不锈钢的激光焊接

!"#
$%! 气体保护半自动焊技术的完善
目前我国国内倒装拱顶储罐壁板焊接工艺只
野外作业和压力容器的焊接时， 需要采取以下措施：
限于手工电弧焊， !"# 气体保护半自动焊的应用将 断续的焊接过程变为连续的生产方式， 从而减少接 头数目， 提高了焊缝质量， 也提高了生产效率， 节约 了能源， 同时 !"# 气体保护半自动焊的工艺性能优 良， 电弧稳定， 熔滴过渡平稳， 成形美观。本次 !"# 气体保护半自动焊工艺的应用所取得的效果就是 最好的证明。 需 !"# 气体保护焊焊接设备还存在许多的问题， 要不断地改进， 焊接材料也需要不断地规范统一， 人 们的认识和焊工的培训在短时间内也不能完全解 决。!"# 气体保护焊现在在室内焊接中应用较多， 在
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是冷却速度快， 凝固过程通常在几 十个毫秒内完成， 易产生非平衡显微组织$%&。 两种激 光焊接接头的热影响区都很窄。 焊缝中晶粒的结晶 方向是垂直于熔合线而指向焊缝中心的。 但当遇到 孔洞等缺陷时， 其结晶方向发生改变， 孔洞周围晶 粒的结晶方向是垂直于孔洞壁。 由于激光焊接熔池 比较小， 而且冷却速度快， 在冷却过程中熔池内部 几乎是同时冷却的，在焊缝的中部容易出现等轴 晶。 在熔合线附近， 刚开始时结晶速度极快， 后结晶 速度减慢， 出现树枝晶组织。 其焊 ’!(’)*+,-+ 不锈钢的母材为奥氏体组织， 缝组织为奥氏体 . 少量的 ! 铁素体组织。 ! 铁素 体在奥氏体不锈钢中可以明显地改善其耐晶间腐 这类钢一般 !( 高 *+ 低， 从 蚀的能力 $/&。其原因是： 而降低了 ! 的活度系数； 铁素体的存在增加了晶界 和晶界面积， 因而降低了单位面积上碳化物的沉淀 量； 铁素体中的含 !( 量大大高于奥氏体中的含 !( 量， 虽然沉淀物在晶界夺走了一部分 !( ， 但还不足 以变成贫 !( 区而被优先侵蚀。另外， !( 在铁素体 中的扩散速度比在奥氏体内快些， 所以不易引起贫 !( 区；而存在铁素体小块时可以减少在奥氏体晶 界形成连续的晶界沉淀物。 深熔激光焊接过程中， 一般存在 # 种类型的孔 洞。 第一种是因周围气体而形成的孔洞， 如氢气孔， 这是由于在深熔激光焊接过程中熔池的温度比其 他焊接方式高得多， 大大增加了氢在熔池中的溶解 度， 而激光焊接的熔池快速凝固往往使得氢来不及 析出， 从而形成气孔； 通常使用的保护气体如 0( 等 也有可能因熔池熔融金属的快速流动进入熔池， 若 来不及析出而残留于熔池中则形成气孔。 另一种是
要从事激光焊接研究工作。
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表 < 是两种激光焊接时的焊缝熔深和熔宽值。 激光焊接焊缝的熔深和熔宽大小受焊接工艺参数 焊接速度 " 和离焦量 ! # ( 的影响。 ’ 如激光功率 !、 实际焊缝形状如图 ) 所示。
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生产与应用
电焊机
第 !" 卷
表!
