0.1 mm不锈钢激光密封焊接工艺

GXF360 2019-10-27

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0 前言

不锈钢材料具有耐腐蚀性、力学强度高等优点，广泛应用于电子、五金等行业［1-4］，不锈钢材料作为电池的外壳使用越来越广泛。为了节约生产成本，一般将不锈钢板材通过焊接的方式组成密封的结构。随着电池封装工艺的发展，使用的不锈钢材料越来越薄，目前部分电子产品用的电池壳体厚度约0.1 mm，这对超薄材料的焊接提出了挑战［5-9］。

观察组患者接受右美托嘧啶麻醉，剂量为0.5 ug·kg-1，持续泵注10 min；对照组患者接受咪唑安定麻醉，剂量为0.05 mg·kg-1，之后给药静脉注射舒芬太尼（剂量为0.4 ug·kg-1）、丙泊酚（剂量为2 mg·kg-1）、维库溴铵（剂量为0.1 mg·kg-1），置气管导管后妥善连接麻醉剂，为患者机械通气，以丙泊酚（剂量为3～6 mg·kg-1·h-1）、顺式阿曲库胺（剂量为0.1～0.2 mg·kg-1·h-1）持续输注维持麻醉。

传统的焊接方式均不能有效解决薄板不锈钢材料（厚度为0.1 mm）的焊接问题，如传统的氢弧焊，热量输入大、变形严重；电阻焊过程中电极与材料接触，容易导致薄板材料变形而影响产品性能。新型的激光焊接热量输入少、焊接变形小适合精密焊接应用［10-14］，随着激光技术的发展，激光焊接工艺也在不断的发展。脉冲激光密封焊是通过焊点之间的重叠组成焊缝，焊缝呈现“鱼鳞纹”，这种焊接一般要重叠率高于70%以上才能达到密封的效果。连续激光密封焊是通过持续的激光作用形成连续的焊缝，达到密封的效果，采用这种焊接方式时，由于热量堆积多容易导致工件变形，无法满足薄板材料的密封焊接要求［15-16］。

文中采用70 W纳秒激光器对0.1 mm厚度的不锈钢进行密封焊接研究，满足材料密封性的要求，为实际工程应用提供有价值的参考。

1 试验设备及材料

1.1 试验设备

采用平均功率为70 W的纳秒激光器作为激光光源，激光脉冲宽度10～280 ns，频率为70～1 000 kHz，单点能量1 mJ，在高频率脉冲激光模式下，通过螺旋线的方式形成焊点，激光器外形如图1a所示，焊接轨迹如图1b所示。试验平台采用高速扫描振镜平台，最快扫描速度5 000 mm/s。

图1 激光器及焊接轨迹图

1.2 试验材料

产品材料为不锈钢（牌号304），厚度0.1 mm，采用搭接焊接方式，每个螺旋线组成的焊点直径0.3 mm，每个焊点的中心距离设置为0.2 mm，由多个焊点连接组成焊缝，焊接一个密闭的矩形（长和宽为20 mm），焊接完成后，在上层材料中间开一小孔，接入气管，测试密封性。

1.3 强度测试

将搭接焊接的产品切割开，留出长度为5 mm的焊缝，采用拉力机测试拉力，焊缝结合面积为长度乘以焊缝宽度，即5 mm×0.25 mm=0.75 mm2。用拉力值除以焊缝宽度得到焊接接头的抗拉强度。

2 试验过程及结果分析

2.1 正交试验及结果

2.1.1 正交试验因素

影响纳秒激光焊接效果的工艺参数有很多，根据前期大量预试验的结果，影响焊接接头效果的主要参数为激光平均功率、焊接速度及激光频率，对这三个参数进行正交试验（所取因素水平见表1），并分析其对焊接接头的影响。

表1 因素水平表

水平平均功率A/W焊接速度B/（mm·s-1）激光频率C/kHz 1 50 800 100 2 60 1 000 200 3 70 1 200 300

2.1.2 正交试验结果分析

伊朗是“一带一路”国家中优质能源投资目的国。挑战与机遇并存，目前西方公司纷纷撤离伊朗，这为中国企业提供了千载难逢的商业契机。在此过程中，中国政府应尽快出台有效的政策和法律，切实保护好中国企业在伊朗的合法权益。

