工艺参数对不锈钢焊接管焊缝形貌及尺寸的影响

首先固定电流（130A）、脉冲频率（50Hz）、脉宽（2.5ms）和焊接速度（700mm/min），改变离焦量进行焊接实验。将实验中所有不锈钢焊接管焊缝按照不同的表面形貌分为三大类：未焊透、烧穿和全焊透，焊接过程主要受到外来热量的大小以及热量作用时间的影响，热量较大且作用时间较长则不锈钢焊接管焊透，热量过小或作用时间较短则不锈钢焊接管未焊透，热量过大或作用时间过长则不锈钢焊接管烧穿。所得的焊缝类型及焊缝宽度如表3.1所示。

离焦量决定激光焊光斑直径，0离焦时，光斑直径最小，约为0.2mm，光斑上的功率密度很大，焊缝部分容易出现烧蚀缺陷，离焦量太大会使光斑直径变大，会大大降低光斑上的功率密度，从而使熔深减小，导致未焊透。实验发现在电流为130A、脉冲频率为50Hz、脉宽为2.5ms、焊接速度为700mm/min时，离焦量范围在-2mm~+1mm之间可以焊透。不同离焦量下所得到的焊缝形貌如图3.2所示。

在实践中，离焦量一般取-1~-2mm，也有人认为将有效焦点置于不锈钢焊接管厚度的1/3深度处能获得理想的焊缝[40]。离焦量的绝对值越大，熔深越浅，焊缝宽度越大，相同焊接条件下，负离焦比正离焦所获得的熔深要大一些。从焊缝的宏观形貌图中可以看出，电流为130A、脉冲频率为50Hz、脉宽为2.5ms、焊接速度为700mm/min时，离焦量在-2mm~+1mm之间可以焊透1mm的薄板不锈钢。但当离焦量为-2mm和+1mm时，焊缝咬边较为严重，焊道不整齐；而当离焦量为0mm时，焊缝背面飞溅较为严重。当离焦量为-1mm时，为全焊透状态且焊缝成形也较好，所以在后续试验中，离焦量取-1mm。

预定离焦量为-1mm后，研究其他工艺参数对焊缝形貌及尺寸的影响。由于焊接时，电流、脉冲频率、脉宽和焊接速度之间会相互影响，相同焊接功率下，有多组不同的参数组合，焊接质量也相差很远，所以，采用正交试验来分析不同的参数组合对焊缝形貌及尺寸的影响。根据四因素三水平的正交试验原理，对影响焊缝质量的其他焊接工艺参数：电流，脉冲频率，脉冲宽度，焊接速度进行搭配，具体参数如表3.3所示。

根据表3.3中工艺参数进行脉冲激光焊实验，用焊缝表面形貌和焊缝深宽比衡量焊缝成形质量，其结果如表3.4所示。通常合格的脉冲激光焊焊接接头焊点连续，焊点重叠率约50~70%，焊缝宽度均匀，无飞溅，表面呈均匀的鱼鳞状。依据焊缝外观成形，评定试验中各组焊接参数下的焊缝形貌。

表3.4为不同工艺参数下焊缝表面形貌。从焊缝的宏观形貌图可以看出，在提高脉冲频率后，除了4试验组和8试验组，其他焊缝都是连续的，表明其熔池是连续移动，焊道整齐；第7试验组焊缝正面有飞溅，其他焊缝正面均无飞溅；第1、4、5、7试验组焊缝背面也无飞溅。

单从焊缝表面成形考虑，第1试验组和第5试验组成形都比较好。为了更准确的衡量焊缝质量，采用GUOSUO电子显微镜对焊缝宽度和熔深进行了测量。

焊缝宽度和熔深的测量结果如表3.5所示。从表3.5中可以看出1试验组的熔深很浅，只有0.723mm，熔深过浅会影响其接头的可靠性，而5试验组的熔深达到了0.993mm，接近了1mm的板厚，1试验组在电子显微镜下的横截面图如图3.2所示。

熔深和焊缝宽度都会影响接头的强度，采用正交分析各工艺参数对焊缝熔深和焊缝宽度的影响，正交试验的结果如表3.6.