两种激光焊接时的焊缝熔深和熔宽值
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试样编号
量为 0"12 !! 时， 焊缝的深宽比最高； 对于 345 激 光焊接时， 当离焦量为 6" !! 时， 焊缝的深宽比最 高。 影响焊缝形状的另一重要因素就是光致等离 子体的作用。激光作用于金属材料表面时， 材料表 面在极短的时间内被加热、 升温、 熔化并发生剧烈 的汽化， 形成熔池。在熔池表面材料蒸汽中有一定 的自由电子， 处在激光辐射区的自由电子通过反韧 致辐射吸收激光能量而被加速， 直至有足够的能量 来碰撞电离材料蒸汽和周围气体， 电子密度从而雪 崩式地增长， 使温度迅速升高， 金属蒸汽在极短的 时间内被击穿而形成金属蒸汽等离子体。 光致等离 子体不仅改变了辐照到工件表面的激光能量， 而且 扩大了激光能量在工件上的作用区。#/, 激光焊接 时， 由于等离子体的作用， 焊缝顶部的熔宽明显加 宽， 形成“酒杯”状的焊缝， 如图 "7 所示。 345 激 光焊接时， 很少受到光致等离子体的影响， 所以对 于相同的工艺参数， 345 激光焊的焊缝宽度比 #/,
金属
深熔激光焊的机制与电子束焊相似， 其能量传 递与转换是通过“小孔”完成的。当激光束能量足 够高， 引起被焊金属材料蒸发时， 小孔即可形成。 金 属蒸汽产生的压力促使熔融金属沿着孔壁向上移 动。小孔作为一个黑体， 帮助激光束吸收和传热至 材料深部。在激光束作用下， 孔壁材料连续蒸发充 满小孔。 由这些局部封闭的蒸汽所产生的高压把邻 近的熔化金属推向四周， 以使激光束通过这个低密 度的蒸汽孔深入材料内部。 小孔周围液体的流动和 表面张力倾向于使小孔弥合， 而孔壁材料连续产生 的蒸汽则极力维持小孔， 于是小孔产生的蒸汽压力 与它周围熔化金属的液体静压力达到平衡*"+,-。 随着 激光束或工件的移动， 熔融金属在稳态小孔后以行 进光束或工件确定的速度向前运动， 随之凝固形成 焊缝金属。由于小孔的存在， 使激光束能量深入到 材料内部而形成较大的焊缝深宽比。 由表 . 的数据 ： ： 可知， 其深宽比在 " " 和 , " 之间。 影响焊缝形状的主要因素有激光功率 !、 焊接 速度 " 和离焦量 ! #。当激光功率 ! 和离焦量 ! # 一定时， 随着焊接速度 " 的增加， 焊接熔池的熔深 减小； 当焊接速度 " 和离焦量 ! # 一定时， 随着激 光功率 ! 的增加， 焊接熔池的熔 深 亦 增 加 $ 当 激 光 功率 ! 和焊接速度 " 一定时， 离焦量 ! # 对焊缝形 状的影响比较复杂，取决于功率密度并与之相匹 对于 #/, 激光焊接， 当离焦 配。 从表 . 的数据可知，
深熔激光焊接技术在工业生产中的应用日益 广泛。在深熔激光焊接技术中， 目前主要采用的是
试样编号 激光功率
表!
) #17
!"# 激光焊接工艺参数
# #17 < #18 0 #18 8 #18 = #18 > #18 + #18
!"# 气体激光器和 $%& 固体激光器。在此用 !"#
激光器和 $%& 激光器焊接不锈钢钢板，讨论工艺 参 数’如 激 光 功 率 、 焊接速度、 离 焦 量 等(对 焊 缝 形 状、 组织的影响， 分析比较这两种激光器焊接不锈 钢时的特点。
比较了高功率 !"# 激光和 $%& 激光焊接不锈钢时的特点， 分析了工艺参数对焊缝形状和 摘要： 接头显微组织的影响。
关键词： !"# 激光焊B$%& 激光焊B不锈钢 中图分类号： /&08>1)) 文献标识码： C 文章编号： )77)A#<7<’#77#(7=A77#<A7<
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焊接速度 ・ " ?2 2-@A) 离焦量
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试验材wk.baidu.com及条件
试 验 用 材 料 为 )!*)+,-./- 奥 氏 体 不 锈 钢 ， 板
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厚为 01. 22。 试 验 设 备 为 3"45, 6!7#8 型 #18 9: !"# 气 体激光器和 ;:#77 型 # 9: $%& 激光器。在试样 上直接熔焊， 用 %* 气保护。 焊接工艺参数如表 ) 和 表 # 所示。
