316不锈钢管
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316不锈钢激光焊接工艺研究

来源:至德钢业 日期:2020-05-19 18:15:23 人气:189

采用脉冲光纤激光器对0.2mm厚的316不锈钢进行搭接焊接,研究了峰值功率及脉冲宽度对焊点拉力及背面痕迹的影响。结果表明,随着峰值功率和脉宽的增加,焊点抗拉强度增加,同时焊点背面痕迹越来越明显。当峰值功率为200W,脉冲宽度为2.5ms时,焊点拉力为11.3N,且焊点背面无痕迹。对焊点进行切片分析,焊点熔深在0.3mm时,满足焊点背面无痕迹且抗拉强度大的要求。

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

。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。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316不锈钢直接接触会导致产品变形,影响外观。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316不锈钢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1500W,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。

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316不锈钢夹紧。

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。

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13.4N,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。

2.2焊点外观分析

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0.30mm。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结论

(1)通过设计正交优化试验,在焊点背面无痕时,最大的焊点拉力为11.3N;即峰值功率为200W,脉冲宽度为2.5ms,为合适的焊接工艺参数,满足拉力以及外观形貌要求。

(2)结合工艺参数、焊接拉力以及试样正背面形貌进一步研究表明,在脉冲宽度不变的条件下,随着峰值功率的增加,焊点拉力增加。在峰值功率为200W时,随着脉冲宽度的增加,焊点背痕越来越明显。通过对焊点截面形貌进行分析,当焊点的熔深小于0.30mm时,焊点背面无痕。

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