先进结构材料激光焊接 | 浏览量 : 197 下载量: 160 CSCD: 0

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    • 12 mm厚304L高功率摆动激光自熔焊工艺研究

    • Study on High Power Oscillating Laser Self-fusion Welding of 12 mm Thick 304L

    • 刘鹏

      12 ，

      王艳俊

      1 ，

      任闻杰

      1 ，

      张晓冬

      3 ，

      胡玉

      3 ，

      孙柳青

      3 ，

      杨上陆

      1
    • 2023年53卷第7期 页码：24-30   

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.04     

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  • 刘鹏，王艳俊，任闻杰，等.12 mm厚304L高功率摆动激光自熔焊工艺研究［J］.电焊机，2023，53（7）：24-30. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.04.
    LIU Peng, WANG Yanjun, REN Wenjie, et al.Study on High Power Oscillating Laser Self-fusion Welding of 12 mm Thick 304L[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(7): 24-30. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.04.
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    摘要

    对12 mm厚304L不锈钢进行高功率摆动激光自熔焊接工艺试验，研究焊接速度、摆动频率、摆动幅度对焊缝宏观形貌和微观组织的影响规律。结果表明：当激光功率为9.5 kW、激光无摆动时，焊接速度从0.9 m/min增加至1.5 m/min，焊缝从熔透变为未熔透，未熔透试样的表面飞溅明显；当摆动频率在50~400 Hz范围内，随着摆动频率的增加，焊缝熔宽由6.67 mm单调减小至4.94 mm，而熔深在7.5 mm附近上下浮动；当焊接速度为0.9 m/min，摆动幅度在0.2~1.0 mm范围内，随着摆动幅度增加，焊缝的熔宽由5.36 mm单调增加至7.14 mm，熔深先增加后减小；当焊接速度为0.72 m/min，摆动幅度在0.5~1.0 mm范围内，随着摆动幅度增加，焊缝的熔宽由2.99 mm单调增加至7.73 mm，熔深由12 mm单调减小至8.42 mm。激光的摆动参数对焊缝熔宽的影响规律较焊缝熔深的更明显。焊缝接头的显微组织在焊缝深度方向存在差异，柱状晶主要分布在焊缝上部和中部，焊缝底部主要为等轴晶。激光束摆动会改变焊缝柱状晶和等轴晶在焊缝上部和中部的分布。

    译
     EN

    Abstract

    The effects of welding speed, oscillating frequency and oscillating amplitude on the macro-morphology and microstructure of the weld were studied by high power oscillating laser self-fusion welding of 12mm thick 304L stainless steel. The results show that when the laser power is 9.5 kW and the laser does not oscillate, as the welding speed increases from 0.9 m/min to 1.5 m/min, the weld changes from penetrated to unpenetrated, and the spattering of the unpenetrated specimen is obvious. When the oscillating frequency is in the range of 50~400 Hz, with the increase of the oscillating frequency, the penetration width of the weld decreases from 6.67 mm monotonic to 4.94 mm, and the penetration depth fluctuates up and down around 7.5 mm. When the welding speed is 0.9 m/min and the oscillating amplitude is in the range of 0.2~1.0 mm, with the increase of the oscillating amplitude, the penetration width of the weld increases monotonically from 5.36 mm to 7.14 mm, and the penetration depth first increases and then decreases. When the welding speed is 0.72 m/min and the oscillating amplitude is in the range of 0.5~1.0 mm, with the increase of the oscillating amplitude, the penetration width of the weld increases from 2.99 mm monotonic to 7.73 mm, and the penetration depth decreases from 12 mm monotonic to 8.42 mm. The influence of the oscillating parameters of the laser on the penetration width is more obvious than that of the penetration depth. The microstructure of the weld joint is different in the direction of weld depth, the columnar crystals are mainly distributed in the upper and middle parts of the weld, and the bottom of the weld is mainly equiaxed crystals. Laser beam oscillating changes the distribution of columnar and equiaxed crystals in the upper and middle weld.

    译
     EN

    关键词

    奥氏体不锈钢; 中厚板; 摆动激光焊; 显微组织

    译
     EN

    Keywords

    austenitic stainless steel; mid-thick plates; oscillating laser welding; microstructure

    译
     EN

    0 前言

    304L奥氏体不锈钢因其良好的耐热性、耐腐蚀性和焊接性等特点成为了目前常见的结构材料之一，在航空航天、核电、石油化工等工业中被广泛应用［

    1-2］。对于中厚板不锈钢，传统焊接方法多采用焊条电弧焊和氩弧焊，焊接效率低且热输入量大，易产生较大的焊接变形和残余应力，难以保证焊接质量。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源，具有焊接速度快、热输入量小、可焊材质种类范围大等优点，是一种高效的焊接方法，其为中厚板不锈钢的焊接提供了新的思路和技术手段。
    译
     EN

