張文勇， 梅俊歌， 陳亞維， 王攀東

(1.中原工學(xué)院， 鄭州 450007； 2.鄭州科慧科技股份有限公司， 鄭州 450001)

脈沖式激光焊接電流及脈寬對紫銅薄板焊接的影響

張文勇1， 梅俊歌1， 陳亞維1， 王攀東2

(1.中原工學(xué)院， 鄭州 450007； 2.鄭州科慧科技股份有限公司， 鄭州 450001)

采用XR-AW300脈沖激光設(shè)備，研究了脈沖式激光焊接電流和脈寬對0.5 mmT2紫銅薄板焊縫成形的影響。在離焦-2 mm、焊接速度80 mm/min、頻率6 Hz及氬氣保護(hù)條件下，激光焊接電流和脈寬可以在欠焊與過焊之間形成若干組合。通過對單面焊雙面成形焊縫特征值的分析，得到優(yōu)質(zhì)焊縫所需要的激光焊接電流和脈寬參數(shù)范圍分別為200～215 A、4.0～4.5 ms。

脈沖激光焊；T2紫銅；薄板；微觀組織；電流及脈寬

紫銅因其良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐腐蝕性及延展性而廣泛應(yīng)用于石油、船舶、化工、電力、通訊等行業(yè)。紫銅焊接是保證其廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)之一，傳統(tǒng)的紫銅焊接包括釬焊、氣焊、電子束焊接等方式，紫銅的激光焊接是近年來受到廣泛關(guān)注的一項(xiàng)焊接新技術(shù)。激光焊接能量集中、焊縫窄、熱影響區(qū)小、變形量小、雙面成形效果好、易于實(shí)現(xiàn)自動化焊接、設(shè)備操作簡便、生產(chǎn)效率高。激光作為一種高效而又清潔的能源，已經(jīng)在汽車制造、航空航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-2]。國內(nèi)最先進(jìn)的焊接工作站也已投入到ITER國際聯(lián)合項(xiàng)目中[3]。隨著國家“智能制造”發(fā)展戰(zhàn)略的進(jìn)一步發(fā)展，新一輪的產(chǎn)業(yè)化升級，激光焊接與機(jī)器人工作站的聯(lián)合使用將會越來越廣泛[4]。實(shí)現(xiàn)激光焊接在智能制造中的應(yīng)用，關(guān)鍵是要豐富和優(yōu)化不同類型、不同厚度金屬材料激光焊接的工藝參數(shù)。激光焊接有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是焊接質(zhì)量受焊接參數(shù)的綜合影響較為復(fù)雜，科研工作者對紫銅激光焊接進(jìn)行了多方面的研究。吳曉紅等對兩塊厚度為1 mm的紫銅進(jìn)行激光預(yù)處理，生成CuO黑色薄膜，然后設(shè)置脈沖激光的脈沖波形、脈沖電流、頻率、焊接速度等工藝參數(shù)，將兩塊紫銅進(jìn)行激光焊接[5]；寧杰等對國內(nèi)外紫銅激光焊接的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述[6]；Oztoprak B G等在紫銅激光焊接中加入stellite 6粉體，增加了激光能量耦合效率[7]；王金鳳等對0.1 mm紫銅板進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，電流和頻率對焊接過程影響較大[7]；焦俊科等對0.3 mm紫銅板進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，經(jīng)過黑化處理的焊縫力學(xué)性能優(yōu)于石墨涂敷處理的焊縫力學(xué)性能[9]。激光焊接質(zhì)量受多種參數(shù)共同影響，當(dāng)一種參數(shù)變化時(shí)，需要同時(shí)調(diào)整多種參數(shù)才能穩(wěn)定地完成焊接過程。

本文基于0.5 mm紫銅薄板，探究焊接電流及脈寬對焊縫成形的影響。在氬氣保護(hù)下，固定激光離焦量、頻率、焊接速度，通過焊縫形貌和微觀組織分析，對電流及脈寬范圍進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

