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摘要：目前大部分传感器产品都运用了激光焊的连接方式。然而目前工艺对激光焊设备的参数与焊缝形貌未进行系统性摸索，激光焊接的质量事故时有发生。故本课题针对不锈钢板脉冲激光焊进行研究，试验得出焊点的六种形貌，找出其中适合焊接的3种形貌，并分析出功率、脉宽、离焦量等参数与焊缝形貌的影响规律，同时通过试验得出大功率时最小离焦量的计算公式，以及各焊点形貌重叠率的推荐值。

关键词：脉冲激光焊；不锈钢；离焦；重叠率

引言

不锈钢由于其良好的高温抗氧化性、热稳定性、易加工成形和优良的抗腐蚀性[1]，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域。在航空领域，尤其是航空发动机零部件的制造中，常常需要焊接成型[2，3]。

激光焊是通过聚焦高能量的激光束，在移动过程中照射到被连接部位的表面进行高效焊接的方法。激光焊具有高能密度、深穿透、高精度、适应性强等优点[4]，特别适用于薄板的焊接[5-8]。因此受到各国家的重视，这种焊接方法在航空航天、电子、汽车制造、核动力等高新技术领域中得到了广泛应用。

大部分传感器产品均选用不锈钢材料，且都运用了激光焊的连接方式。然而目前工艺对激光焊设备的参数与熔深规律未进行系统性摸索，激光焊接的质量事故时有发生，故本课题研究不锈钢板在不同激光焊工艺参数下，焊缝熔深熔宽的变化规律，对后期工艺参数的确定，对提高传感器产品激光焊质量，具有指导性的意义。

1研究背景与目标

1．1研究背景及意义

激光焊是以激光作为能量载体进行的焊接。具体地说，激光焊是激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料的相互作用（发生吸收与反射作用）。吸收的激光转化为能量，使材料内部熔化实现焊接的。激光焊根据输入能量的方式不同，分为脉冲激光焊和连续激光焊两种。脉冲激光焊的激光以脉冲方式输出，能量是断续的，焊接后形成一个个圆形焊点。连续激光焊的激光以连续的方式输出，能量是连续的，在焊接过程中形成一条连续的焊缝。激光焊接是一种新兴的焊接工艺，它相对各种传统焊接最大的优势就是热影响范围小，变形小，焊缝精美。

目前传感器产品大量采用脉冲激光焊连接工艺，但焊接过程中若参数控制不好，易出现焊缝熔深不够、焊缝内部空穴等问题，造成传感器产品强度偏低，存在安全隐患，甚至在使用过程存在肢解的可能，威胁到整个飞机发动机的安全运行。 本次课题主要是研究脉冲激光焊。对脉冲激光焊设备的参数进行系统性摸索，为后期工艺参数的确定，减少激光焊接的质量事故，提高传感器产品激光焊质量，具有十分重要的意义。

脉冲激光焊参数主要有：功率、脉冲宽度（简称脉宽）、焊接速度、离焦量、光斑大小、焊接频率和焊接波形等。不锈钢常采用方波即可，故本课题不对焊接波形展开研究。为系统性摸索各参数对焊缝深度的影响，本课题采用控制变量法，通过试验研究各参数对焊缝形貌的影响。

