1、金 属铸锻焊技术 CastingForgingWelding 2012 年 01 月Hot Working Technology 2012 , Vol.41,No.01焊接技术 不锈钢薄板激光焊接工艺研究王金凤 ， 陈银银（湖北汽车工业学院 材料工程系 ， 湖北 十堰 442002）摘 要 ：针对不锈钢薄板的激光焊接进行了研究 ，分析了激光工艺参数对超薄不锈钢板焊接质量的影响 。 结果表明 ，对于不锈钢薄板激光焊接 ，脉冲工作电流和脉冲宽度对焊缝成形影响很大 。 在合适的工艺参数下 ，超薄不锈钢薄板焊缝成形良好 ，焊接接头基本与母材等强 。关键词 ：超薄不锈钢板 ；激光焊接 ；工艺参数中图分类
2、号 ：TG456.7 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001-3814(2012)01-0108-03Research of Laser Welding Procedure for Ultra-thin Stainless Steel SheetWANG Jinfeng, CHEN Yinyin（Department of Materials and Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China）Abstract：The welding process of laser welding
3、for ultra-thin stainless steel sheet was studied, and the effects on theproperties and laser parameters were analyzed. The results show that the laser welding procedure for ultra-thin stainlesssteel sheet, pulse mode currents and pulse width have great influence on the formation of welding seam. And
4、 the weldingjoint is sound with the optimized processing parameters; the strength has approximately equal strength to the base metal.Key words：ultra-thin stainless steel sheet; laser welding; technology parameter收稿日期 :2011-07-29基金项目 :湖北汽车工业学院项目 （2008YT07）作者简介 :王金凤 (1978- ),女 ,内蒙古赤峰人 ,硕士 ,讲师 ,主要从事焊接冶
5、金及焊接工艺的教学与科研工作 ; 电话 :13597856939;E-mail:超薄不锈钢薄壁板材 (壁厚小于 0.3mm)在生物制药 、医疗器械 、微电子 、精密仪器制造 、核工业 、航空航天等领域得到了广泛应用1。 由于材料太薄 ，焊接难度显著增大 ，目前通常采用电阻焊方法 (主要有点焊和缝焊 )。 但由于电阻焊一般为搭接接头 ，在很多情况下会影响器件的使用和外形的美观 。 钨极氩弧焊虽然是焊接不锈钢的合适方法 ， 但对于厚度小于 0.3mm 的不锈钢片也无能为力2。脉冲激光焊作为一种精密的连接方法 ， 具有功率密度高 、能量集中 、热输入小 、焊缝窄和变形小等优点3-6，而且激光束聚焦后
6、可获得很小的光斑 ，能精确定位 ， 这些特点使得激光焊接比其他焊接方法更适合超薄不锈钢的焊接 。 本文针对不锈钢薄板的激光焊接工艺进行了研究 。1 试验材料与方法被焊材料为 30mm30mm0.2mm 的 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢薄板 ，固溶处理态 ，进行无填充焊丝的激光对接焊 。焊接时氩气流量为 5L/min，聚焦镜的焦距为55mm，焊接速度为 2.5mm/s，光斑直径 0.3mm，焊接电流 、脉宽和频率在前期预试验可行的基础上 ，从节约材料和减少试验次数出发 ， 对这三个参数进行正交试验(所取因素水平见表 1)，并分析其对焊接质量的影响 。2 试验结果及分析2.1 正交试验结果分析
7、各试验参数及其对应的焊接接头的抗拉强度及其极差分析如表 2 所示 ， 表中 T1、T2、T3分别表示因素 A、B、C 的第 1、2、3 水平的抗拉强度之和 ，R 为极差 (评价指标是焊接接头的抗拉强度 )。由正交试验结果及分析可知 ， 工艺参数为A2B2C3(焊接电流为 82A、脉冲宽度为 2.0ms、脉冲频率为 22Hz)时能获得最大抗拉强度 (567MPa)，达到母材的 97%(在同等条件下测得母材的抗拉强度为585MPa)，该组工艺参数为最佳工艺参数 。 由表中极差分析 ，得出焊接电流对焊缝抗拉强度的影响最大 ，表 1 因素水平表Tab.1 Factors and levels tabl
8、e水平因素A焊接电流 /A B 脉冲宽度 /ms C脉冲频率 /Hz1238082841.82.02.2182022108金 属铸锻焊技术CastingForgingWelding上半月出版热加工工艺 2012 年第 41 卷第 01 期表 2 正交试验结果及分析Tab.2 Analysis of orthogonal experiment编号 A焊接电流 /A B脉冲宽度 /ms C 脉冲频率 /Hz 抗拉强度 /MPa1234567898080808282828484841.82.02.21.82.02.21.82.02.2182022202218221820500532539561567
9、560554565518T1T2T3157116881637161516641617162516111660R 137 65 35其次是脉宽 ， 影响最小的是频率 。 用上述得出的A2B2C3最优参数组合焊出的焊缝宏观形貌如图 1所示 。 可看出 ，焊接接头的热影响区较窄 ，主要原因是激光焊接能源密度大 ，热量集中 。2.2 焊接接头微观形貌和焊接工艺参数的关系对于超薄不锈钢的脉冲激光对接焊 ， 工艺参数是通过对焊缝成形和微观组织结构的改变而对焊接接头的承载能力产生影响 。 为了分析工艺参数对焊缝微观组织的影响 ， 对不同工艺参数下的典型焊接接头的形貌进行了分析 ，如图 2 所示 。比较图 2
