0.1 mm厚的薄板脈沖激光焊接關鍵技術研究★

王熙杰，蔡慧林

（1.湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006；2.湖南省高鐵運行安全保障工程技術研究中心，湖南 株洲 412006；3.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

超薄板厚度一般小于1 mm，由于板料厚度很薄，剛性很小，受焊接應力作用極易發生變形，引起板材扭曲、翹曲或波浪形變形[1]。而焊接應力與焊接熱輸入密切相關，焊接熱輸入大小直接影響接頭區域大小和焊接變形，且焊縫熔透狀態由焊接熱輸入決定，熱輸入不當容易造成未熔透或焊漏缺陷。這就意味著：在超薄板焊接時，要獲得優質的焊接接頭，必須在保證板料熔透的情況下，盡量降低熱輸入，以減小板料變形。

激光焊接具有熱源能力密度高、方向性好、熱影響區小的特點，且可以在較低的熱輸入水平下，將材料局部熔化，從而實現焊接。因此，激光焊接在薄板、超薄板的焊接上具有獨特優勢[2]。脈沖激光焊是通過時間上間歇的激光脈沖作用，使材料局部熔化而實現連接的方法，其熱源是間歇式激光熱源，其既具有激光熱源的特點，又具有間歇熔化的特征，既具有連續焊的特點又具有點焊的特征[3]。跟連續激光焊接相比，脈沖激光焊可以在相對較高的脈沖功率下進行較低水平熱輸入的焊接，這說明脈沖激光焊可以在更低的熱輸入條件下獲得熔透的焊縫。

上海交通大學王琪珉對0.1 mm不銹鋼進行了連續激光搭接焊研究，在焊接速度為50 mm/s、激光功率在80～150 W時，能夠獲得上層板熔透、下層板不燒穿，且表面成形較好的焊縫[4]。計遙遙對0.65 mm雙相鋼脈沖激光焊接進行研究發現，焊縫組織與焊斑重疊率具有明顯聯系，當焊斑重疊率較低時，焊縫未重疊區的組織比重疊區組織更細小，但不均勻；當重疊率較高時，焊縫組織變大，并呈現出一定方向性[5]。孫佳偉采用脈沖激光焊獲得了0.2 mm厚的Inconel625薄板高質量對接焊接頭，接頭抗拉強度達到母材的96.4%，延伸率為母材的54.4%，分析發現焊縫組織由熔合線附近的柱狀晶和中心細小的等軸晶組成[6]。近年來，國內外學者對薄板、超薄板激光焊接進行了相關研究，但對0.1 mm厚超薄板的焊接研究較少，特別是在對影響超薄板焊縫成形控制方面的關鍵因素的研究上，往往只注重某一方面，缺乏比較系統的研究。為此，本文以0.1 mm厚1J79鋼板為實驗對象，研究超薄板脈沖激光焊接中影響焊縫成形的關鍵因素。

1 試驗條件及方法

試驗所用材料為1J79軟磁合金材料，板厚0.1 mm，材料化學成分如表1所示。利用精密剪板機將板料裁剪為100 mm×50 mm的長方形試樣，焊前采用酒精去除表面油污和水分，吹干后備用。

表1 1J79軟磁合金化學成分 %

試驗所用激光器為德國通快公司的TruLaserCell 3004脈沖激光焊接機，激光波長為1 064 nm，該激光器最大平均功率為124 W。激光傳輸光纖芯徑為400μm，焊接頭聚焦鏡焦距為200 mm，焦點位置的激光光斑直徑為0.4 mm，焊接時焦點固定在工件上表面，即上方3 mm處。焊接采用99.999%的純氬氣作為保護氣，保護氣流壓力為0.5 MPa（5 bar），吹氣角度與工件的夾角為55°。焊接裝置簡圖如圖1所示。