1．2研究目标

本次课题研究目标是：

1）摸索脉冲激光焊不同参数情况下各焊点的形貌；

2）找出适合焊接的参数区域；

3）摸索大功率时适用的焊接参数；

4）找出各焊点形貌其适合的焊接重叠率范围。

2试验方法

2．1试验材料

传感器产品大量运用了不锈钢材料，其中1Cr18Ni9Ti使用最为广泛，故而本次试验材料选用1Cr18Ni9Ti，其化学成分见表1。

试样尺寸为100*10*5mm，接头形式：对接，焊缝形式如图1所示。

2．2试验设备

焊接试验设备：脉冲激光焊机CFJH300。

检测设备：10XWH-PC晶相显微镜。

2．3试验步骤和思路

试验步骤是：制作试样→激光焊（并观察飞溅情况）→分解试样→检测结果。

影响脉冲激光焊焊缝形貌的工艺参数有：功率、脉宽、最小光斑直径（由设备决定，故本次课题不做研究）、离焦、焊接速度和焊接频率。

试验基本思路是用量由计算和对比试验来选择。其他影响因数通过控制变量法，将各因素单独分析，寻找变化规律。

试验共进行4组试验，分别是：正（0）离焦试验、离焦摸索试验、负离焦试验和重叠率试验。

3试验过程及结果分析

3．1正（0）离焦试验

3.1.1试验过程及结果

试验选取不同功率和脉宽，离焦量为0，进行激光焊，观察不同参数下的熔深和熔宽。每个参数焊三点，取平均值。功率依次选择0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5kW；脉宽依次为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12ms。焊后分解试样，图2为分解后的试样宏观形貌。

显微镜观察焊缝形貌，可将焊点形貌概况为以下六种：a、热传半圆形；b、热传三角形；c、深熔无飞溅；d、深熔轻微飞溅；e、深熔大飞溅；f、深熔空壳。其形貌见图3。

通过晶相显微镜，检测每个焊点的熔深和熔宽，并将试验数据中每个参数的三个熔深数据取平均值，汇总结果见表2。

3.1.2点形貌分布及其特点

表3为各参数下焊点的分布图。从表中可以发现随着功率的增加，焊点形貌由最初的热传半圆形，慢慢转变为热传三角形，再到深熔无飞溅，继续过度到深熔轻微飞溅，然后飞溅变多，最后熔池金属全部飞溅掉呈深熔空壳的形貌。

分析认为焊点的形貌受功率密度的影响较大。功率密度直接影响焊缝表面材料的温升时间，功率密度越大，温度升得越快。由于离焦量固定，激光焊点的光斑直径不变，试验过程中随着焊接功率的增加，功率密度也相应增加。当功率密度较小时，母材不熔化，如表2中当功率0.5kW，脉宽1ms时，由于脉宽短母材温度未到达熔点，没有熔化。随着功率的增加，功率密度增加，母材温度升高并逐渐熔化，呈现热传焊（圆弧形）焊缝。功率继续增加，熔深继续增大，焊点呈热传焊三角形形貌。功率继续增加，熔深继续增大，焊点出现小孔效应，出现熔深会逐步大于熔宽。功率继续增加，功率密度继续增大，焊点处温度接近金属沸点，焊接时飞溅出现。以不锈钢材料为例，当输入功率密度在3.5×104W/cm2的时候，材料表面会在1ms内被加热到熔点1500℃，而功率密度在6.3×104W/cm2时，材料表面会在1ms内被加热到沸点2700℃。若功率密度继续增大，飞溅量将继续增加，直至熔化金属全部飞溅光，形成空壳焊缝。

根据图3各焊点的形貌特点，无飞溅的焊点形貌有：a、热传半圆形；b、热传三角形；c、深熔无飞溅。这些形貌适用于焊接，其他出现飞溅的形貌不适用于焊接。热传半圆形焊缝熔深远小于熔宽，其主要适合于焊接壁厚较小的零件，尤其适用于薄壁搭接结构，如感温元件结构，见图4。

热传三角形焊缝熔深与熔宽接近，适用于对接和多数搭接结构的焊缝，不适用于薄壁搭接结构，典型结构见图5。

深熔无飞溅焊缝熔深大于熔宽，其主要适用于对接结构，尤其适用于需要较大熔深的结构，不适用于搭接结构，典型结构见图6。

3.1.3熔深的变化规律分析

提炼表2熔深数据将试验数据，绘制成折线图见图7。从图中可以看出，在其他参数保持不变时，焊点的熔深会随着功率的增加而增加，且增长趋势明显。

工件表面某点吸收能量的多少由激光输出功率和激光辐照时间（脉宽）共同决定。在其他参数都相同的条件下（如能量分布，焦点位置等），增加激光输出功率可增大焊接熔深。焊接熔深直接与光束功率密度有关，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。无论对连续激光还是脉冲激光，激光功率越大，则工件所能吸收的能量值越高，材料所能达到的温度就越高，焊缝的熔深也越来越大。根据试验数据可算出各脉宽下，熔深与功率的计算公式，见表4。

