四川不锈钢无缝管报道：工艺参数对薄壁不锈钢管激光焊接成形性能的影响

四川不锈钢无缝管报道：薄壁不锈钢管激光焊接过程中易出现的焊穿、断弧、封闭曲线焊缝不均匀等问题，采用正交试验法，在不同的焊接速度、离焦量、激光功率曲线、保护气体条件下对厚度为1.2mm的薄壁不锈钢管进行激光叠焊试验；通过观察不同参数下得到的焊缝外观及对试件进行压力试验数据分析，研究了工艺参数对激光叠焊成形性能的影响。试验结果表明，焊接速度及功率曲线的设定是影响焊缝均匀性、焊穿的主要因素；保护气体的种类及流量是影响焊缝断弧的主要因素；离焦量对焊缝表面成形有影响，试验过程中发现在进行厚度为1.2mm薄壁不锈钢管激光叠焊时离焦量为+1ｍｍ时焊缝外观成形美观。

　激光焊接具有能量密度高、焊缝深宽比大、热影响区小、不接触工件，对工件无污染，易实现自动化等优点被认为是一种具发展前景的连接技术。激光焊接广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、食品容器叠焊板生产中。激光叠焊板具有焊缝强度高，焊缝成形美观，焊后无需后处理，节能环保等优点而广泛应用于啤酒、药品、牛奶、饮料等食品行业的发酵罐、冷却设备的制造。目前尚未有关薄板激光叠焊工艺的报道。本文通过正交试验法研究了焊接速度、离焦量、激光功率曲线、保护气对薄壁不锈钢管叠焊成形性能的影响进行了深入的分析。

一、试验方法

     试验在自行研制的激光叠焊装置进行焊接试验，试验材料为304不锈钢，其主要化学成分：碳≤0.12%，硅≤0.05%，锰≤0.50%，磷≤0.035%，硫≤0.035。激光焊接薄壁不锈钢管厚度选1.2ｍｍ。

二、试验结果及分析

1. 焊缝外观成形性能影响因素分析

  采用激光对薄壁不锈钢管焊接可获得焊缝成形平滑美观的焊缝成形。宏盛特钢针对焊接封闭曲线时不同焊接速度、离焦量、功率曲线、保护气方面研究激光叠焊工艺参数对焊缝外观形貌的影响。

2. 焊接速度对激光叠焊成形性能的影响

   在激光功率不变的情况下，焊接速度的大小直接决定了焊接线能量的大小。焊接线能量的大小直接影响了焊缝的成形性能。试验结果表明，随着焊接速度的提高薄壁不锈钢管焊缝成形稳定性变差。这是由于激光焊接过程中会产生大量的等离子体，高速焊接过程中激光焊接形成的等离子体稳定性变差，引起激光叠焊过程的不稳定，从而在薄板激光叠焊过程中出现断弧、焊穿、焊缝不均匀等现象。

3. 离焦量对激光叠焊成形性能的影响

    激光焦点至板材表面的距离称为离焦量。应用不同的离焦量对不同方式的激光焊接时所得到的焊缝宏观形貌会有较大的差异。试验结果表明，离焦量对激光叠焊的余高有明显影响。薄壁不锈钢管激光焊接时如果焊缝余高不足，会对焊缝的强度产生影响。激光叠焊时采用负离焦量时焊缝余高非常小甚至会产生凹陷，采用正离焦量焊接时焊缝表面过渡圆滑并有明显的余高。但并不是离焦量越大越好，离焦量过大激光能量密度降低，影响激光叠焊熔深。通常情况下在薄板激光叠焊时离焦量为＋1ｍｍ时焊缝成形美观并且有足够高的焊接强度。

4. 功率曲线对激光叠焊成形性能的影响

    功率曲线的设定对激光叠焊质量起着决定性的作用，特别是在焊接封闭曲线时，起弧和收弧的功率控制尤为关键。功率曲线设定不合理经常会出现未焊牢、重合部位过烧以及产生气孔等问题。在焊接非封闭焊缝时会出现弧坑过大问题，严重影响焊缝强度，而且弧坑的存在对焊接气孔的形成起了促进作用。功率曲线的设定可通过两种方式进行控制，一是使用激光器自带的功率控制器，二是利用控制系统对激光器输出的功率进行控制。两者的优缺点是利用激光器自带的功率控制器进行输出功率设定方便准确焊接效果好，但成本较高；采用控制系统对起弧和收弧功率进行控制时，激光器输出功率精度不高，在焊接封闭曲线时焊缝搭接处质量远逊于采用功率控制器进行焊接，但采用该方式激光器输出功率时间不受限制，而采用功率控制器时激光器输出功率时间会受到设定时间的限制，不适于长线性焊缝焊接。在本试验过程中，根据焊缝形式不同，应用了不同的功率控制方法，在焊接封闭曲线时采用功率控制器，而在焊接直线时采用控制系统通过模拟量设定的方式调整激光功率。两者都必须保证焊缝接头部分不出现过烧并且封闭处焊缝表面平整。

5. 保护气对激光叠焊成形性能的影响

   激光焊接过程中产生大量的等离子体，等离子体漂浮在工件的上方，对激光起到屏蔽作用，影响激光焊接过程的稳定性。大部分等离子体的产生是由于保护气受到激光的电离而生成。然而不同保护气体的电离能不同，因而研究保护气对激光焊接成形性能的影响具有至关重要的作用。经试验发现，单独使用氩气不仅影响焊接的稳定性，而且满足不了焊后对焊缝余高的要求，而单使用氦气又会增加生产成本。试验过程中采用同轴保护气方式对焊接区进行保护，气体采用氦、氩混合气体，同轴保护气喷嘴的内侧通道使用氦气主要保护焊接熔池；外层通道通氩气，主要排开焊接区周围空气。试验过程中设计采用不同比例、不同流量的保护气进行激光叠焊试验，试验发现当He气与Ar气的体积比在2.5∶1.0时，焊接熔深达到大值；氦气流量在12L/分钟时焊接过程稳定，而且熔深也达到大值。这是因为随着保护气体流量的增加，焊接区的等离子体减少，气体流量达到12L/分钟后等离子的减少不明显，导致焊接熔深无明显增加。

6. 焊缝力学性能分析

   采用优化后的工艺参数进行激光焊接试样的正、反面焊缝情况如图所示。薄壁不锈钢管激光焊接产品在应用时主要考察焊缝承受的拉力大小，由于焊缝形式为叠焊方式无法应用拉伸试验机对焊缝力学性能进行检测，为了验证焊缝力学性能，采用液压泵向激光叠焊试样板中加压的方式，以试验件时压力表上显示的数值为该试验件所能承受的大拉力。试验中采用优化后激光叠焊工艺参数激光叠焊焊缝承受30公斤的拉力后，试验开裂于焊缝热影响区。薄壁不锈钢管激光焊接工艺参数调整范围窄，工艺参数的微量变化都会对焊接质量产生严重的影响。通过合理的设置激光功率曲线，采用适当比例的保护气比例及焊接速度可显著降低激光叠焊板的焊接缺陷，生产出合格的薄壁不锈钢管。