1Cr18Ni9Ti脉冲激光焊接工艺研究

田英超，张祎玲，曹 明

（1.上海交通大学，上海 200240；2.上海空间推进研究所，上海201112）

0 引言

奥氏体不锈钢具有优秀的耐蚀性、综合力学性能良好，广泛应用于航天航空、化工、石油等领域[1-2]。激光与传统光源相比，具有方向性好、高亮度、单色性强、相干性好等特点[3]，在航天航空、微电子、医疗及核工业领域应用广泛，其焊缝特点是焊缝宽度窄、焊接变形小、焊接速度快、能量控制性好、受磁场影响小、焊缝表面光滑、工艺重复性好、能实现无接触精密焊接[4]，在焊接阀门壳体类产品方面有较大优势。

1 阀门壳体焊接的设计要求

某型号推进系统用阀门为单线圈常闭式阀门，该阀门壳体材料为1Cr18Ni9Ti，由于阀门壳体焊缝熔深要求较小，并有很高的密封要求，因此采用激光热导焊方式焊接。阀门焊缝设计要求见表1，壳体焊缝接头结构见图1。

表1 阀门壳体激光焊缝设计要求Tab.1 Design requirements of laser welding joint for valve shell

图1 阀门产品局部简化示意图Fig.1 Local simplified schematic diagram of valve

2 激光焊接设备与材料

激光焊接设备为YAG固体脉冲激光焊机，激光焊机主要技术参数见表2。被焊材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，材料状态为1 100℃左右固溶处理态，化学成分见表3。

表2 ML2350A激光焊机主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of ML2350A laser welding machine

表3 1Cr18Ni9Ti中化学成分含量质量百分比Tab.3 Quality percentage of chemical components in 1Cr18Ni9Ti %

3 激光焊接机理

激光焊接的原理是：激光束轰击金属表面形成蒸汽，金属蒸汽可防止剩余能量被金属反射掉，材料在吸收激光能量后，经过一定过程转化为热能，这些热能使金属熔化，冷却后形成焊缝[3]。激光焊接有两种焊接模式：深熔焊(DPW)和热导焊(HCW)[6-8]。脉冲激光焊接主要工艺参数有：离焦量、焊点重叠率、峰值功率和脉冲宽度等。这些参数均与焊缝熔深有关，下面从理论方面逐一进行分析。

3.1 离焦量与熔深的关系

由公式（1）可知，作用于工件表面的激光功率密度除了与脉冲能量和脉冲宽度有关外，还受光斑直径的影响，而光斑直径与离焦量（工件表面与焦平面的相对位置）有关，当焦平面位于工作表面之上时为正离焦，反之为负离焦[9]。

式中：Pd为光斑的功率密度，W/cm2；E为脉冲能量，J；d为光斑直径，cm；τ为脉冲宽度，s。

图2是离焦量与焊缝熔深之间的关系曲线图。由图2可见，当离焦量为-0.2时，熔深最大；离焦量为+0.2时，熔深最小。这是由于当最大功率密度位于金属内部时，激光局部加热的程度最强，从而可使更多的金属熔化和气化，使得激光能量更容易向工件深处传递；同时液态金属比固态金属更容易吸收激光能量。

图2 离焦量与焊缝熔深的关系曲线（5 ms）Fig.2 Defocusing amount versus weldpenetration(5 ms)

3.2 焊点重叠率与熔深的关系

阀门壳体激光焊机采用脉冲方式进行环缝焊接，在离焦量确定后，焊接速度与脉冲频率、焊点重合率满足公式（2）所示的关系[5]。

式中：v为焊接速度，cm/s；d为焊点直径，cm；f为脉冲频率，Hz；K为焊点重叠率。

焊点重叠率是影响焊缝熔深均匀性的主要参数，焊点重叠率决定相邻两焊点中心的间距，焊点中间间距过大会导致焊缝在纵向上呈锯齿状，焊缝熔深不均匀；焊点中间间距过小，会降低接头性能和焊接生产效率。

图3是焊点重叠率与焊缝熔深之间关系曲线图，由图可知：随着焊点重叠率增大，单位时间输入的热量也随之增大，焊缝熔深更均匀，但进一步提高焊点重叠率并不能明显提高焊缝均匀性。

图3 焊点重叠率与熔深关系曲线（3 kW,5 ms,4 Hz）Fig.3 Overlap rate versus weld penetration(3 kW,5 ms,4 Hz)

3.3 峰值功率与熔深的关系

峰值功率是激光焊接的关键参数，峰值功率与焊缝熔深的关系曲线见图4。由图可见，焊缝熔深随峰值功率升高而增加，而且上升趋势明显。峰值功率较低时，工件表面温度达到沸点需要历经数毫秒，在表面气化之前，焊缝处的金属温度降到熔点以下，热能才能有效地传递到金属内部，容易得到成形良好的焊缝，但焊缝熔深较浅；峰值功率较高时，激光使表层金属立即被加热至沸点，产生大量金属蒸气，来不及散失，且此时工件表面凸凹不平，影响工件对激光能量的吸收，在焊缝内部可形成孔穴，且容易引起飞溅。