表3.6中K1、K2、K3分别代表四因素在第1、2、3水平下熔深的平均值，极差RK=max｛K1j,K2j,K3j｝-min｛K1j,K2j,K3j｝。极差R的大小反映了焊接中各因素对焊缝质量影响的大小，极差越大，说明该因素数值的变化对实验结果影响越大，是焊接过程中应该控制的重要因素。

从表3.6中，可以看出，RK和RS中，都是脉冲频率的最大，说明脉冲频率对焊缝宽度和熔深的影响最大，各工艺参数对熔深的效应曲线如图3.3~图3.6所示。

从图3.3中可以看出，熔深随着电流的增大而降低，当电流从120A增大至130A时，熔深的平均值从0.827mm降低到0.813mm，再增大电流，熔深的平均值的下降趋势更明显，当电流增加至140A时，熔深降低到0.765mm。从图3.4中可以看出，熔深随着脉冲频率的增加而明显增加，当脉冲频率为40Hz时，熔深为0.694mm，当脉冲频率增大至50Hz时，熔深增大到0.826mm，增大了0.132mm，再增大脉冲频率，熔深的增长趋势稍微变缓，当脉冲频率增大至60Hz时，熔深增大到了0.885mm，增大了0.059mm，可见，脉冲频率对熔深的影响较大。

从图3.5中可以看出，当脉宽从2.0ms增大至2.5ms时，熔深的增长值不明显，仅从0.736mm增大至0.782mm，但当脉宽从2.5ms增大至3.0ms时，脉宽急剧增加，迅速增大至0.888mm，增大了0.106mm。

从图3.6中可以看出，熔深会随着焊接速度的增大而降低，当焊接速度从620mm/min增大至720mm/min时，熔深从0.872mm降低至0.760mm，此后再增大焊接速度，熔深有增大的趋势，当焊接速度增大至840mm/min时，熔深增大至0.773mm。

从图中可以看出，焊缝宽度随着电流的增大会先增大后减小。当电流从120A增大至130A时，焊缝宽度从0.314mm增大至0.368mm，此后再增大电流，焊缝宽度反而减小，当电流增大至140A时，焊缝宽度降为0.326mm。

从图3.8中可以看出，焊缝宽度会随着脉冲频率的增大而增加，当脉冲频率从40Hz增大至50Hz时，焊缝宽度会从0.231mm增大至0.321mm，再增大脉冲频率至60Hz，焊缝宽度会增加至0.457mm。

从图3.9中可以看出，焊缝宽度会随着脉宽的增加而略微增大，当脉宽从2.0ms增大至2.5ms时，焊缝宽度从0.297mm增大至0.330mm，再增大脉宽至3.0ms，焊缝宽度增大至0.382mm，整体增长趋势都不是很明显。

从图3.10中可以看出，焊缝宽度会随着焊接速度的增加而降低，当焊接速度从600mm/min增大到720mm/min时，焊缝宽度会从0.408mm急剧降低至0.305mm，此后再增大焊接速度，焊缝宽度的降低值不明显了。

熔深和焊缝宽度对焊接接头强度都有一定的影响，其他条件相同的情况下，一般接头的强度会随着熔深的增大而增大，所以在判定接头可靠性时，以熔深为主，参考焊缝深宽比。在这九个试验组中，3、5、9试验组的熔深相对其他实验组的大很多，而第5、9试验组的深宽比相对3试验组较大。从焊缝宽度和熔深来考虑，第5、9试验组的焊缝质量要好。

