激光焊接304不锈钢的研究现状

上世纪六十年代开始激光初步应用到焊接领域，直至今日激光焊接仍然是科研工作者的研究重点。奥氏体不锈钢以其优异的使用性能，越来越多的出现于激光焊接研究当中。非熔透型焊接使得选择激光焊接方式和预测焊接结果变得更为复杂，若要焊接进行成功，往往需要考虑多方面因素，国内外学者就奥氏体不锈钢非熔透型激光焊接相关试验进行了大量的研究。

（1） 非熔透型激光焊接研究现状

温鹏等采用不同光斑直径的光纤激光器对不等厚301L不锈钢进行搭接焊试验，分析了激光非熔透焊接工艺对焊缝成形质量、表面热影响痕迹、焊缝熔化形状和接头拉剪性能的影响。研究表明，焊缝熔深随激光功率增大和焊接速度减小而增大，激光功率变化对熔深的影响更加显著。结合面熔宽随激光功率上升而增大，而焊接速度对其影响较小。当激光功率超过2kW时，不同焊接速度下结合面熔宽基本保持不变。随着离焦量绝对值的增大，熔深明显减小，而结合面熔宽有一定增大。正离焦可以获得较小熔深和较大的结合面熔宽。离焦量绝对值较大时，高速焊时的驼峰倾向和飞溅现象得到有效抑制。激光功率大于2kW且聚焦光斑直径大于0.4mm时，在确保接头外观和力学性能要求的同时，能够获得较大的参数窗口。为了获得无热影响痕迹的焊接工件，应将熔深严格限制在一定范围内。拉伸断裂发生在两板结合面处，接头抗剪能力与结合面宽度线性相关。结合面熔宽大于薄板一侧厚度时，拉剪性能优于电阻焊。

朱国仁等对比了301L不锈钢激光焊接与电阻点焊接头性能的差异，其疲劳试验使用阶梯法和成组法。研究表明，相对于激光熔透焊和电阻点焊，301L不锈钢非熔透激光焊接接头具有更高的疲劳强度。在其他焊接参数一致的条件下增加下板厚度，能够提高非熔透激光焊接接头疲劳强度，但剪切拉伸强度将降低。通过加厚未焊透板，从熔透型激光焊工艺转换到非熔透型激光焊接工艺，熔深几乎不变的情况下，剪切拉伸强度和疲劳强度都得到增强。

林基安使用盘式固体激光器对301LN和304奥氏体不锈钢板进行焊接试验，焊接接头采用搭接的形式。研究了焊接工艺参数对焊缝成形、接头力学性能的影响，并将其与电阻点焊接头进行对比分析。其研究结果表明奥氏体不锈钢激光焊接焊缝组织主要为奥氏体和少量的铁素体，301LN焊缝的硬度高于304焊缝的。较其他焊接工艺，激光功率对焊缝成形的影响最为显著，随着激光功率的增加，焊缝熔深增加，而熔宽变化不明显；随着焊接速度增加，熔深和熔宽均减小；当离焦量绝对值增大时，焊缝熔宽增大而熔深减小，其中负离焦量可得到比正离焦量大的熔深。301LN的搭接激光焊缝表现出良好的机械性能。

李耿等研究了保护气参数对不锈钢激光焊接熔深的影响。结果发现气体类型对焊接熔深有显著影响，由于He电离能最高，作为保护气体时焊缝熔深最大，而Ar电离能最低则所得熔深最小；减小吹气角度、增大气体流量或增加保护气中He比例都会增加熔深；熔深随气体落点距激光光斑距离增大呈现先增大后减小的趋势，约±1.5mm左右时获得极大值，极大值较极小值增加约为50%。

刘佳等对301L不锈钢进行了Nd:YAG激光搭接焊，板厚组合0.8mm+1.5mm，通过优化焊接参数达到抑制焊缝背面凸起变形的效果，得到理想工艺参数范围为：激光功率3.50~3.79kW、焊接速度7.40~8.00m/min、激光入射角度65°、离焦量0mm、氮气保护及其流量为30L/min。使用倾斜激光焊接不仅有效的控制熔深，而且增大了熔宽从而保证接头的连接强度。并采用Design-ExpertV7软件建立了试验的输入因子与响应因子之间的数学表达式。