薄板厚度對激光焊接工藝參數(shù)的選擇有著重要影響。0.1～1.0 mm厚度的紫銅薄板較為常見，本文選擇0.5 mm厚度的紫銅薄板。實(shí)驗(yàn)所用材料為冷軋T2紫銅薄板，含銅量為99.90%。紫銅板尺寸為50 mm×15 mm×0.5 mm。采用線切割進(jìn)行材料制備，實(shí)驗(yàn)前先用砂紙對紫銅薄板表面進(jìn)行打磨，除去表面氧化層和油污，然后用丙酮清洗并吹干。焊接時(shí)不加任何填充焊絲或者填充劑，使用氬氣作為焊接保護(hù)氣。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是XR-AW300型YAG激光焊接機(jī)，設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。此焊接機(jī)可實(shí)現(xiàn)X、Y軸方向的聯(lián)動，Z軸方向的旋轉(zhuǎn)，通過視教程序，計(jì)算機(jī)可自動處理焊接軌跡，實(shí)現(xiàn)自動化焊接。

表1 激光焊接設(shè)備主要參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，激光光斑直徑選用0.5 mm，固定激光焊接頻率為6 Hz、速度為80 mm/min，采用離焦-2 mm進(jìn)行焊接。激光焊接設(shè)備最大輸出電流是230 A，本實(shí)驗(yàn)選用的焊接電流參數(shù)范圍為170～220 A。設(shè)備脈寬 ≤12 ms，但經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)不變的前提下，脈寬超過6.0 ms時(shí)，焊縫較寬、熱影響區(qū)較大，故脈寬實(shí)驗(yàn)范圍選擇為1.0～6.0 ms。脈沖激光電流用Ip表示，脈寬用Wp表示。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得了激光電流及脈寬的基本取值規(guī)律：當(dāng)電流較大時(shí)，需要匹配較小的脈寬；當(dāng)電流較小時(shí)，需要匹配較大的脈寬。脈沖激光焊接電流反映了激光功率的大小，脈沖寬度反映了激光作用的時(shí)間，電流越大、脈寬越寬，激光焊接能量越強(qiáng)；反之，則激光焊接能量越小。激光能量過小，紫銅無法焊透；激光能量過大，會產(chǎn)生過度熔化、焊縫寬度較大之類的缺陷。因此，存在一個適合紫銅薄板焊接的電流及脈寬范圍。紫銅激光焊接電流及脈寬由激光設(shè)備及材料本身決定。在其他參數(shù)相對固定的情況下，分析主要問題如下：首先，探討形成穩(wěn)定焊接及穩(wěn)定焊縫的電流及脈寬范圍；其次，探索形成優(yōu)質(zhì)焊縫的電流及脈寬范圍；最后，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制激光焊接電流及脈寬影響焊接質(zhì)量的二維分布圖形。

紫銅板比較薄，要用合適的夾具固定，保證材料焊接過程的平整度。采用點(diǎn)焊方式，既能對T2紫銅薄板兩端固定，又能使銅表面形成一層氧化膜，進(jìn)而進(jìn)行自動激光焊接。通過控制變量，分析不同組合參數(shù)對焊縫成形的影響，優(yōu)化適合0.5 mm紫銅板的激光焊接電流及脈寬范圍。焊接工藝參數(shù)如表2所示。對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行綜合比較和統(tǒng)計(jì)分析，最終確定電流及脈寬范圍，同時(shí)根據(jù)ISO-17637焊縫的無損檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[5]，對表2工藝參數(shù)下獲得的焊縫形貌進(jìn)行特征值判斷。

表2 焊接工藝參數(shù)