3.1.3熔宽的变化规律分析

提炼表2熔宽数据将试验数据，绘制成折线图见图8。从图中可以看出，在其他参数保持不变时，焊点的熔宽会随着功率的增加而增加，但与熔深相比，熔宽随着功率变大的增长趋势趋于平缓。

焊缝的熔宽由激光焊光斑大小和激光功率共同决定的。当激光光斑大小和激光辐照时间（脉宽）保持一定时，随着激光功率的增加，激光功率增长，焊点内温度越高，光斑点外金属受光斑内金属传导热量增加，逐步熔化扩大，故而熔宽也随着变大。同理，当激光光斑大小和激光输出功率保持一定时，随着激光辐照时间（脉宽）增加时，焊点内高温持续时间增加，光斑点外金属受光斑内金属传导热量时间增加，温度升高熔化并往外扩大，因此熔宽也随着变大。

3．2离焦摸索试验

不锈钢材料，当输入功率密度在6.3×104W/cm2时，材料表面会在1ms内被加热到沸点2700℃，产生飞溅。只有控制功率密度低于6.3×104W/cm2，才能保证焊接时无飞溅。因为功率密度与功率呈正比，与光斑面积大小呈反比，故而当激光功率较高时，需要增加光斑直径来增加光斑面积，以达到控制功率密度的作用。试验通过观察焊后飞溅情况，找出各参数条件下的需要的最小离焦量。

焊接时，光束的聚焦特性（包括焦距和离焦量）对焊接质量有影响。焦平面位于工件上方的为正离焦，反之为负离焦。正、负离焦量相等时，平面上的功率密度近似相同，但熔池形状不同。在实际运用中，薄板焊接时，熔深小，适宜用正离焦；熔深较大时，采用负离焦。本试验采用厚板焊接，目标是为了获得较大熔深，故采用负离焦。

3．2．1试验过程及结果

试验分别选取功率依次选择4、3、2.5、2kW；脉宽依次为8、4ms，离焦量逐步梯增，每次间隔梯增0.1mm，试验组别及其参数见表5。进行激光焊试验，每个参数3次，观察有无飞溅，找出无飞溅的条件下离焦的最小极限值。

根据观察试验观察，记录有各组试验参数在不同参数下的飞溅情况，记录结构结果见表6。

3．2．2离焦量的结果分析

从表6中①与②、③与④、⑤与⑥、⑦与⑧对比可以看出，相同激光焊功率不同脉宽时，焊接有无飞溅的情况一致，故而离焦量与脉宽无关。不同功率条件下，需要的最小离焦量不同。对表6中数据进行提炼，得出不同功率的最小离焦表。

功率密度Pd=4P/（πd2）；[Pd为功率密度（W/cm2）； P为激光功率（kW）；d为光斑直径（cm）]；

光斑直径d= kI +M；[I为离焦量（mm）；M为最小光斑直径（cm）]

材料耐受的最小功率密度Pd由材料自身特性决定。由于材料、接头尺寸保持不变，所以极限状态下，无飞溅临界点时，激光功率密度也相等，故而P∝（kI +M）2，即。

提炼表7中的最小离焦量，绘制折线图见图9。

由于，可得出最小离焦的计算公式：离焦量I=（7.92P-14.166）-1.086；

为进一步验证该公式是否有效，试验进行了以下补充试验。

根据上述公式计算：当P=5kW时，离焦I=3.96mm。

取5kW，4ms进行试验，发现离焦量为-3.9mm时2个无飞溅，1个飞溅；-4mm时3个均无飞溅。

根据上述公式计算：当I=0时，计算P=（1.0862+14.166）/7.92=1.9375kW，即功率P=1.9kW时，不需要离焦。

取功率1.9kW，4ms参数进行试验时，3个均无飞溅。

试验与公式计算结果符合，故该公式有效。

根据公式可计算出，正（0）离焦时，功率≤1.9kW时，焊点无飞溅。

3．3负离焦试验

根据上述试验，正（0）离焦时，焊接功率超过1.9kW时，焊接存在飞溅，这种情况下的参数无法适用于焊接。为进一步开发设备的焊接能力，结合最小离焦量公式，进行了大功率负离焦试验，即选取大的激光功率，采取负离焦，观察在最大激光密度条件下的焊缝熔深、熔宽变化规律。