陈根余等使用光纤激光及CO 2脉冲激光对SUS304奥氏体不锈钢和SPCC冷轧碳钢薄板进行了非熔透搭接焊试验，分析了激光功率、焊接速率、离焦量、脉冲频率、占空比等主要工艺参量对焊缝成形及试件性能的影响规律。结果表明，脉冲激光能够有效降低热积累对非熔透焊接质量的影响，避免连续焊接中出现待焊接部分过热，而导致熔深不断加深的问题。与连续焊接相比较，脉冲激光非熔透焊接得到的熔深更深且均匀，而焊缝变窄。接头抗拉强度与板间焊缝连接宽度有关，导致其焊缝抗拉强度降低。脉冲频率越小，鳞片越稀疏，而脉冲频率越高，焊缝表面成形越接近连续激光焊接。当焊接速率提高时，焊缝及热影响区变窄，且焊缝表面成形改善，背面烧损程度减小。由负离焦向正离焦增大时，背面烧损现象也会逐渐减小。

谢模宇采用光纤激光器对0.6mmSUS304奥氏体不锈钢板进行激光搭接焊。研究了工艺参数对搭接头形貌及性能的影响。结果表明，激光功率的提高会使焊缝熔深和熔宽变大，焊缝晶粒尺寸变大，接头拉伸性能提高。当焊接速度和离焦量增大时，则反之。并探索了高速激光焊驼峰规律，发现激光功率对驼峰形成影响不显著，其随着焊接速度的提升而明显，反向吹保护气体比正向吹气的驼峰倾向小。研究认为驼峰现象发生潜在机理是金属液柱在表面张力作用下的破裂，当熔池长宽比小于临界值时，驼峰能够被抑制。抑制驼峰还可通过提高匙孔后方熔池的温度实现，防止熔池熔融金属冷却过快，其有利于液态金属的铺展。

Kuryntsev研究了预热处理对选择性激光熔化（SLM）不锈钢与冷轧（CR）不锈钢激光束焊接性能的影响。介绍了所得焊缝的金相研究和力学性能试验结果。结果表明，SLM工件的预热处理可提高焊接接头强度。激光焊接方式（深熔焊或和热导焊）对焊缝的显微组织和显微硬度有影响，热导焊接头显微硬度显著高于深熔焊接头的。激光烧结与激光焊接相结合有利于提高生产效率。

Shanmugam等运用Ansys仿真软件对激光焊进行了仿真分析，研究了焊接工艺参数对焊缝成形的影响。改变了激光点焊的输入参数，如光束功率、光束入射角和光束持续时间。在建立有限元模型的同时，考虑了AISI304不锈钢的温度依赖性热性能、熔接潜热的影响以及边界条件的对流和辐射。所建立模型的热输入假定为三维锥形高斯热源。利用有限元软件ANSYS中的参数化设计语言（APDL），对激光点焊过程进行了有限元模拟。通过数值分析得到了不同激光参数下焊峰的形状，并和实际试验结果相比较，其结果表明两者的吻合度较高。

（2） 激光焊接气孔缺陷抑制研究现状

激光焊接的热影响区小，焊接热应力比较小，工件焊后变形小。并且焊缝强度高、气密性好。根据实际使用要求，板式换热器焊接采用非熔透激光深熔焊时，容易导致焊缝中气孔的存在。针对抑制非熔透激光焊接气孔缺陷，国内外学者展开了大量的试验研究，其中主要围绕改变试验工艺，采用不同的原理和方法，主要包括控制热输入、脉冲调制、采用活性保护气体、施加侧吹气体、倾斜激光束等方式。

① 控制焊接参数

Norris等研究了焊接热输入对激光深熔焊气孔的影响，研究显示焊缝底部气孔的尺寸会随着激光焊接速度的增大而减小；在保持焊接速度不变的条件下，气孔尺寸及出现频率随着激光功率的增大而增大。随激光焊接热输入的增大，激光匙孔的直径和深度均有所增加。匙孔深度增加明显时，匙孔的深宽比变大，导致匙孔的稳定性变差，而产生的气孔数量增多。同时发现气孔的直径随匙孔直径的增加而增大，因此适当调节焊接参数可以减小气孔的尺寸。