圖1 焊接裝置簡圖

焊接試驗采用對接焊，焊接試板用酒精清理干凈后，將拼縫對中，按圖1-1固定后實施焊接。焊接實驗采用單一變量法，變量參數包括激光功率P、脈沖寬度t、脈沖頻率f和焊接速度v，焊接完成后，用顯微鏡觀察焊縫表面并記錄。焊斑重疊情況如圖2所示。

圖2 焊斑重疊示意圖

由圖2可知，薄板脈沖激光焊焊縫由一串等間距的熔池相互重疊而成，焊縫表面能觀察到明顯的、重疊的焊斑。通過對焊縫表面照片測量分析，并利用焊斑間距Δx與焊斑直徑d，可以計算得到焊斑重疊率[7]，即焊斑重疊率。

2 影響超薄板焊縫成形的關鍵因素

薄板焊接的關鍵就是要調整好工藝參數，在保證熔透的前提下，獲得一條連續的、無燒穿的焊縫[8]。焊接過程的本質就是熔池的運動，控制超薄板焊縫成形的關鍵就是科學控制熔池運動，而熔池運動與熔池大小、形狀、受力狀態和焊接速度密切相關，接下來對以下三個因素分別進行闡述。

2.1 焊接間隙

眾所周知，脈沖激光焊的峰值功率非常高，一般可達到幾千瓦甚至幾萬瓦，在焊接金屬時，超高的激光功率會讓金屬表面瞬間熔化，并使部分金屬瞬間汽化，金屬熔體在重力和蒸汽反沖壓力作用下具有向下流動趨勢，而熔體表面張力使熔體向上縮回。在對接焊中時，若焊接間隙設置合理，兩側母材熔化的熔體剛好能形成完全穿透母材的熔池，如圖3-1所示。此時，表面張力與重力、蒸汽反沖壓力處于動態平衡，焊接過程中熔池形態穩定，既不會出現未熔透，也不會出現焊漏現象。當焊接間隙較大時，兩側母材熔化后的熔體向下流動，但兩側熔體不能匯合，兩側熔體在表面張力作用下各自向兩側母材靠攏，這樣焊接間隙將進一步擴大，最終使兩側母材無法實現連接，如圖3-2所示。

3-1焊接間隙較小時熔池形態

圖3 不同焊接間隙下熔池形態

焊接間隙的大小直接影響到焊縫的連續性，控制焊接間隙是獲得優良焊縫的關鍵因素之一。首先，在板料拼接時要求焊接間隙控制在較小范圍，基于本試驗條件，試驗結果顯示當板料相互接觸（即焊接間隙為零）時，焊接穩定性和連續性更好。其次，在焊接過程中，板料受熱發生變形，引起板料錯位，造成焊接間隙增加，最終也會導致兩側母材不能連接，因此，在焊接時需要用夾具保持板料位置來控制焊接間隙。

2.2 熱輸入水平

焊接熱輸入水平決定焊接熔池大小和焊接熔透狀態。焊接熱輸入越高，熔化區域越寬，熔池越大，焊接熔透能力越強。在脈沖激光焊接中，焊接熱輸入可以用2個參數進行評價，一個是單個脈沖能量Q（即一個脈沖所輸出的能量大?。?，另一個是焊接線能量q（即在單位長度的焊縫上所輸入的焊接能量）。由于脈沖激光焊同時具有運功離散性和熱傳導連續性的特點，而脈沖能量和焊接線能量剛好可從這兩個方面進行評價，因此，用這兩個參數對脈沖激光焊的熱輸入水平進行研究。不同脈沖能量的焊縫形貌如圖4所示，不同焊接線能量的焊縫形貌如圖5所示。

圖4 不同脈沖能量的焊縫形貌

圖5 不同焊接線能量的焊縫形貌

脈沖激光焊時，每個脈沖在材料表面作用形成一個熔池，由于脈沖作用時間極短（在ms量級），熔池之間相互影響很小，焊接熔池大小、形態由脈沖能量決定[9]。從圖4中可知，當脈沖能量增加時，焊縫正面與背面熔寬均增加，說明脈沖能量增加，熔池體積增大，具體表現為熔池寬度與深度增加，因此在板材厚度一定時，焊縫正面與背面熔寬均增加。同時發現，當脈沖能量為0.54 J時，出現焊漏現象，這是因為此時熔池體積較大，而板材厚度較小，熔體表面張力不能平衡熔體重力和蒸汽反沖壓力，使得熔池底部破裂，造成熔體流失，最后形成熔化后回縮的缺口。