    目前，中厚板不锈钢激光焊接工艺主要包括激光窄间隙填丝焊、激光-电弧复合焊和激光自熔焊［

    3］。其中，与激光窄间隙填丝焊和激光复合焊工艺相比，激光自熔焊的工艺流程简单，能明显提升焊接效率。同时，作为常用的中厚板激光窄间隙填丝焊打底焊工艺，激光自熔焊工艺在更大厚度上的研究有助于促进大厚板激光窄间隙填丝焊的应用，提升焊接效率。因此，研究中厚板不锈钢激光自熔焊工艺对提高焊接效率、推进中厚板的焊接应用具有重要意义。信纪军［4］等人使用20 kW超高功率光纤激光器对20 mm厚度316N奥氏体不锈钢进行单道焊接，研究了离焦量、焊接速度和激光功率对焊接接头宏观形貌及显微组织的影响。张强勇［5］、陈勇［6］和冷晓春［7］等人开展304不锈钢激光自熔焊试验，通过单变量法和一元线性回归分析研究了激光功率、焊接速度和焊接热输入等焊接参数对焊接接头宏观形貌、焊缝组织和力学性能的影响。
    译
     EN

    激光摆动焊是利用激光光束的摆动来抑制气孔、裂纹等缺陷，改善组织形成和减少焊缝飞溅［

    8］，从而获得更加优质的焊缝质量。方远志等人借助激光原位摆动提出一种激光摆动送粉增材制造TC4钛合金工艺，显著改善了熔池形貌，减少了气孔和裂纹等缺陷［9］。李翠等人进行了不锈钢板的激光叠焊工艺研究，分析激光光束摆动方式对焊缝成形和气孔率的影响规律，获得了成形好、气孔少、剪切强度高的叠焊接头［10］。祁小勇等人开展了铝合金摆动激光—MIG复合焊接，研究了摆动激光光束的频率和振幅对焊缝气孔和熔深的影响，获得的最优焊接参数下的焊缝内部无明显气孔，焊缝强度达到母材的91.9%［11］。目前，对中厚板不锈钢高功率激光自熔焊工艺主要集中在非摆动激光焊接，而对摆动激光焊接工艺研究较少。因此，研究中厚板不锈钢的激光摆动焊工艺，分析摆动工艺参数对焊接接头的影响规律，对实现中厚板不锈钢的优质焊接具有重要意义。
    译
     EN

    本文采用摆动激光焊接工艺对12 mm厚304L奥氏体不锈钢进行了焊接试验，研究摆动工艺参数对焊接接头的影响规律，建立焊接工艺参数与焊缝宏观形貌和微观组织之间的联系，为实现高质量的中厚板不锈钢激光自熔焊接提供基础。

    译
     EN

    1 试验材料和方法

    试验材料为12 mm厚的304L奥氏体不锈钢，试板尺寸为100 mm×50 mm×12 mm，其化学成分如表1所示。

    译
     EN

    表1  304L不锈钢的化学成分比例（质量分数，%）
    Table 1  Chemical composition ratio of 304L stainless steel （wt.%）
    CSiMnPSCrNiCuMoNFe
    ≤0.03 0.509 1.508 0.032 0.003 18.3 8.02 0.106 0.08 0.036 余量
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    采用摆动激光焊接系统进行试验，该系统集成了德国IPG公司的YLS-10000光纤激光器（波长为1 070 nm）、KUKA公司的KR60HA机械臂，聚焦光斑直径为0.40 mm。该系统能控制激光束以特定频率和幅度摆动。采用单板激光自熔焊的形式，焊接位置为平焊。在正弦摆动轨迹条件下，设置不同的摆动幅度和摆动频率来研究摆动工艺参数对焊缝成形的影响，焊接工艺参数如表2所示。焊接完成后，采用电火花线切割获取焊缝横截面试样，并制作标准金相试样，采用120#、400#、800#、1200#和2000#粒度的砂纸由粗粒度到细粒度进行打磨，采用3 μm粒度的金刚石悬浮液进行试样抛光。采用三氯化铁盐酸溶液进行化学腐蚀，采用基恩士VHX-6000超景深光学显微镜观察焊缝表面成形、焊缝尺寸（熔深和熔宽）和微观组织。

    译
     EN

    表2  摆动激光焊接工艺参数
    Table 2  Oscillating laser welding process parameters
    编号

    摆动幅度

    /mm

    摆动频率

    /Hz

    激光功率

    /kW

    焊接速度

    /（m·min-1）

    1 — — 9.5 1.5
    2 — — 9.5 1.2
    3 — — 9.5 0.9
    4 0.2 50 9.5 0.9
    5 0.2 100 9.5 0.9
    6 0.2 200 9.5 0.9
    7 0.2 300 9.5 0.9
    8 0.2 400 9.5 0.9
    9 1.0 300 9.5 0.9
    10 0.5 300 9.5 0.9
    11 0.5 300 9.5 0.72
    12 1.0 300 9.5 0.72
    13 0.75 300 9.5 0.72
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    2 试验结果及分析