3．3．1负离焦试验过程及结果

试验分别选取功率依次选择5、4、3、2.5、2kW；脉宽依次为8、4ms，离焦量为由上述公式算出。进行激光焊试验，每个参数焊接3点，记录焊点熔深和熔宽，得出负离焦试验结果记录表8。

3．3．2熔宽的变化规律分析

将表8中熔宽数据提取，得出熔宽与功率离焦试验数据表，见表9。

从表数据对比可以发现，在激光功率相同时，脉冲8ms的熔宽大于脉冲4ms时的熔宽。当激光保持一定时，随着激光辐照时间（脉宽）增加时，焊点内高温持续时间增加，光斑点外金属受光斑内金属传导热量时间增加，温度升高熔化并往外扩大，因此熔宽也随着变大。为进一步观察其变化规律，并结合表2中正焦时的熔宽数据，将表中数据绘制成折线图，见图10。

从图中可以清晰看出，在脉宽相固定时，负离焦条件下熔宽大于正离焦下的熔宽。当功率和脉宽保持一定时，负离焦使得光斑直接增加，焊点熔化区域也就增加，因此熔宽也随着变大。

随着功率的增加，负离焦状态下的熔宽也相应增长，且增长趋势大于0离焦时的状态。

但激光功率密度保持一定时，随着功率的增加，离焦量随之增加，光斑面积也相应增大，受激光辐射的区域面积也相应增大，熔化的区域也增大，焊点熔宽也越来越大。从图中可以看出由于正（0）焦时随之功率增加，焊点熔宽也随之增加，但增长幅度较小，离焦时增长幅度较大。可以判断焊缝的熔宽受离焦量的影响较大，受功率和脉宽影响相对小一点。

3．3．1熔深的变化规律分析

将表8中熔深数据提取，得出表10熔深与功率离焦试验数据表。

从表数据对比可以发现，在激光功率相同时，脉冲8ms的熔深大于脉冲4ms时的熔深。当激光保持一定时，随着激光辐照时间（脉宽）增加时，焊点内高温持续时间增加，光斑点外金属受光斑内金属传导热量时间增加，温度升高熔化并往下扩大，因此熔深也随着变大。

为进一步观察其变化规律，并结合表2中正焦时的熔深数据，将表中数据绘制成折线图，见图11。

从图中可以看到，当功率为2kW时，离焦的熔深比正焦时更大。但功率大于2.5kW时，负离焦状态的熔深即小于正焦时熔深。分析认为，负离焦时，功率密度是保持不变的，随着功率的增加，离焦量也增加，因功率保持不变，其熔深与功率呈线性增长的关系增加。2kW功率时，离焦量较小，经计算约0.2mm，可负离焦焦点位置处于工件内部，故而促进小孔效应，形成等离子体，等离子体进一步压迫液态金属使得小孔变深，焊缝的熔深更大。

功率较大时，负离焦时的熔深小于正焦时的熔深。功率增大很多后，正焦的功率密度也随之上升，但负离焦时，功率密度保持不变， 正焦的功率密度远大于负离焦的功率密度，正焦的熔深大于负离焦状态。

从图11中还可看出，在功率密度保持固定时，随着功率的增加，焊点的熔深也随之增加。当激光功率密度保持一定时，随着激光功率和光斑大小一同增加时，焊点内受到的激光能量增长变多，温度升高熔化并往下扩大，因此熔深也随之变大。根据上述试验数据，归纳出大功率负离焦状态下，刚好无飞溅时熔深与功率的线性公式如下：