②脉冲调制

脉冲激光焊接是一种有效抑制气孔产生的方法。Tsukamoto等研究激光焊接深熔焊过程中气孔产生机理，并研究脉冲频率及波形对气孔的影响。结果表明气孔是圆柱形匙孔不稳定造成的，当激光频率与熔池振荡的特征频率一致时气孔率降低。并且适当的改变波形可以提高抑制效果。如图1.6所示，使用矩形脉冲激光时，焊缝气孔率在频率16Hz时最低，认为此时激光脉冲频率与熔池振荡特征频率一致，液态金属在较低激光功率时进入匙孔。当两者失配时，液态金属可能在功率峰值期间进入匙孔，产生剧烈的金属蒸汽导致匙孔稳定性降低。研究结果还表明，将方波脉冲激光改为三角波脉冲时，更加显著地降低了气孔率。Matsunawa等展开气孔产生机理研究，并探索了脉冲激光对匙孔稳定性影响，发现当脉冲激光占空比在70%时，能够很好的维持匙孔的稳定，达到消除气孔的目的。Kuo等研究了脉冲激光功率峰值与基值间的差值对气孔率的影响。结果发现激光平均功率不变时，随脉冲峰值与基值差值的增大，焊缝熔宽增大，同时焊接气孔得到减少。研究认为脉冲激光搅拌熔池有利于气泡上浮，从而降低气孔数量；而相同参数的脉冲激光对于流动性不同的金属会产生不同焊接效果。

张晓红等采用脉冲CO 2激光焊接中碳调质钢，研究发现在保证激光峰值功率和焊接速度不变，脉冲频率在50Hz~200Hz范围时，焊缝气孔率显著降低，而当脉冲频率太高时，焊缝表面成形质量下降。另一方面，采用较大的占空比有利于提高气孔的抑制效果。赵琳等利用斩波盘调制出激光脉冲并进行低碳钢激光焊接，结果发现与熔池流动频率相一致的脉冲激光能够促进熔池内的涌动，促进小孔稳定，减少气泡的产生，从而达到抑制气孔的效果。若脉冲调制频率和熔池流动频率相差较大，反而会产生较多的气孔。李庆进行1mm的SUS304不锈钢脉冲激光焊接研究，结果表明当脉冲频率较低时，易形成圆锥形气孔；调整工艺参数组合，能有效的避免小气孔的产生；适当提高脉冲频率、脉宽和焊接速度，并降低电流，可有效减少各种焊接缺陷的产生。脉冲频率对不锈钢薄板焊接质量影响最大，其余工艺参数依次是电流、脉宽和焊接速度。当脉冲频率为45Hz时，改变脉冲宽度、电流和焊接速度，所得焊缝均无工艺气孔，脉冲频率变大或变小，焊缝气孔均不能完全消失。

③倾斜激光束

陈高等采用CO 2激光器对低碳钢进行焊接，研究了非熔透型深熔焊接激光束倾角对气孔形成规律的影响，试验示意图如图1.7所示。结果表明，气孔数量随着激光束倾角的增加呈现先增后减的趋势。这是由于激光束倾角较小时，匙孔前壁局部金属蒸发剧烈，匙孔后壁受到反冲力而产生相对大的凹陷，保护气体被卷入熔融金属的几率增大，同时匙孔末端会有少部分熔融金属扎到前壁，匙孔不稳定性增大。当激光束倾角增大至15°时，得到的焊缝熔深最大，此时匙孔直径随着深度的增加而减小，其稳定性越差，熔池扰动使得匙孔尖端发生坍塌，形成气泡残留在焊缝中形成气孔的可能性增大。随着激光束倾角继续增加，工件表面的光斑尺寸增大，匙孔的孔径也有所增加，而功率密度变小，熔深变浅，匙孔变得更加稳定，不易产生大气孔且有利于小气泡的排出，并且熔池与竖直方向呈一定角度，由于气泡上浮基本沿着竖直方向，气泡更容易逸出。