    2.1 焊接速度对接头成形的影响

    图1为激光束无摆动时不同焊接速度下的焊缝表面成形及横截面形貌。由图可见，当焊接速度在0.9~1.5 m/min范围时，仅当焊接速度为0.9 m/min时，试样实现了熔透焊接，此时试样正面有明显的下凹但无飞溅痕迹，试样背面出现较多驼峰。当焊接速度为1.2 m/min和1.5 m/min时，试样正面有明显飞溅痕迹，下凹程度弱于熔透试样（0.9 m/min），试样的背面仅在焊缝起止位置有驼峰出现。这是因为随着焊接速度的增大，焊接线能量减小，激光熔透能力降低，使下凹减弱，驼峰减少。在无激光摆动的试验条件下，试验横截面均未出现气孔、裂纹等内部缺陷。

    译
     EN

    fig
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    图1  焊接速度对焊缝表面成形及横截面形貌的影响

    Fig.1  Effect of welding speed on surface appearances and cross section of welds

    2.2 摆动频率对接头成形的影响

    相比于传统无摆动激光焊接，摆动激光焊能够增加热作用面积，从而影响熔池及匙孔的大小和稳定性。为研究激光摆动频率对焊缝成形的影响，采用单变量试验，将激光功率定为9.5 kW，焊接速度定为0.9 m/min，摆动幅度定为0.2 mm，摆动频率设置为50~400 Hz范围内进行了试验。在该试验条件下，试样均未熔透。而在相同的激光参数下，无摆动的试样被熔透且背部出现较多驼峰。在热输入总量相同的条件下，激光摆动增加了热作用面积，减小了试样单位面积的热输入量，从而降低了激光熔透能力。

    译
     EN

    图2为不同摆动频率下的焊缝表面成形。由图2可见，在50~200 Hz范围内，随着摆动频率的增大，试样正面飞溅的颗粒大小和数量明显减小，在200~400 Hz范围内，试样正面飞溅无明显差异。这与激光摆动焊过程中光束对熔池的搅拌作用有关，摆动频率的增加提高了激光光束搅拌熔池的速度。当摆动频率在50~200 Hz范围内，搅拌作用改善了熔池形成过程的稳定性，从而抑制了飞溅的产生。

    译
     EN

    fig

    图2  摆动频率对焊缝表面成形的影响

    Fig.2  Effect of oscillating frequency on surface appearances

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    不同摆动频率下的焊缝形貌及熔深、熔宽变化如图3所示。由图可见，仅当摆动频率为200 Hz时，试样内部存在气孔。这表明在50~400 Hz范围内，随着摆动频率增加，气孔率不是单调变化，而是呈现先增加后减少的趋势。合适的摆动频率对激光匙孔的稳定性具有重要影响，会明显影响气孔的形成。当摆动频率在50~400 Hz范围内，随着摆动频率的增加，熔深无明显变化，在7.5 mm左右上下浮动，最大熔深为7.86 mm，最小熔深为7.34 mm；而熔宽呈明显地减小趋势，从6.67 mm降至4.94 mm，这说明摆动频率对焊缝熔深的影响较小，对焊缝熔宽影响较大。随着摆动频率的增加，激光束在焊缝宽度方向的停留时间减小，使热输入减小而导致焊缝熔宽减小。

    译
     EN

    fig

    图3  摆动频率对焊缝熔深和熔宽的影响

    Fig.3  Effect of oscillating frequency on the depth and width of weld

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    2.3 摆动幅度对接头成形的影响

    焊接速度为0.9 m/min，摆动频率为300 Hz，摆动幅度为0.2~1.0 mm的焊缝表面成形如图4所示。由图可见，随着摆动幅度增加，试样正面的飞溅无明显差异。

    译
     EN

    fig

    图4  摆动幅度对焊缝表面成形的影响

    Fig.4  Effect of oscillating amplitude on surface appearances

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    当摆动频率为300 Hz，摆动幅度为0.2~1.0 mm时，焊缝形貌及熔深和熔宽的变化如图5所示。当摆动幅度为0.2~1.0 mm时，焊缝均未完全熔透。当摆动幅度为0.2 mm时，焊缝形貌呈U形，随着摆动幅度的增加，焊缝形貌逐渐变化为“高脚杯”形。当摆动幅度为0.5 mm时，焊缝底部出现了气孔。综上，当摆动幅度在0.2~1.0 mm范围内，随着摆动幅度的增加，焊缝的熔深先增加后减小。焊缝的熔宽则呈明显地增加趋势，从5.36 mm增至7.14 mm。