再结合焊缝表面形貌考虑，第5试验组为最优试验组，其焊点重叠率较高，焊缝宽度连续一致，无飞溅，焊缝表面整齐美观，其焊缝表面成形性最好，用焊缝质量用数值100进行表征；而4组工艺试验时焊点重叠率低，焊缝边缘不整齐，飞溅严重，其焊缝表面成形性最差，用数值0进行表征；其它组工艺试验的焊缝表面形貌表征数值则介于0到100之间。正交试验结果如表3.7所示。

表3.6中K1、K2、K3分别代表四因素在第1、2、3水平下焊缝质量表征数值平均值，极差RK=max｛K1j,K2j,K3j｝-min｛K1j,K2j,K3j｝。极差R的大小反映了焊接中各因素对焊缝质量影响的大小，极差越大，说明该因素数值的变化对实验结果影响越大，是焊接过程中应该控制的重要因素。

比较表3.6中RK的数值，可以看出，在所有的工艺参数中脉冲频率对脉冲激光焊焊缝质量影响最大，其余依次是焊接速度、脉宽和电流。

根据正交实验结果，分析各工艺参数对焊缝质量表征数值直接的效应曲线，分析各工艺参数对焊缝质量的影响。

图3.11为电流与焊缝质量表征数值平均值的效应曲线图，从图中可以看出，在焊透的前提下，电流越小，焊缝质量表征数值平均值越大，当电流为120A时，焊缝质量表征数值的平均值可达到56.7，电流从120A增大到130A时，焊缝质量表征数值的平均值降到了53.3，此后若再增大电流，焊缝质量表征数值的平均值急剧降低，当电流增大到140A时，焊缝质量表征数值的平均值降到了46.7。脉冲激光焊焊接薄板不锈钢时，在焊透的前提下，采用小的电流容易获得成形较好的焊接接头。

图3.12为脉冲频率域焊缝质量表征数值平均数的效应曲线图，从图中可以看出，焊缝质量表征数值的平均值随着脉冲频率的增大而增大，当脉冲频率为40Hz时，焊缝质量表征数值的平均值仅为23.3，当脉冲频率增大到50Hz后，焊缝质量表征数值的平均值增至56.7，此后再增大脉冲频率，焊缝质量表征数值的平均值增长速度变缓，当脉冲频率增至60Hz时，焊缝质量表征数值的平均值才增大到76.7。脉冲激光焊焊接薄板不锈钢时，大的脉冲频率下更容易获得成形较好的焊接接头。

图3.13为脉宽与焊缝质量表征数值的平均值的效应曲线图，从图中可以看出，焊缝质量表征数值的平均值会随着脉宽的增大而增大，脉宽从2.0ms增大到2.5ms时，焊缝质量表征数值的平均值增长缓慢，仅从40.0增长到46.7，而当脉宽增大到3.0ms时，焊缝质量表征数值的平均值直接增长到了70.0，增长了将近1.5倍。脉冲激光焊焊接薄板不锈钢时，大的脉宽下更容易获得成形较好的焊接接头。

图3.14为焊接速度与焊缝质量表征数值的平均值的效应曲线图，从图中可以看出，焊缝质量表征数值的平均值随着焊接速度的增大而降低，当焊接速度为600mm/min时，焊缝质量表征数值的平均值可达到76.7，而当焊接速度增大到720mm/min时，焊缝质量表征数值的平均值陡降到46.7，此后再增大焊接速度，焊缝质量表征数值的平均值降低比较平缓，当焊接速度增大到840mm/min时，焊缝质量表征数值的平均值只降低到了33.3。脉冲激光焊焊接薄板不锈钢时，焊接速度需要匹配其他工艺参数，不宜过高。

综上所述，可以初步得出，脉冲激光焊接奥氏体不锈钢时，各工艺参数之间相互联系，相互制约，需要适宜的参数组合才能获得合格的焊接接头。通过试验发现脉冲激光焊接奥氏体不锈钢时，在各工艺参数中，脉冲频率对焊缝质量的影响最大，选取合适的脉冲频率尤为重要。