316不锈钢激光焊接工艺研究

GXF360 2019-10-28

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0 前言

316不锈钢是添加了Mo元素的不锈钢，耐腐蚀性及耐高温性能相比304不锈钢均有很大提高，且316不锈钢具有良好的焊接性。作为功能器件的结构件，为了节约生产加工成本，一般将不锈钢结构通过焊接方式连接起来使用［1－4］。不锈钢结构件已经在生物制药、医疗器械、微电子、精密仪器制造等领域得到了广泛应用［5－7］。由于材料太薄，采用传统的焊接方式进行焊接时难度很大，如电阻焊方法，由于电极与工件直接接触会导致产品变形，影响外观［8］。钨极氩弧焊热量输入大，容易将薄板不锈钢焊穿，影响产品的使用和外形的美观。

脉冲激光焊由于具有功率密度高、热影响范围小、与工件非接触以及效率高等优势，非常适用于薄板不锈钢的精密焊接。激光焊接不锈钢的研究重点主要集中在中厚板（0.5mm以上）不锈钢焊接领域，孟云飞等人采用激光填丝焊，对厚度为3mm的304不锈钢做了工艺研究，陶汪等人研究了激光功率、焊接持续时间、离焦量和间隙对焊点形态及尺寸的影响规律。目前对于316不锈钢薄板（厚度小于0.3mm）的激光焊接研究较少，特别是对于某些不锈钢材料作为产品的外观件，不允许焊接背面的材料有击穿、发黑的要求，焊接难度大，很有必要对316不锈钢薄板激光焊接工艺进行系统研究，满足焊接强度及外观的要求。

文中采用脉冲光纤激光器对316不锈钢进行激光焊接工艺优化试验，得到焊点拉力最强以及焊点背面无背痕的效果，为实际生产提供工艺方法试验指导。

1 试验设备及材料

1.1 试验设备

试验采用IPG公司研发的准连续光纤激光器（简称QCW激光器），峰值功率1 500W，脉冲宽度在0.2～50ms之间可调。相比传统的Nd：YAG激光器，QCW激光器无需泵浦的氙灯及YAG棒等耗材，免去了设备的后续维护成本。同时QCW激光器产生的光束能量稳定，非常适合薄板材料的精密焊接，激光器外形如图1所示。

图1 激光器外观图

1.2 试验材料

试验使用的材料为316不锈钢，厚度为0.2mm，长宽尺寸为100mm×30mm，材料化学成分见表1。采用搭接方式进行点焊，焊接前清理不锈钢表面，去除油污和氧化膜，采用工装夹具将待焊工件夹紧。

当时九江已被辟为英租界，正在大兴土木，李广记营造厂专给外国人做房子。祖父精明灵活，又见过大世面，做出来的活质量过硬，价格实惠，很快李广记声誉鹊起，订单不断，九江成了祖父发迹的福地。那时九江上游的汉口、下游的芜湖都有外国租界，祖父的生意顺风顺水扩展到了那里。十九世纪八九十年代，李德立在庐山成立牯岭公司，开发别墅，李广记营造厂也上了庐山，建了不少庐山别墅。现在的柏树路5号，就是李广记营造厂建的，在罗时叙先生编写的《庐山别墅大观》里有记载。

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表1 316不锈钢的化学成分（质量分数，%）

收稿日期：2017－07－18

Fe 16.0～18.5 10.0～14.0 ＜1.0 ＜0.08 ＜2.0 ＜0.035 ＜0.03 2.00～3.00 Cr Ni Si C Mn P S Mo余量

2 试验过程及结果分析

2.1 正交试验结果与分析

经过前期大量的试验验证，影响焊点背痕及拉力的工艺参数有激光峰值功率、脉冲宽度（简称脉宽）及离焦量，其中最主要的参数为激光峰值功率以及脉冲宽度。在前期的预试验可行的基础上，离焦量＋1mm时得到的焊点光斑均匀一致，保持离焦量不变，对激光峰值功率及脉宽的参数进行设计，所取因素水平见表2。

表2 因素水平表

序号激光功率P／W 脉冲宽度W／ms 1 180 2.0 2 200 2.5 3 220 3.0

采用拉力机（品牌：振天，型号：NK－500，量程0～500N）对焊点进行拉力测试，峰值功率与脉宽对焊点拉力及外观的影响结果见表3。由正交试验结果得知，在峰值不变的情况下，当峰值功率为200W时，随着脉宽的增加（从2ms增加到3ms），焊点拉力逐渐增加，分别为10.9N，11.3N和11.8N，这是因为脉宽的增加有利于形成更宽的熔池，使得上下两层材料之间的熔合面积增加，增加焊点的强度。同理，保持脉宽不变，当脉宽为2.5ms时，峰值功率为180W，200W和220W 时，焊点拉力分别为9.2N，11.3N 以及13.4 N，说明随着峰值功率的增加，焊点拉力增加，这是因为随着峰值功率的增加，可以有效增加焊点熔深，增大焊点强度。

表3 正交试验结果及分析

编号峰值功率P／W脉冲宽度W／ms焊点拉力F／N 1 180 2.0 7.3 2 180 2.5 9.2 3 180 3.0 10.2 4 200 2.0 10.9 5 200 2.5 11.3 6 200 3.0 11.8 7 220 2.0 12.6 8 220 2.5 13.4 9 220 3.0 15.6

2.2 焊点外观分析

图2 焊点外观

图2为试验编号为4，5，6的焊点外观图，以图2a～2c为例，其分别为试验编号4，5，6的试样正面的焊点外观图，即保持峰值功率200W不变，脉宽分别为2.0ms，2.5ms，3.0ms，焊点直径分别为0.29mm，0.34mm，0.38mm，随着脉冲宽度的增加，焊点直径也随着增加。以图2d～2f为例，其分别为试验编号4，5，6的试样背面焊点外观图，随着脉宽的增加，焊点背面由无痕迹变为有痕，说明在其他参数不变的情况下，脉冲宽度对焊点直径及焊点背痕起到重要作用，这可能是因为脉冲宽度越大，单个脉冲持续的时间长，在焊接形成熔池的过程中，熔池向周围及向下扩大，导致焊点直径增加，同时焊点熔深加大且对焊点背面的热影响加大，导致出现背痕。综合焊点强度大及焊点背面无背痕的要求，试验编号5为最佳结果，即合适的工艺参数为激光峰值功率200W，脉宽2.5ms，此时最大焊点拉力为11.3N。

2.3 焊点截面分析

采用线切割沿着焊点边缘切开，将切割的样品镶嵌，然后进行打磨、抛光及化学腐蚀。采用金相显微镜对焊点截面进行观察分析，结果如图3所示。其中图3a～3i分别对应试验编号为1～9的焊点截面，由图3a～3e可知，焊点的熔深从0.25mm逐渐增加到0.30 mm。图3f～3i分别对应试验编号6～9的焊点截面，焊点的熔深从0.33mm逐渐增加到0.40mm，结合正交试验结果可知，随着焊点熔深的增加，焊点拉力增加。同时焊点背面由无痕到有痕，试验编号1～5对应的焊点熔深低于0.3mm，焊点背面无痕。试验编号6～9对应的焊点熔深为0.33～0.40mm，焊点背面有痕，这是因为焊点背面受到热作用，出现痕迹。

（3）发展规模要适中。对于干果经济林来说，应该重视以市场为导向，不能盲目扩大规模，要集中资金，大力发展优势品种，从而促使其实现经济效益[12]。