    译
     EN

    fig

    图5  摆动幅度对焊缝熔深和熔宽的影响

    Fig.5  Effect of oscillating amplitude on depth and width of weld

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    当焊接速度为0.72 m/min时，不同摆动幅度下的焊缝表面成形如图6所示。由图可见，当摆动幅度为0.5 mm时，焊缝熔透且背部出现了较多驼峰。当摆动幅度为0.75 mm和1.0 mm时，焊缝未熔透且正面飞溅痕迹的差异较小。这说明随着摆动幅度增大，焊缝的熔透能力逐渐减低。由焊缝正面形貌可看出，当焊缝熔透时，几乎无飞溅产生。这与无摆动时的规律一致，即当焊缝熔透时，试样正面几乎无飞溅，但背面会出现严重的驼峰。

    译
     EN

    fig
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    图6  摆动幅度对焊缝表面成形的影响（焊接速度0.72 m/min）

    Fig.6  Effect of oscillating amplitude on surface appearances（v=0.72 m/min）

    在0.72 m/min焊接速度下，焊缝的横截面形貌及熔深和熔宽的变化如图7所示。由图可见，焊缝未出现气孔，随着摆动幅度从0.5 mm增至1.0 mm，焊缝熔深呈明显减小趋势，从12 mm降至8.42 mm；而焊缝熔宽明显增加，即从2.99 mm增至7.73 mm。因此，在该试验条件下，摆动幅度对熔深和熔宽的影响明显，即随着摆动幅度增加，焊缝的熔宽增加而熔深降低。

    译
     EN

    fig

    图7  摆动幅度对焊缝熔深和熔宽的影响（焊接速度0.72 m/min）

    Fig.7  Effect of oscillating frequency on depth and width of weld（v=0.72 m/min）

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    2.4 焊缝的显微组织

    图8为304L不锈钢摆动激光自熔焊焊缝显微组织［3号（无摆动）和8号（摆动）］。由图8可见，3号和8号试样的焊接接头的显微组织均随深度变化而具有明显差异。8号试样的焊缝上部主要为垂直于熔合线方向生长的粗大柱状晶，同时柱状晶的生长表现出极强的方向性，交汇于焊缝中心线。焊缝中部主要为生长于焊缝中心处的等轴晶和垂直于两边熔合线方向生长的柱状晶，具有联生结晶和外延生长的特征。焊缝底部显微组织的主要部分为等轴晶。3号试样的焊缝上部的焊缝中心线处生长为等轴晶，柱状晶位于等轴晶两侧且方向垂直于两边熔合线。焊缝中部主要为垂直于熔合线方向生长的粗大柱状晶。焊缝底部显微组织的主要部分为等轴晶。焊缝深度方向上的显微组织差异主要是由于焊缝凝固过程中的冷却条件在深度方向上存在差异。

    译
     EN

    fig
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    图8  3号和8号样品的焊接接头的显微组织

    Fig.8  Microstructure of welded joints for samples No.3 and No.8

    3号和8号试样的焊接焊缝显微组织之间存在差异。激光无摆动时，柱状晶主要分布在焊缝中部和焊缝上部两侧；而激光摆动时，柱状晶主要分布在焊缝上部和焊缝中部两侧；焊缝底部的显微组织无明显差异。激光摆动会对焊接接头的显微组织产生影响，这是因为摆动激光改变了焊缝区冷却凝固时的温度梯度。

    译
     EN

    3 结论

    本文开展了12 mm厚304L不锈钢摆动激光焊接试验，研究了摆动激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响，分析了焊接接头的宏观形貌、显微组织的变化规律，得出以下结论：

    译
     EN

    （1）随着焊接速度降低，焊缝熔透能力增加，试样正面下凹和背面驼峰变得明显。当试样完全熔透时，试样正面几乎无飞溅痕迹。

    译
     EN

    （2）相比于无摆动激光焊，摆动激光焊增加了激光热作用面积，焊缝的熔深减小，熔宽增加。

    译
     EN

    （3）摆动频率和摆动幅度对焊缝熔宽的影响较熔深更明显。随着摆动频率增加，焊缝的熔宽单调减小、熔深变化不大；随着摆动幅度增加，焊缝的熔宽单调增加、熔深无明显变化规律。

    译
     EN

    （4）焊缝的显微组织因深度变化存在差异，柱状晶主要分布在焊缝上部和中部，焊缝底部主要为等轴晶。摆动激光会影响焊缝上部和中部的柱状晶、等轴晶的分布。

    译
     EN

    参考文献

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    编辑部网址：http：//www.71dhj.com [百度学术] 

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