2 激光焊接結(jié)果與分析

2.1 激光焊接電流及脈寬對紫銅焊縫成形的影響

電流和脈寬是影響激光能量輸出的兩個重要因素。結(jié)合表2工藝參數(shù)和圖1，綜合分析電流和脈寬對焊接焊縫的影響。根據(jù)設(shè)備使用條件，最大電流設(shè)置為220 A。設(shè)定脈寬在3.5～5.0 ms之間，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中脈寬在4.0～4.5 ms范圍時(shí)已能滿足焊接需求，脈寬過大會造成激光能量的浪費(fèi)。當(dāng)脈寬選擇4.5 ms，其他參數(shù)不變，電流低于190 A時(shí)，焊縫寬度較窄并且激光不能提供足夠的能量焊透工件；隨著電流逐漸增大，焊縫寬度逐漸增大，其表面凹坑越深，焊縫熔深也會增加;當(dāng)電流超過220 A時(shí)，容易焊穿材料，且設(shè)備容易出現(xiàn)過載故障。因此，最佳焊接電流控制在200～215 A之間。當(dāng)脈沖激光其他參數(shù)不變，脈寬小于3.5 ms時(shí)，結(jié)合圖1中焊接工藝3，紫銅表面形成良好的焊紋，但背面不能形成均勻的焊紋，并伴隨著未焊透的現(xiàn)象；脈寬高于5.0 ms時(shí)，觀察圖1

(a)焊接工藝3 (b)焊接工藝5 (c)焊接工藝10 (d)焊接工藝13 (e)焊接工藝17圖1 激光焊接焊縫正反面形貌

中焊接工藝17的焊縫區(qū)域，焊接后焊縫較寬，熱影響區(qū)較大。脈寬由熔深與熱影響區(qū)共同確定，綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最佳脈寬選擇在4.0～4.5 ms之間。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比分析得出，在焊接速度80 mm/min、頻率6 Hz、離焦-2 mm條件下，電流和脈寬在一定范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)0.5 mm紫銅的穩(wěn)定焊接。把剛剛能夠焊透工件時(shí)的參數(shù)稱為焊透起點(diǎn)參數(shù)，把容易焊穿工件時(shí)的參數(shù)稱為焊穿終點(diǎn)參數(shù)，結(jié)合表2焊縫特征值，把特征值60以上區(qū)域定義為穩(wěn)定焊縫區(qū)，特征值80以上區(qū)域定義為優(yōu)質(zhì)焊縫區(qū)。特征值在80以上的區(qū)域就是實(shí)驗(yàn)最終優(yōu)化的焊接電流及脈寬范圍，如圖2所示。

圖2 激光焊接電流及脈寬優(yōu)化區(qū)域

2.2 焊縫金相組織分析

(a)焊縫與母材

(b) 焊縫與母材連接區(qū)

(c) 焊縫

(d) 母材圖3 紫銅焊縫橫截面金相組織形貌

圖3是表2中工藝參數(shù)9獲得的焊縫截面金相組織形貌。圖3(a)中，A是焊縫區(qū)，B是焊縫熔合區(qū)，C是母材區(qū)；圖3(b)是400倍下焊縫與母材連接區(qū)組織；圖3(c)是400倍下焊縫區(qū)組織；圖3(d)是母材區(qū)組織。顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)晶粒比母材和熔合區(qū)晶粒粗大，并且有明顯的等軸晶產(chǎn)生。這是因?yàn)榧す馐抢弥苯尤刍覆牡姆绞竭M(jìn)行焊接，與焊縫熔合區(qū)和母材區(qū)相比，焊縫中心處的散熱相對較慢，焊縫中心到母材區(qū)溫度梯度大，結(jié)晶速度快，易形成等軸晶。此外，焊縫及熔合區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋和小孔缺陷。焊縫表面有明顯凹陷，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用無填充焊接，激光輸出能量大，紫銅熔化后，隨著焊接的進(jìn)行，液態(tài)紫銅出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，同時(shí)高溫氣體使液態(tài)金屬向熔池兩端聚集，使焊縫中心處出現(xiàn)凹陷。