8ms时，熔深y=328.43P+740.73（μm）；

4ms时，熔深y=246.61P+699.52（μm）。

3．4重叠率试验

总结上述试验，本课题研究了激光焊焊点成形相关的特点，然实际焊接运用时需要实现焊缝的成形，焊缝的整体质量还受脉冲频率、焊接速度等因素的影响。为了使得生产过程获得连续有效的焊缝，本课题还进行了重叠率的试验。

3.4.1重叠率试验过程及结果

重叠率=（熔宽-点距）÷熔宽，重叠率由焊点点距和熔宽共同决定，而焊点点距有焊接速度和频率决定。试验通过改变焊接频率控制重叠率，通过焊后检测最低熔深判断重叠率选用是否合适。

试验共分3组，分别选用a热传半圆形、b热传三角形和c深熔无飞溅三种形貌的焊点，其工艺参数见表11。

重叠率选50%、70%、80%和90%。根据表2中相应的焊点宽度，可计算出各1-3组各重叠率下的频率，见表12。

通过试验得出各组在不同重叠量下的最小熔深值，见表13。

3．4．2重叠率试验结果分析

（1）热传半圆形焊点在不同重叠量下的特点分析

提取第一组试验结果，并与单点熔深进行对比，绘制成柱状图见图12。可以发现，重叠量50%时，焊缝最小熔深低于单点熔深，重叠量70%以上后焊缝最小熔深大于单点熔深。

热传焊接时，因为激光功率密度小，只能使得母材表面熔化，不能使材料内部深熔化，其是通过热传导的方式一步步传向材料内部的，焊接熔深呈现半圆形状。故而重叠量50%时，焊缝的最低熔深值相比于单点熔深略低一点。重叠量达70%以上后，工件自身温度温度会随着焊接过程持续而升高，故而焊缝熔深高于单点熔深。根据上述结果，建议热传半圆形焊缝重叠率通常应保持在70%以上。

（2）热传三角形焊点在不同重叠量下的特点分析

提取第一组试验结果，并与单点熔深进行对比，绘制成柱状图见图13。可以发现，重叠量50%和70%时，焊缝最小熔深低于单点熔深，重叠量80%和90%时焊缝最小熔深大于单点熔深。

相比于热传半圆形焊缝，热传三角形焊接时，激光功率密度增加，开始出现材料内部深熔化，其受焊点热量和焊点效应的共同影响，焊缝呈现三角形状。故而重叠量50%和70%时，频率较低，焊缝的最低熔深值低于单点熔深。重叠量达80%和90%，激光频率明显增加，且点距较小，焊缝的结合点接近于单点的熔深的最高点，且受工件温度升高的影响，焊缝熔深高于单点熔深。因此，建议热传半圆形焊缝重叠率通常应保持在80%以上。

（3）深熔无飞溅焊点在不同重叠量下的特点分析

提取第一组试验结果，并与单点熔深进行对比，绘制成柱状图见图14。可以发现，重叠量50-80%时，焊缝最小熔深低于单点熔深，重叠量90%焊缝最小熔深大于单点熔深。

深熔无飞溅焊接时，激光功率密度较高，深孔效应使得材料内部深熔化，焊点熔深主要受深孔效应的影响，焊缝呈现尖三角形状。故而重叠量50%、70%和80%时，频率较低，点距较大，各脉冲焊点结合处处于里三角形尖角较远，故而熔深低于单点熔深。重叠量达90%，点距较小，焊缝的结合点接近于单点的熔深的最高点，且受工件温度升高的轻微影响，焊缝熔深微高于单点熔深。因此，建议深熔无飞溅焊缝重叠率通常应保持在90%以上。

结论

综上所述，研究不锈钢脉冲激光焊参数，通过试验发现以下规律：

1）正（0）离焦时，焊缝形貌共六种状态，其中3种形貌适用于焊接加工，分别是：热传半圆形、热传三角形和深熔无飞溅；

2）大功率时需采用离焦方可焊接，最小离焦量（μm）公式I=（7.92P-14.166）-1.086；

3）建议热传半圆形焊缝重叠率选择70%以上，热传半圆形焊缝选择80%以上，深熔无飞溅焊缝选择90%以上。

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