不銹鋼光纖連續活性激光焊的研究

劉順洪，段元威，權雯雯，柳家良

(華中科技大學材料科學與工程學院，湖北武漢430074)

不銹鋼光纖連續活性激光焊的研究

劉順洪，段元威，權雯雯，柳家良

(華中科技大學材料科學與工程學院，湖北武漢430074)

光纖激光器與活性焊接技術相結合可大幅增加焊縫熔深，提高焊接效率。以TiO2、SiO2、Cr2O3、CaF2和NaF五種活性劑為基礎，通過均勻配方設計，獲得了15組不同成分的復合活性劑配方，針對SUS304不銹鋼板進行光纖連續活性激光焊，研究了氟化物和氧化物對熔深和熔寬的影響，從而獲得了最佳配方。試驗結果表明：在復合活性劑作用下，焊縫的熔深均有明顯的增加，當含氟化物較多時，熔深最大達到1.0 mm，深寬比最大可達1.5，與未涂敷活性劑相比，提高了73%。焊縫的顯微組織為粗大的柱狀晶，中心存在少量等軸晶，焊縫底部存在明顯偏析。

304不銹鋼；光纖激光焊；活性劑；熔深

0 前言

活性弧焊技術是在焊接前將一層表面活性劑涂敷在施焊板材表面，焊接過程中活性劑將引起焊接電弧收縮或熔池金屬流動狀態改變，在相同的焊接規范下，活性焊的焊接熔深與一般焊接相比會顯著增加[1－3]。近年來隨著節能環保的要求以及焊接技術的發展，活性弧焊技術從最初僅與鎢極氬弧焊結合，現在已擴展到更多的領域，如：TIG點焊[4]、低功率脈沖激光焊[5]、CO2激光焊[6]等方面。試驗結果表明，活性劑加入后焊縫的熔深均有提高，文獻[4]中活性TIG點焊試驗結果表明，活性劑SiO2效果比活性劑TiO2顯著。文獻[5]中研究低功率脈沖激光焊時，發現活性劑B2O3和Cr2O3能顯著增加激光焊接焊縫熔深，TiO2和SiO2也能明顯增加焊縫熔深，CaF2的作用不是十分明顯。文獻[6]中對活性CO2激光焊進行研究，發現在w(Cr2O3+SiO2)＞50%且兩者的百分比相差不懸殊的情況下，能獲得熔深大、熔寬窄的焊縫。

光纖激光器是第三代激光器的最新代表，因其能效高，內部元件發熱量低，能耗效率方面大大優于傳統的YAG和CO2激光器，所以與傳統激光器相比，對電能的需求大大降低。

本試驗旨在將活性焊接技術與光纖連續激光焊結合起來，對奧氏體不銹鋼304的光纖連續激光焊用的活性劑復合配方進行了試驗研究，獲得了最佳配方。通過分析復合活性劑對304不銹鋼板焊縫成形的影響規律，探討連續活性激光焊的熔深增加機理，為活性劑的實際應用打下試驗基礎。

1 試驗方法

研制3 mm厚的奧氏體不銹鋼304的活性劑復合配方。依據電弧收縮理論，選擇電負性較大即電子親和能較大的元素。這類物質主要包括Cr、Si、鹵化物(氯化物、氟化物)、氧化物以及其他金屬蒸氣等。依據表面張力理論，選擇含有表面活性元素的化合物，主要為氧化物。O、Si等是很強的表面活性元素，可使熔池具有正的表面張力溫度梯度。均勻法是一種將數論與多元統計相結合而建立的試驗方法，在保證統計精確性的前提下，該方法能大幅度減少試驗次數，是一種常用的試驗設計方法。

綜合上述因素和實際情況，以TiO2、SiO2、Cr2O3、CaF2和NaF為基本組成，用均勻法設計配方試驗。5種活性劑材料的熔沸點如表1所示。

表1 五種活性劑材料的熔沸點／℃

在活性劑的配方均勻試驗時，考慮到均勻法的“均勻分散”特點和試驗成本等因素，確定每種因素的水平為15，即獲得15組復合活性劑配方，以均勻設計表U15*(157)，其偏差D=0.155 1。利用試驗優化設計軟件計算，得到15組活性劑配方，每組配方的成分如表2所示。

用ES－500HA型電子天平(誤差0.01 g)稱量各組分活性劑粉末，用丙酮試劑混合成懸浮液均勻涂敷在試件表面，并且在相同焊接規范下用一組未涂覆活性劑的試樣作為第16組試樣施焊以進行對比。

待丙酮揮發后進行光纖連續激光焊接試驗。本次試驗采用德國IPG公司的YLR－4000型光纖激光器，波長1 070 nm，氬氣正面保護，一次性完成施焊，其焊接規范如表3所示。

2 試驗結果與分析

2.1 復合活性劑對焊縫成形性的影響

對各組試樣焊縫的焊縫形貌進行觀察。第1、3、 5、7、9、16組焊縫的金相照片如圖1所示，均為典型的激光焊深穿透小孔型焊縫。

對16組試樣焊縫的熔深、熔寬、深寬比進行統計，結果如表4所示。

表2 復合活性劑的成分配比／%

表3 連續激光焊焊接規范

表416 組焊縫相關數據

從表4可以分析得出，涂覆混合配方活性劑后的第1～15組試樣熔深和未涂覆活性劑的第16組試樣相比皆有不同程度的增加。其中第12、2、14組熔深增加最明顯，分別增加60.3%、54.8%、45.4%。在熔寬的變化方面，第15、12、9、14組變化較明顯。第12、14、15組的深寬比提升較好，其中深寬比分別增加73%、49.9%、33.1%。表5列出了增加熔深效果最好的4組試樣所涂覆的復合活性劑配方，這四組焊縫的外觀形貌如圖2所示。

