光能量，脈沖時(shí)間很短或者功率太小時(shí)，金屬在下一個(gè)脈沖達(dá)到之前已經(jīng)變成固態(tài)，因此焊縫熔深較?。欢}沖時(shí)間很長(zhǎng)或者峰值功率很大時(shí)，表層熔化金屬停留時(shí)間較長(zhǎng)，吸收激光能量的能力得到提高，熔深增加趨勢(shì)也更加明顯，因此峰值功率越大，熔深隨脈沖寬度增加而增大。

圖5 脈沖寬度與熔深的關(guān)系曲線（4 Hz）Fig.5 Pulse width versus weld penetration(4 Hz)

4 閥門殼體激光焊接工藝及產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果

由以上分析可知，激光焊接離焦量對(duì)焊縫熔深影響較大，負(fù)離焦量可以有效增加焊縫熔深，因此離焦量定為-0.2 mm。

焊點(diǎn)重疊率與焊縫熔深有效性有關(guān)，重疊率過(guò)小，焊縫熔深波動(dòng)大，有效熔深小，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致閥門外漏；重疊率過(guò)大，焊縫金屬蒸汽揮發(fā)嚴(yán)重，可能導(dǎo)致焊縫性能下降[10]，焊縫熔深一致性并不能顯著提高，且焊接效率較低。綜合以上各種因素分析，選擇最佳焊點(diǎn)重疊率為75%，根據(jù)公式（2），可計(jì)算出焊接速度為48 mm/min。

峰值功率對(duì)焊縫熔深的影響較為明顯，隨著峰值功率的增加焊縫熔深迅速增加，但峰值功率達(dá)到3.5 kW，焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)金屬飛濺，在焊縫內(nèi)部可形成孔穴，從而影響焊縫氣密性，所以峰值功率一般選擇不大于3.5 kW。

脈沖寬度對(duì)焊縫熔深影響相對(duì)峰值功率小，脈沖時(shí)間長(zhǎng)，可以保證焊縫表面光滑，脈沖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)提高單點(diǎn)輸出能量值，降低了脈沖頻率，從而影響了焊接效率，因此一般選擇脈沖寬度不超過(guò)6 ms。由此可得，閥門殼體激光焊接最佳工藝參數(shù)如下。

1） 離焦量：-0.2 mm；

2） 脈沖頻率：f＝4 Hz；

3） 峰值功率：P＝3 kW；

4） 脈沖寬度：τ＝5～6 ms；

5） 焊接速度：v＝48 mm/min。

某閥門組件殼體激光焊接工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 某型號(hào)閥門激光焊工藝流程圖Fig.6 Process flow of laser welding for a valve

采用最佳工藝規(guī)范焊接的閥門，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 閥門產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of the valve

由表4可見(jiàn)，閥門所有檢查項(xiàng)目均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1） 熔深0.5±0.1 mm的閥門殼體激光焊接，優(yōu)選工藝參數(shù)為離焦量-0.2 mm，f＝4 Hz，P＝3 kW，τ＝5～6 ms，v＝48 mm/min。

2）采用最佳的激光焊接工藝規(guī)范，焊接的閥門產(chǎn)品已多次經(jīng)過(guò)飛行考核，該項(xiàng)工藝技術(shù)滿足類似結(jié)構(gòu)不銹鋼組件產(chǎn)品的焊接要求。

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