激光深熔焊接304 不锈钢焊缝成形工艺与控制

应渔锋 朱枫江 孟洋

（1.浙江精功机器人智能装备有限公司，浙江 绍兴 312000；2.网易（杭州）网络有限公司，浙江 杭州 310052）

激光深熔焊具有高精度、高能量密度、焊缝深、热影响区较窄、焊缝美观、高效率的特点，自1960 年由美国人提出后，至今在汽车和航空制造材料加工上应用广泛[1]。激光焊接中聚焦激光束于材料表面，以加热融化，起到加工作用。其优势是集中激光光束于较窄区域，以高能量密度热源快速作用于材料。

一、激光深熔焊原理及304 不锈钢应用

激光焊接按其匙孔（小孔）产生分为热传导焊接及深熔焊接。激光深熔焊本质特征是有小孔效应，在其焊机过程中，高能量密度激光照至待焊材料面上，部分被材料反射，部分被吸收，使材料的表面温度迅速升高、融化产生汽化，金属蒸汽膨胀压力导致液体金属面出现凹陷，进而产生凹坑，其凹坑底部受激光束直射产生新蒸汽，加深凹坑，形成匙孔[2]。匙孔内蒸汽受高密度激光产生电离，形成高温等离子体。匙孔形成过程只需几毫秒，匙孔及等离子体改变激光和材料的相互机理，深入材料内部，使材料加大对激光束的吸收。

304 不锈钢是奥氏体不锈钢，其特点是塑性、韧性较高，耐蚀性好，无磁性，大量应用在航空航天、核工业、常压容器、生物化学领域。有关学者对304 不锈钢MAG 焊接接头及性能的研究显示，其焊接接头抗拉强度不低于母材，塑性较好。但因添丝、人工焊接，其线能量不是很稳定，易出现焊渣、弧坑气孔、裂纹缺陷，热影响焊接变形大。M.T.Liao 研究显示，保护气体成分对焊接接头及力学性能影响较大，当CO2含量较大，飞溅严重，焊缝会出现铁素体。杜伟哲对304 不锈钢的激光深熔焊的工艺试验研究显示，激光焊接工艺参数和焊缝成形的关系，得出了熔池形状回归方程，揭示了功率、速度及离焦量对焊缝成形的影响[3]。

二、激光深熔焊接304 不锈钢的熔池温度场研究

激光深熔焊过程较复杂，受多维、多参数影响，且是快速反应过程，材料融化、汽化及焊缝凝固结晶都伴有不同的物理化学过程，包括传热传质、相态变化、小孔、等离子产生。所以，应加大对激光热源处理，根据热传递机制，计算熔池及温度场，寻找适宜的焊接形式，以确保有效的焊缝质量。熔池、温度场对焊接工艺参数、质量都有较大的联系，控制好焊接中熔池、温度场能有效保证焊缝成形及质量。一般采用图像分析及数值模拟获得熔池和焊接参数关系，通过试验和计算两种方法研究熔池特征，以对焊接熔池进行预测，建立温度场数学模型。目前常用的数学模型是Rosenthal 热源模型。因激光深熔焊的深度比为8:1，小孔呈细长型，能吸入全部射光能力，经其内壁热传导给金属周围，将激光束看为线热源，对其进行Rosenthal 热源模型研究，能显示焊接热变化类型、范围、对材料及各参数影响。

激光和材料相互作用时，两者能量转换为守恒定律，即材料入射激光能量=材料反射能量+被材料吸收能量+激光透过材料能量。不锈钢对激光吸收率较高，若激光功率越大，材料温度升温越高，材料吸收率也越大。材料表面的状态也会影响激光吸收，越粗糙，反射率越低，吸收率越大，且激光加热材料时，会出现氧化及污染，会加大材料吸光。而小孔产生是激光吸收的分界线，一旦汽化出现小孔，激光吸收率会突变，受等离子体和激光作用，不再与激光波长、材料特性、表面状态相关，小孔效应可增加材料吸光率。激光焊接时，材料的热导率、热扩散、等压比热熔也会随温度发生变化。金属受激光热量体积会发生变化，由固态变为液态，这份热量就是熔化热。且在焊接过程中液态还会转为气态，整个过程中的热物理参数变化较大，要利用Rosenthal 热源模型进行合理的计算，以控制焊缝成形。

三、激光深熔焊接304 不锈钢的参数控制

激光深熔焊接有较大的熔深热影响区，其焊接工艺参数对熔深有极大的影响，主要包括三个工艺参数：激光功率、焊接速度、离焦量[4]。

（一）激光功率

激光功率是没有考虑导光或聚焦影响的、由激光发射出的功率，对焊接的熔深有较大的影响。而光斑直径在不受其他条件影响下，焊接熔深会随激光功率增大而增加。

（二）焊接速度

在激光功率条件不变下，提高焊接的速度，会使热输入密度值降低，焊接熔深随之减小，所以，降低焊接速度可有效加大熔深。但若焊接速度过慢，会增加熔宽度，熔深反而不会增加。是因为激光深熔焊接过程中，金属蒸汽反压力是推动小孔的动力，当焊机速度过低，热输入量增加，金属熔化增多，其汽化反压力无法维持小孔存在，小孔无法加深，甚至消失，无法保证及增加熔深。且金属汽化的增加会使小孔温度提高，等离子体浓度升高，增加激光吸收率。所以，焊接速度的有效控制对熔深影响较大，应做好其控制，确保焊缝成形。

（三）离焦量

离焦量对焊接材料表面激光光斑的大小、光束射入方向都有较大的影响，进而影响熔深、熔宽、横截面。若离焦量较大时，熔深较小，出现传热焊接，当离焦量降低至某值，熔深呈跳跃性增加，小孔产生，但此时的熔深并不稳定，会随离焦量的微小变化产生较大变化。熔深最大焦点位是焊接材料的表面下某处，即负离焦量，一般为表面下-1.5-1.5mm 位置，其焊缝成形最好。

四、总结

通过综述可知，激光深熔焊中，熔池、等离子体、小孔等物理过程因素影响着焊缝成形及质量。所以，应加大计算机仿真技术的应用，采用Rosenthal 热源模型加大热源控制，并根据材料选择适宜的焊接方法、焊接工艺参数，以预防及减少焊接成形缺陷。