2.3 焊縫及母材顯微硬度分析

圖4是工藝參數(shù)9獲得的焊縫到母材的顯微硬度變化。從圖4中能看出，焊縫區(qū)顯微硬度明顯低于母材區(qū)，焊縫中心處硬度最低，為74.1 HV，焊縫熔合區(qū)硬度為89.2 HV，母材區(qū)硬度平均為112 HV。焊接實(shí)際上是材料先熔化而后又重新結(jié)晶的過程，激光焊接能量集中，焊縫區(qū)散熱快，有很大過冷度，焊縫處易形成粗大的等軸晶(如圖3(c))，其對應(yīng)的焊縫處硬度較低。母材是軋制態(tài)薄板，材料微觀組織的晶粒相對緊密而細(xì)小(如圖3(d))，母材區(qū)硬度較高。

圖4 焊縫區(qū)到母材區(qū)顯微硬度

3 結(jié) 語

(1)對0.5 mmT2紫銅薄板進(jìn)行激光焊接，脈沖式激光焊接電流與脈寬存在一個從欠焊到過焊的組合區(qū)域范圍。

(2)綜合分析激光單面焊雙面成形效果、焊縫寬度、焊縫組織等，可以確定焊縫特征值，定量評價(jià)焊縫質(zhì)量。

(3)在激光焊接頻率6 Hz、速度80 mm/min、脈寬4.5 mm、離焦-2 mm時(shí)，通過定量評價(jià)焊縫成形質(zhì)量，得到優(yōu)質(zhì)焊縫(特征值≥80)的焊接電流與脈寬范圍是：激光焊接電流200～215 A 、脈寬4.0～4.5 ms。

(4)焊縫區(qū)的顯微硬度低于母材。

[1] 曠林昌. 淺談激光焊接技術(shù)在汽車零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2012(32):18.

[2] 張桂華, 王菲, 陳斅恔,等. 精密激光焊接在航空工程的應(yīng)用研究[J]. 應(yīng)用激光, 2010，30(2):111-114.

[3] 張書權(quán), 吳杰峰, 方超,等. 熱絲填充激光焊接光斑直徑與對接間隙裕度研究[J]. 中國激光, 2014, 41(10)：1-6.

[4] 張廣軍, 李永哲. 工業(yè)4.0語義下智能焊接技術(shù)展綜述[J]. 航空制造技術(shù), 2016, 506(11):28-33.

[5] 吳曉紅，向發(fā)午，劉勇，等.紫銅激光焊接工藝研究[J].應(yīng)用激光,2013, 33(2): 169-172.

[6] 寧杰, 張興軍, 張林杰. 激光在紫銅焊接中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 激光雜志, 2015, 36(3):1-6.

[7] Oztoprak B G，Akman E，Hanon M M, et al. Laser Welding of Copper with Stellite 6 Powder and Investigation Using LIBS Technique[J]. Optics & Laser Technology, 2013, 45(1):748-755.

[8] 王金鳳, 羅招. 超薄紫銅激光焊接工藝研究[J]. 熱加工工藝, 2011, 40(21):168-169.

[9] 焦俊科, 王飛亞, 孫加強(qiáng),等. 紫銅表面預(yù)處理及激光焊接工藝研究[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2016 (3):158-163.

(責(zé)任編輯：席艷君)

Effect of Pulse Laser Current and Pulse Width on Welding of Copper Sheet

ZHANG Wen-yong1, MEI Jun-ge1, CHEN Ya-wei1, WANG Pan-dong2

(1. Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007； 2.Zhengzhou Kehui Technology Co.,Ltd., Zhengzhou 450001， China)

The effect of pulsed laser welding current and pulse width on the weld forming of 0.5 mm copper sheet is studied by using XR-AW300 pulsed laser device. Under the conditions of defocus -2 mm, welding speed 80 mm / min, frequency 6 Hz and argon protection conditions, the laser welding current and pulse width parameters of high quality welds are obtained in the range of 200 ～ 215 A, 4.0 ～ 4.5 ms by observing the microstructure and microstructure of the weld.

pulsed laser welding； copper； microstructure； current and laser pulse width

2016-11-21

張文勇(1961-)，男，湖北大悟人，教授。主要研究方向?yàn)榻饘俨牧虾附蛹夹g(shù)。

1671-6906(2017)01-0036-05

TG457.6

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.008