对激光平均功率、焊接速度及激光频率三个参数进行正交优化试验，试验参数及抗拉强度测试结果如表2所示。对焊接强度数据进行极差R计算，R1，R2，R3分别表示激光平均功率、焊接速度、激光频率的第一、二、三因素强度和，结果表明影响焊接接头强度最主要的参数是激光功率，其次是焊接速度，最次为激光频率。

表2 优化试验结果

编号平均功率A/W焊接速度B/（mm·s-1）激光频率C/kHz抗拉强度R m /MPa 50 800 100 457 2 50 1 000 200 489 3 50 1 200 300 423 4 60 800 300 489 5 60 1 000 100 513 6 60 1 200 200 476 7 70 800 200 554 8 70 1 000 300 536 9 70 1 200 100 545 R1 1 369 1 500 1 515 R2 1 478 1 538 1 519 R3 1 635 1 444 1 448 R 1 266 93 71

2.2 焊缝切片测试

为进一步分析激光平均功率、焊接速度及激光频率对焊缝强度的影响，将试验样品做切片测试，沿着焊点中心附件切开，经过砂纸打磨，用腐蚀液进行腐蚀，观察焊点的熔深状态。图2a，2b，2c分别对应试验编号为1，2，3样品的切片图，从图中可以看出焊缝熔深较浅（小于0.2 mm），这可能是平均功率为50 W，激光功率对材料的穿透力不够，结果导致焊缝的抗拉强度整体偏低。图2d，2e，2f分别对应试验编号为4，5，6样品的切片图，从图中可以看出焊缝刚好为材料的厚度，即焊缝熔深为0.2 mm左右时，焊缝的强度相比前面样品有明显的增加，这可能是熔合面积的增加有利益增加焊缝的抗拉强度。图2g，2h，2i分别对应试验编号为7，8，9样品的切片图，从图中可以看出焊缝穿透了下层材料，焊缝熔深大于0.2 mm，焊缝抗拉强度都比较大，这可能是激光平均功率过大，导致激光穿透力进一步加强，增加了焊缝的横截面积，导致计算出来的抗拉强度增加。

图2 焊缝切片图

2.3 密封性测试

对焊后的产品进行密封性测试，连续测试10个产品。具体测试方法为，对焊缝围成的密封体内充入气体，将产品放入水中，当持续通入3个大气压的气体5 min后，产品在水中不漏气则证明气密性合格。试验编号为1，2，3的样品均漏气，失效模式为焊缝处裂开，这可能是焊缝熔深不够，焊缝强度较低，在3个大气压作用下，焊缝撕裂导致漏气。试验编号为4，5，6的样品均不漏气。试验编号为7，8，9的样品均漏气，漏气的位置均为下层材料的部分区域，这可能是下层材料部分焊点击穿，导致漏气。密封性测试结果表明，焊缝熔深为上下两层材料的厚度时，可以保证焊缝不漏气。

提高实验室检验人员的素养。在提升食品检验人员质量意识的同时，需要重点提高检验人员的专业素养，确保食品实验室的质量安全。食品实验室检验人员要进行自主学习，食品实验室也要积极开展培训活动，组织检验人员参与食品质量管理相关内容的培训，确保检验人员可以应用先进的技术和软件进行食品实验室的检测工作，切实提升食品实验室的质量管理水平。

2.4 焊点外观及盐雾测试

对编号为4～6的焊接样品进行盐雾试验，盐雾试验主要的条件参数为PH值为6.5～7.2，喷雾压力0.07～0.17 MPa，试验时间48 h，试验结果为，在有氮气作为保护气的情况下，焊缝外观没有发黄发黑的现象，如图3a所示，在盐雾试验后没有生锈，这是因为保护气有利于防止焊缝发生氧化，而有利于抗腐蚀性。在没有保护气的条件下，焊点外观有发黄发黑现象，如图3b所示，焊点表面氧化严重，在盐雾试验后容易生锈。

图3 焊缝外观图

3 结论

（1）通过优化焊接工艺参数，得到0.1 mm厚304不锈钢的密封焊接效果，密封性主要与焊缝熔深有关系，当熔深小于0.2 mm时，无法承受压力而导致焊缝撕裂，当熔深约为0.2 mm时，全部满足密封性要求，当熔深大于0.2 mm，由于有部分焊点击穿而无法满足密封性要求。

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（2）结合密封性及盐雾试验结果，激光平均功率60 W，焊接速度800～1 200m/s，激光频率100～300 kHz时，能满足密封性要求。在采用氮气作为保护气的情况下，能满足盐雾条件后不生锈的要求。

参考文献

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