浙江宏盛特鋼有限公司針對薄壁不銹鋼管激光焊接過程中易出現的焊穿、斷弧、封閉曲線焊縫不均勻等問題，采用正交試驗法，在不同的焊接速度、離焦量、激光功率曲線、保護氣體條件下對厚度為1.2mm的薄壁不銹鋼管進行激光疊焊試驗；通過觀察不同參數下得到的焊縫外觀及對試件進行壓力試驗數據分析，研究了工藝參數對激光疊焊成形性能的影響。試驗結果表明，焊接速度及功率曲線的設定是影響焊縫均勻性、焊穿的主要因素；保護氣體的種類及流量是影響焊縫斷弧的主要因素；離焦量對焊縫表面成形有一定的影響，試驗過程中發現在進行厚度為1.2mm薄壁不銹鋼管激光疊焊時離焦量為+1ｍｍ時焊縫外觀成形美觀。

　激光焊接具有能量密度高、焊縫深寬比大、熱影響區小、不接觸工件，對工件無污染，易實現自動化等優點被認為是一種極具發展前景的連接技術。激光焊接廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶、食品容器疊焊板生產中。激光疊焊板具有焊縫強度高，焊縫成形美觀，焊后無需后處理，節能環保等優點而廣泛應用于啤酒、藥品、牛奶、飲料等食品行業的發酵罐、冷卻設備的制造。目前尚未有關薄板激光疊焊工藝的報道。本文通過正交試驗法研究了焊接速度、離焦量、激光功率曲線、保護氣對薄壁不銹鋼管疊焊成形性能的影響進行了深入的分析。

一、試驗方法

     試驗在自行研制的激光疊焊裝置進行焊接試驗，試驗材料為304不銹鋼，其主要化學成分：碳≤0.12%，硅≤0.05%，錳≤0.50%，磷≤0.035%，硫≤0.035。激光焊接薄壁不銹鋼管厚度選1.2ｍｍ。

二、試驗結果及分析

1. 焊縫外觀成形性能影響因素分析

  采用激光對薄壁不銹鋼管焊接可獲得焊縫成形平滑美觀的焊縫成形。宏盛特鋼針對焊接封閉曲線時不同焊接速度、離焦量、功率曲線、保護氣方面研究激光疊焊工藝參數對焊縫外觀形貌的影響。

2. 焊接速度對激光疊焊成形性能的影響

   在激光功率不變的情況下，焊接速度的大小直接決定了焊接線能量的大小。焊接線能量的大小直接影響了焊縫的成形性能。試驗結果表明，隨著焊接速度的提高薄壁不銹鋼管焊縫成形穩定性變差。這是由于激光焊接過程中會產生大量的等離子體，高速焊接過程中激光焊接形成的等離子體穩定性變差，引起激光疊焊過程的不穩定，從而在薄板激光疊焊過程中出現斷弧、焊穿、焊縫不均勻等現象。

3. 離焦量對激光疊焊成形性能的影響

    激光焦點至板材表面的距離稱為離焦量。應用不同的離焦量對不同方式的激光焊接時所得到的焊縫宏觀形貌會有較大的差異。試驗結果表明，離焦量對激光疊焊的余高有明顯影響。薄壁不銹鋼管激光焊接時如果焊縫余高不足，會對焊縫的強度產生影響。激光疊焊時采用負離焦量時焊縫余高非常小甚至會產生凹陷，采用正離焦量焊接時焊縫表面過渡圓滑并有明顯的余高。但并不是離焦量越大越好，離焦量過大激光能量密度降低，影響激光疊焊熔深。通常情況下在薄板激光疊焊時離焦量為＋1ｍｍ時焊縫成形美觀并且有足夠高的焊接強度。

4. 功率曲線對激光疊焊成形性能的影響

    功率曲線的設定對激光疊焊質量起著決定性的作用，特別是在焊接封閉曲線時，起弧和收弧的功率控制尤為關鍵。功率曲線設定不合理經常會出現未焊牢、重合部位過燒以及產生氣孔等問題。在焊接非封閉焊縫時會出現弧坑過大問題，嚴重影響焊縫強度，而且弧坑的存在對焊接氣孔的形成起了促進作用。功率曲線的設定可通過兩種方式進行控制，一是使用激光器自帶的功率控制器，二是利用控制系統對激光器輸出的功率進行控制。兩者的優缺點是利用激光器自帶的功率控制器進行輸出功率設定方便準確焊接效果好，但成本較高；采用控制系統對起弧和收弧功率進行控制時，激光器輸出功率精度不高，在焊接封閉曲線時焊縫搭接處質量遠遜于采用功率控制器進行焊接，但采用該方式激光器輸出功率時間不受限制，而采用功率控制器時激光器輸出功率時間會受到設定時間的限制，不適于長線性焊縫焊接。在本試驗過程中，根據焊縫形式不同，應用了不同的功率控制方法，在焊接封閉曲線時采用功率控制器，而在焊接直線時采用控制系統通過模擬量設定的方式調整激光功率。兩者都必須保證焊縫接頭部分不出現過燒并且封閉處焊縫表面平整。

5. 保護氣對激光疊焊成形性能的影響

   激光焊接過程中產生大量的等離子體，等離子體漂浮在工件的上方，對激光起到屏蔽作用，影響激光焊接過程的穩定性。大部分等離子體的產生是由于保護氣受到激光的電離而生成。然而不同保護氣體的電離能不同，因而研究保護氣對激光焊接成形性能的影響具有至關重要的作用。經試驗發現，單獨使用氬氣不僅影響焊接的穩定性，而且滿足不了焊后對焊縫余高的要求，而單使用氦氣又會增加生產成本。試驗過程中采用同軸保護氣方式對焊接區進行保護，氣體采用氦、氬混合氣體，同軸保護氣噴嘴的內側通道使用氦氣主要保護焊接熔池；外層通道通氬氣，主要排開焊接區周圍空氣。試驗過程中設計采用不同比例、不同流量的保護氣進行激光疊焊試驗，試驗發現當He氣與Ar氣的體積比在2.5∶1.0時，焊接熔深達到最大值；氦氣流量在12L/分鐘時焊接過程最穩定，而且熔深也達到最大值。這是因為隨著保護氣體流量的增加，焊接區的等離子體減少，氣體流量達到12L/分鐘后等離子的減少不明顯，導致焊接熔深無明顯增加。

6. 焊縫力學性能分析

   采用優化后的工藝參數進行激光焊接試樣的正、反面焊縫情況如圖所示。薄壁不銹鋼管激光焊接產品在應用時主要考察焊縫承受的拉力大小，由于焊縫形式為疊焊方式無法應用拉伸試驗機對焊縫力學性能進行檢測，為了驗證焊縫力學性能，采用液壓泵向激光疊焊試樣板中加壓的方式，以試驗件爆裂時壓力表上顯示的數值為該試驗件所能承受的最大拉力。試驗中采用優化后激光疊焊工藝參數激光疊焊焊縫承受30公斤的拉力后，試驗開裂于焊縫熱影響區。薄壁不銹鋼管激光焊接工藝參數調整范圍窄，工藝參數的微量變化都會對焊接質量產生嚴重的影響。通過合理的設置激光功率曲線，采用適當比例的保護氣比例及焊接速度可顯著降低激光疊焊板的焊接缺陷，生產出合格的薄壁不銹鋼管。