图4 峰值功率与熔深关系曲线（5 ms,4 Hz）Fig.4 Peak power versus weld penetration(5 ms,4 Hz)

3.4 脉冲宽度与熔深的关系

图5 是脉冲宽度与焊缝熔深之间的关系曲线图。由图可见，随着脉冲宽度增加，熔深不断增大。由于不锈钢材料液态比固态更易吸收激光能量，脉冲时间很短或者功率太小时，金属在下一个脉冲达到之前已经变成固态，因此焊缝熔深较小；而脉冲时间很长或者峰值功率很大时，表层熔化金属停留时间较长，吸收激光能量的能力得到提高，熔深增加趋势也更加明显，因此峰值功率越大，熔深随脉冲宽度增加而增大。

图5 脉冲宽度与熔深的关系曲线（4 Hz）Fig.5 Pulse width versus weld penetration(4 Hz)

4 阀门壳体激光焊接工艺及产品试验结果

由以上分析可知，激光焊接离焦量对焊缝熔深影响较大，负离焦量可以有效增加焊缝熔深，因此离焦量定为-0.2 mm。

焊点重叠率与焊缝熔深有效性有关，重叠率过小，焊缝熔深波动大，有效熔深小，严重时可能导致阀门外漏；重叠率过大，焊缝金属蒸汽挥发严重，可能导致焊缝性能下降[10]，焊缝熔深一致性并不能显著提高，且焊接效率较低。综合以上各种因素分析，选择最佳焊点重叠率为75%，根据公式（2），可计算出焊接速度为48 mm/min。

峰值功率对焊缝熔深的影响较为明显，随着峰值功率的增加焊缝熔深迅速增加，但峰值功率达到3.5 kW，焊接过程中会出现金属飞溅，在焊缝内部可形成孔穴，从而影响焊缝气密性，所以峰值功率一般选择不大于3.5 kW。

脉冲宽度对焊缝熔深影响相对峰值功率小，脉冲时间长，可以保证焊缝表面光滑，脉冲时间过长，将会提高单点输出能量值，降低了脉冲频率，从而影响了焊接效率，因此一般选择脉冲宽度不超过6 ms。由此可得，阀门壳体激光焊接最佳工艺参数如下。

1） 离焦量：-0.2 mm；

2） 脉冲频率：f＝4 Hz；

3） 峰值功率：P＝3 kW；

4） 脉冲宽度：τ＝5～6 ms；

5） 焊接速度：v＝48 mm/min。

某阀门组件壳体激光焊接工艺流程见图6。

图6 某型号阀门激光焊工艺流程图Fig.6 Process flow of laser welding for a valve

采用最佳工艺规范焊接的阀门，其试验结果见表4。

表4 阀门产品试验结果Tab.4 Test results of the valve

由表4可见，阀门所有检查项目均满足设计要求。

5 结论

1） 熔深0.5±0.1 mm的阀门壳体激光焊接，优选工艺参数为离焦量-0.2 mm，f＝4 Hz，P＝3 kW，τ＝5～6 ms，v＝48 mm/min。

2）采用最佳的激光焊接工艺规范，焊接的阀门产品已多次经过飞行考核，该项工艺技术满足类似结构不锈钢组件产品的焊接要求。

[1]严彪.不锈钢手册[M].北京:化学工业出版社,2009.

[2]王丽凤,孙凤莲,张宏.1Cr18Ni9Ti激光焊接工艺[J].机械工程师,2004(12):46-47.

[3]刘金合,张勇.激光焊接的安全与防护[C]//第十一次全国焊接会议论文集.上海:中国焊接学会,2005:580-582.

[4]龙辉,高翔,李力钧.激光焊接3Cr13不锈钢的试验研究[J].湖南大学学报,2002,21(3):31-32.

[5]李亚江,王娟,刘鹏.特种焊接技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2003.

[6]陈武柱,张旭东,任家烈,等.激光焊接时焊接模式转变规律及焊接过程稳定性的研究[J].中国激光,1996,23(7):657-661.

[7]陈武柱.激光焊接与切割质量控制[M].北京:机械工业出版社,2010.

[8]熊丽娟,都东,何云峰,等.小尺寸不锈钢片脉冲激光焊接的参数分析[J].应用激光,2003,23(1):22-23.

[9]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册焊接方法及设备[M].北京:机械工业出版社,2007.

[10]YURIOKA N.TMCPsteelsand theirwelding[J].Welding in the World,1997,43(2):2-17.