10、(a)、(b)，虽然焊接电流一样 ，都为 80A，但是由于脉冲宽度和频率不同 ，图 2(b)采用的脉宽图 1 焊缝表面形貌Fig.1 Surface morphology of welding seam与频率与图 2(a)相比有所增加 ，脉宽增加 ，接头接收能量的面积增加 ，频率增加 ，缩短了脉冲之间的停留时间 ，在一定程度上提高了接头接收的能量 ，有效的避免了未熔合缺陷 。由于焊接电流较小 ，热源能量较小 ，焊缝凹陷比较厉害 ，容易导致较深的弧坑 ，所以焊缝的抗拉强度依然不大 。比较图 2(c)、(d)、(e)，焊接电流都为 82A，焊缝成形都良好 ，焊缝抗拉强度相差也不大 ，但是也有一些微
11、小的差别 。 图 2(d)焊缝表面光滑平整 (图中的弯曲是由于在取样时剪切造成的 )，并且焊缝与母材交界处过渡也较为圆滑 ，应力集中较小 ，在焊缝区可以很清晰地看出由于激光能量的由上而下输入 ， 熔池金属按顺序接收能量 ，顺序凝固而形成的晕圈 ，所以图 2(d)焊缝的抗拉强度最大 。比较图 2(f)、(g)，由于电流较大 ，热源能量较大 ，在焊缝处出现热量的积累 ， 所以焊缝组织出现不同程度的过烧现象 (图中蝶状发黑处 )。 图 2(g)比图 2(f)焊缝金属烧损更严重 ，这是由于图 2(g)采用的脉冲宽度比图 2(f)大得多 ，脉冲宽度增大 ，焊接接头表面接受能量的有效面积增加 ，虽然脉冲频
12、率减小 ，但是脉冲频率对焊缝成形的影响程度不如脉冲宽度大 ，因此组织过烧更严重 。综上分析可初步确定 ：采用脉冲激光焊接 0.2mm奥氏体不锈钢的最佳工艺参数 (以抗拉强度为评价指标 )为 ：焊接电流为 82A，脉冲宽度为 2.0ms，脉冲频率为 22Hz，即正交试验的 5#工艺参数组合 。2.3 焊接接头微观组织分析采用金相显微镜观察抗拉强度最高的 5#焊接接头的显微组织发现 ， 焊缝中心区基本由等轴晶组成 ，如图 3(a)所示 。 由于等轴晶细小均匀 ，因而焊缝金属具有良好的力学性能 。 焊缝边缘和母材交界处组织由细小的柱状晶组成 ， 在焊缝和母材的交界处几乎看不到热影响区 ，如图 3(b
13、)所示 。由于柱状晶的位相很明显 ，熔合区会成为焊缝中最薄弱的区域 ，拉200m(a)2#试样 (80A-2.0ms-20Hz)(b)3#试样 (80A-2.2ms-22Hz)(c)4#试样 (82A-1.80ms-20Hz)(d)5#试样 (82A-2.0ms-22Hz)(e)6#试样 (82A-2.2ms-18Hz)(f)7#试样 (84A-1.80ms-22Hz)(g)8#试样 (84A-2.0ms-18Hz)200m 200m 200m(a) (b)(e)(c)(g)(f)(d)200m200m200m图 2 不同工艺参数下的焊缝形貌 Fig.2 Microstructures of
14、the welded metal with different parameters109金 属铸锻焊技术 CastingForgingWelding 2012 年 01 月Hot Working Technology 2012 , Vol.41,No.01(上接第 107 页 )具锻造出的叶片无淬火开裂现象 。4 结束语通过对叶片锻压成型数值模拟 ， 为模具优化设计提供了理论依据 ； 经济有效地实现了锻压模具结构优化设计 ， 合理地确定了阻尼槽与凸台处过渡圆角大小 ，降低了凸台处成形应力 ，改善了叶冠处金属流向 ； 避免了实际生产过程中产生的淬火开裂与成形折叠等质量问题 。参考文献 ：1 周
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16、工艺 ，2010，39(9)：95-98.6 周杰 ，王泽文 ，徐戊矫 汽车铝合金转向节臂锻造成形过程的数值模拟和实验研究 J热加工工艺 ，2010，39(3)：85-87.7 吴溯源 ，付建华 汽车半轴摆动碾压制坯工艺数值模拟 J.热加工工艺 ，2010，39(5)：98-99.图 6 阻尼槽改进前后结构Fig.6 Structure of damping groove before and after improvementEE-EE阻尼槽结构EE EE改进前阻尼槽结构 改进后阻尼槽结构图 7 改进后叶冠转接处金属流线及凸台转接处应力的模拟结果Fig.7 Simulation result
17、s of metal streamline atblade-tip-shroud connecting area and stress at the bossconnecting area after improvement(a)叶冠转接处金属流线 (mm/s) (b)凸台转接处应力 (MPa)10700714035704.3051434317294.61.3520m(a) (b)图 3 焊缝中心 (a)与熔合区 (b)微观组织Fig.3 Microstructures of the central portion of welding seam(a) and the fusion zone(
18、b)20m伸时也会从此处断裂 。3 结论（1） 焊接电流 、 脉冲宽度和脉冲频率对焊缝成形的影响程度由大到小依次是 ： 焊接电流 、 脉冲宽度 、脉冲频率 。（2） 根据本试验得出的最佳工艺参数为 ： 焊接电流为 82A，脉冲宽度为 2.0ms，脉冲频率为 22Hz，此时焊接接头抗拉强度最大 ，达到母材的 97%。（3） 承载能力较高的焊接接头其显微组织由焊缝中心区的等轴晶和焊缝边缘细小的柱状晶组成 ，焊缝几乎没有热影响区 。参考文献 ：1 王少华 ,郭亮 ,庞振华 ,等 不锈钢薄板光纤激光焊接的组织与性能 J机电工程技术 ,2011,40(1):52-55.2 陈玉华 ,柯黎明 ,徐世龙 ,
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