圖1 試樣焊縫形貌(15×)

圖2 試樣的外觀形貌(15×)

從以上數據可以看出，涂覆了復合活性劑的試樣在連續激光焊接中的熔深和深寬比均有明顯提升。主要原因一方面是CrO、TiO、SiO、CaF和NaF的分子極性較大，它們的存在增加了激光與材料的耦合作用，有效地提高了工件表面對激光輻照的吸收率；另一方面是因為不規則的顆粒減小了工件對激光的反射，增加了焊縫熱輸入，從而使焊縫熔深顯著增加[7]。

由表5可以看出，第12、14組氟化物含量大幅增加，說明氟化物和氧化物共同導致了焊縫熔深的增加，其中氟化物對熔深增加效果更顯著。這可能是由于在焊接過程中，當金屬和活性劑蒸發時，氟原子第一電離能為1 681.0 kJ／mol，Fe的第一電離能762.5 kJ／mol，氟化物的加入增加了蒸氣的電離難度，導致等離子體減少，降低屏蔽作用，增加能量的輸入，同時氧化物活性劑將降低熔池液態金屬的表面張力數值，改變熔池表面張力流的方向，從熔池周邊向著熔池中心區流動。在熔池中心區域，通過液流直接傳向熔池底部的電弧熱量提高了熔池底部的加熱效率，氟化物和氧化物共同作用有利于熔深的增加。

當激光的入射功率密度較高時，可能會產生匙孔效應。匙孔現象發生在材料熔化和汽化的臨界點。而本試驗中加入的NaF和CaF2相對氧化物來說沸點較低，會加強熔池上方的蒸汽壓力，以克服液態金屬的表面張力，并把熔融的金屬吹向四周，形成匙孔或孔穴。由于激光在孔穴內的多重反射，增強了激光能量的吸收，再經內壁以熱傳導方式通過熔融金屬傳到周圍固態金屬中去。激光的能量被工件材料內部吸收率大大加強，橫向擴散較小，因而材料熔合的深度大，焊接速度快，單位時間焊合的面積大，相比而言，焊縫深而窄，深寬比大。

表5 復合活性劑焊接試驗中效果最優的4組配方／%

2.2 顯微組織分析

采用光學顯微鏡對第12組試樣進行顯微組織分析，如圖3所示。焊縫組織均為粗大的柱狀晶，圖3b焊縫中間部分還存在等軸晶，柱狀晶垂直于熔合線方向生長，熱影響區非常窄。在圖3b中還出現了偏析現象。

3 結論

(1)當TiO2、SiO2、Cr2O3、NaF、CaF2含量分別為6.43%、7.93%、10.65%、17.49%、57.49%時，活性劑與光纖連續激光焊耦合效果最優。

圖3 無活性劑和第12組活性劑下的焊縫金相組織

(2)與未涂敷活性劑相比，復合活性劑增加光纖連續活性激光焊深寬比效果更加明顯，其中，復合活性劑中氟化物含量對熔深增加影響較大。

(3)焊縫為典型的粗大柱狀晶組織，中間部分還存在等軸晶，另外焊縫中存在明顯的成分偏析。

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[2]張兆棟.鎂合金活性焊接研究[D].大連：大連理工大學，2007：27－42.

[3]黃勇.鋁合金活性TIG焊接法及其熔深增加機理的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2007.

[4]樊丁，姜國峰，黃勇，等.不銹鋼A－TIG點焊的試驗研究[J].電焊機，2010，40(4)：18－20.

[5]樊艷峰，劉金合，羅曉娜，等.活性劑對低功率脈沖激光焊接不銹鋼的影響[J].金屬鑄鍛焊技術，2008，37(23)：78－80.

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[7]洪蕾，吳鋼.激光制造技術基礎[M].北京：人民交通出版社，2008.

Study on fiber laser continuous welding of stainless steel with activating fluxes

LIU Shun-hong，DUAN Yuan-wei，Quan Wen-wen，LIU Jia-liang
(College of Materials Sicence and Engineering，Huazhong University of Sicence and Technology，Wuhan 430074，China)

Fiber laser，combined with the welding technology of activating flux，can significantly improve the welding penetration and efficiency.Based on the five activating fluxes of TiO2，SiO2，Cr2O3，CaF2and NaF，conducted homogeneous experimental design.Obtained 15 groups activating fluxes with different component.SUS304 plate was used for the the fiber laser continuous welding with mixture.Researched the impact of fluoride and oxid on the penetration and weld width.The results showed that：with the use of composite activating fluxes，the weld penetration increased significantly.When fluoride counts more in the mixture，the maximum penetration reaches 1.0 mm，depth-width ratio rises up to 1.5.Compared with the group with no activating fluxes，depth－width ratio heighten 73%.The microstructure of weld is coarse columnar crystals.There is a small amount of equiaxed in the center weld.Segregation is obviously exist at the bottom.

SUS304 stainless steel；fiber laser welding；activating flux；penetration

book=10,ebook=360

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0010－04

2010－10－08

劉順洪(1954—)，男，湖北武漢人，教授，主要從事材料激光加工和基于焊接機器人的快速制造技術的教學與科研工作。