④保护气体流量及类型

在激光深熔焊接过程中采用不同的保护气体，焊缝中气孔的数量也会有所差异。张旭东等对比了在CO 2和Ar保护气体氛围下，低碳钢激光深熔焊的气孔产生情况。研究发现，当保护气体为CO 2时激光焊接气孔显著减少，而此时焊缝含氧量较Ar气保护时高，但由于焊缝中C，Mn，Si等元素的含量减少，降低了焊缝的淬硬倾向，焊缝的冲击韧性得到提升，焊缝硬度随之降低。Tsungyuan等在激光焊接过程中采用不同的保护气体，研究焊接气孔产生情况，试验使用的保护气体包括N 2、Ar和He。结果表明，Ar气保护时焊缝气孔率最高，而N 2作为保护气时焊缝气孔率最低，此时气孔被有效抑制。当He气保护时，保护气体流量对气孔率的影响显著。但在较高密度的Ar和N 2气体下，气孔率对保护气体流速不敏感。

雷华东等采用45°喷嘴侧吹惰性保护气体的方法进行激光焊接，研究结果表明在合适的压力和稳定的气流情况下，不仅能有效吹除熔池上方的等离子体，很好地保护熔池正面成形，而且能减少空气卷入熔池形成气泡，从而有效避免气孔的产生。研究还发现采用带背面止口的接头可防止气孔产生。Katayama等在激光焊接中采用特制的Tornado喷嘴，在熔池上部施加侧向吹气，能够在匙孔上方和内部形成负压，使保护气体难以进入匙孔内部，从而避免产生气孔。Kamimuki等研究发现在熔池上方施加侧吹气体，形成压缩熔池表面的效果使得熔池变宽，同时提高了匙孔的稳定性，从而有效减少气孔的产生，其原理图如图1.8所示。

⑤光束摆动激光焊接

赵琳等提出光束摆动激光焊接工艺以减小气孔倾向。研究认为光束摆动能够延长熔池液态停留时间，同时对熔池产生的搅拌作用利于气泡上浮。结果表明随着摆动频率的增加，气孔率急剧下降，当摆动幅度为0.5mm时，气孔可被消除。此外，当激光摆动的频率和幅度越大时，对熔池的搅拌效果越明显，有利于气泡的逸出，焊缝中的气孔越少。

综上所述，奥氏体不锈钢非熔透激光焊接质量主要受激光功率、焊接速度、离焦量及保护气体流量等焊接工艺参数的影响。在焊接过程中常见问题包括：表面氧化、飞溅、焊接变形、力学性能低等问题。此外，满足使用要求需要对熔深进行严格的限制，控制热输入使得工件下表面处于未熔透的状态，这种独特的焊接形式易导致气孔缺陷的大量产生，使得探寻气孔抑制措施也成为本论文的研究重点。

本论文研究目的及主要研究内容

本论文的主要研究内容是通过工艺研究，获得2mm的304奥氏体不锈钢非熔透激光叠焊的理想工艺参数，并寻求非熔透激光焊接气孔抑制方法，为获得综合性能优异的焊接接头提供基本依据。本论文的主要研究内容包括：

（1）分别在不同焊接速度、激光功率、离焦量、保护气体流量等参数条件下，进行304奥氏体不锈钢非熔透激光叠焊，研究工艺参数对焊缝成形和焊接接头力学性能的影响规律，并优化出理想的工艺参数条件。同时，通过对理想工艺参数条件下所获得的焊接接头进行焊缝微观组织、拉伸断口及气孔形貌分析，研究了焊接气孔的产生原因及抑制措施。

（2）在优化焊接工艺参数的基础上，改变倾斜角、板间间隙量、脉冲频率及辅助超声功率等特殊工艺参数进行焊接试验。通过对焊缝形貌、拉伸性能、微观组织和气孔率的检测与分析，获得特殊工艺参数对焊缝接头质量的影响规律，为获得综合性能优异的焊接接头提供理论指导。