第
($ 卷 第 ? 期 $))$ 年 ? 月
电焊机
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不锈钢的激光焊接
胡 强 !"#熊建钢 !"#王力群 !"#李志远 !"#胡乾午 !"#段爱琴 $
湖北 武汉 ’())*’； %!&华中科技大学， $&高能束流加工技术重点实验室"#北京 !)))$’+
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几种常用材料对 345 激光和 #/, 激光的吸收率
吸收率
345 激光 =#B"19< "!> @A
碳钢 不锈钢
#/, 激光 =#B"91< "!> 919. 919. 919(
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焊缝组织的微观分析
激光焊接的一个重要特点就
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生产与应用
电焊机
第 !" 卷
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试样编号 激光功率
$%& 激光焊接工艺参数
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试验结果及讨论
接头的宏观分析
收稿日期： $))$A)(A$* 基金项目： 高能束流加工技术重点实验室基金资助项目 %)):;<)&!&!&:=)<)’+ 作者简介： 胡 强 %!>*? A( " 男 ， 湖北安路人， 在读硕士， 主
&" 大力开发和改进 !"# 气体保护焊焊接设备； ’" 搞好 !"# 焊机配件及辅助机具的生产管理
和标准化工作；
(" 加强 !"# 焊接技术和焊机维修及培训工作； )" 更新人们对 !"# 焊接技术的认识。
*
结论
在焊接生产中， 如何确保焊接质量、 提高生产率
和降低成本一直是迫切需要解决的问题。!"# 气体保 护焊焊接技术相对于传统的手工焊和现有的可操作 焊接技术无疑有着明显的优势。可以预测， !"# 焊接 技术将在石油化工等焊接领域具有较好的应用前景。
DE F-G@H)I J5",& K-G@,HG@H)I :%,& L-,MN@)I L5 OP-,QNG@)， DE F-G@,RN)， 6E%, %-,M-@# ’)1DNGSPT@H E@-UV*W-XQ TY Z[-V@[V \ /V[P@T]THQI:NPG@ 0<77>0I !P-@GB #1D-HP ^@V*HQ CVG2 _*T[VWW-@H ‘VQ,LGaT*, GXT*QI CV-b-@H )777#0I!P-@G( -./01230： /PV RV]c WPGdV G@c 2-[*TWX*N[XN*V TY XPV P-HP dTRV* !"# ]GWV* RV]c-@H G@c XPV P-HP dTRV* $%& ]GWV* RV]c-@H WXG-@]VWW WXVV]
激光焊
#/,
熔深 熔宽 熔深 熔宽
激光焊
345
图 " "#$"%&’()’ 不锈钢激光焊接焊缝形状
激光焊的窄， 如图 "8 所示。 用 345 激光进行焊接，获得的焊缝熔深要比 #/, 激 光 焊 接 时 大 "9: ;.9: ， 宽 度 值 小 "9: ; 用 #/, 激光器， ,9:。当焊接速度和离焦量相同时， 即使激光功率较高，得到的熔深值也比用 345 激 光焊接时小 ,2: ，熔宽值则大 .9: 左右。这是由 345 激光和 #/, 激光的特点决定的。 345 激光波 长 为 "19<" !， 比 #/, 激 光 的 波 长 ="91<" !> 短 一 个 数量级， 与金属的耦合效率高， 表 ? 是几种常见材 料对两种激光的吸收率。 由表可见， 金属对 345 激 光的吸收率比对 #/, 激光的吸收率高得多。因此， 对于相同的激光功率和焊接速度，采用 345 激光 进行焊接可以获得较大的熔深， 而两种激光的焊接 质量基本相同。对于相同的激光功率和熔深， 345 激光的焊接速度比 #/, 激光要快近 29: 。另外， 用 345 激光焊接时，焊接过程中基本没有光致等离 子体的影响， 这样对等离子体的控制就没有用 #/, 激光焊接时那样严格。 表"