焊接線能量也是焊接熱輸入的一個評價參數，與脈沖能量不同的是，焊接線能量是指脈沖能量在焊縫長度上的累積效果。由于脈沖激光焊是多個脈沖在焊縫方向的累積，當單位長度上的脈沖數目越多，焊接線能量越高，反之亦反。從圖5可知，當焊接線能量增加時，焊縫正面與背面熔寬增加，焊縫成形連續性增強，但當焊接線能量為3.46 J/mm時，焊縫出現焊漏現象，這是因為單位長度的焊縫上的能量累積太高，熔池被拉長，熔體表面張力不能平衡熔體重力和蒸汽反沖壓力，使得熔池底部破裂，熔體向熔池前后和兩側母材回縮，隨后形成擴大的缺口和斷續的焊瘤。

因此，超薄板脈沖激光焊接不僅要控制脈沖能量大小，還要合理控制焊接線能量，以維持尺寸、形態合適且動態穩定的熔池，只有這樣，才能獲得成形良好、均勻的焊縫。

2.3 焊斑重疊率

焊斑重疊率是焊接熔池凝固后的宏觀表現，焊斑重疊率直接影響焊縫成形狀態。在焊接熔池大小一定時，焊斑重疊率與脈沖頻率成正比，與焊接速度成反比。由于脈沖激光焊“小孔”的存在，在焊斑中心存在“小孔”熔合的凹陷，為獲得表面均勻的焊縫，一般要求焊斑重疊率不能小于50%。不同焊斑重疊率的焊縫形貌如圖6所示。

圖6 不同焊斑重疊率的焊縫形貌

從圖6（a）～（f）中可以發現，當焊斑重疊率小于50%時，焊斑中心的“小孔”熔合凹陷不能被后續焊斑覆蓋，凹陷清晰可見，影響了焊縫表面均勻性。此外，在焊縫背面存在焊斑未重疊現象，不僅影響焊縫成形，還減小了焊縫熔接面積，降低焊縫強度。當焊斑重疊率超過60%時，焊斑“小孔”凹陷被覆蓋，焊縫成形均勻性得到大幅提高，且焊縫背面重疊均勻。說明在本實驗條件下，要獲得成形均勻、熔透良好的脈沖激光焊縫，焊斑重疊率閾值應該提高到60%。實際上，當脈沖能量一定時，焊斑重疊率與焊接線能量成正比例關系。這意味著在調節焊斑重疊率時還要考慮焊接線能量的大小，如果兩者匹配不當，可能造成焊縫成形不均勻或焊縫焊漏現象。

因此，應在滿足焊斑重疊率閾值的條件下，合理調節焊接線能量，以獲得成形良好、表面均勻的焊縫。

3 結論

脈沖激光焊接工藝的有關參數較多，且參數之間存在相互影響，通過試驗結果分析發現，影響超薄板脈沖激光焊焊縫成形質量的關鍵因素可以確定為：焊接間隙、熱輸入水平和焊斑重疊率。超薄板脈沖激光焊接的參數調整原則如下：

1）保持板材焊接間隙為零。必要時可采用適合的夾緊方式來控制焊接過程中的板料變形，以保持焊接過程中板材焊接間隙為零。

2）選擇合適的脈沖能量。脈沖能量決定焊接熔透狀態，合適的脈沖能量應該能維持板料熔透而不至于使熔體下漏。

3）保證焊斑重疊率與焊接線能量的匹配關系。焊斑重疊率是焊縫成形連續性的體現，要在滿足焊斑重疊率閾值的前提下，調節焊接線能量，以改善焊縫表面成形。