火工品薄壁件的激光焊接

2012-07-07杜云峰陈敏慧郑挺军石敏科高春亮陈小松

火工品 2012年2期

杜云峰，陈敏慧，郑挺军，石敏科，高春亮，陈小松

（陕西应用物理化学研究所，陕西西安，710061）

激光焊接是一门发展极快的新制造技术，一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可。其最主要的优势之一是能将激光束集中于非常狭小的区域[1]，具有焊接速度快、热影响区小、变形小、焊缝窄、焊缝组织均匀的特点；其机械性能、抗蚀性能优于常规焊接方法，既可焊接同种材料，也可以焊接异种材料。

随着火工品技术的不断进步，火工品设计向安全性、可靠性、小型化方向发展，火工品零部件的加工方式也由原来较单一的冲压引伸、切削加工向电加工、化学加工、激光加工、特种焊接等多种加工方式拓展。这些特种焊接和烧结技术不仅满足了火工品的特殊功能特性，而且在零部件的制造方面能够解决许多难以加工的工艺问题，同时又可以降低加工制造的成本，缩短新产品的研发周期[2]。本研究采用激光焊接对火工品零部件的薄壁件焊接进行了工艺试验，取得了理想的效果。

1 试验条件

1.1 激光器件

试验采用德国TRUMPF公司的LASMA333型YAG脉冲激光器，激光器技术参数见表1。

表1 激光器技术参数Tab.1 Technical parameters of laser

1.2 试验材料及焊接密封性要求

薄壁件密封片如图1所示，其厚度为0.25mm，材料为00Cr 9Ni10，与同种材料的零件进行焊接，焊接好的密封组件在0.1MPa气压条件下，氦气泄漏率要求小于10-5cm3/s。

图1 密封片示意图Fig.1 Sketch of sealing piece

1.3 影响激光焊接的参数

影响激光焊接的参数主要包括激光功率、脉冲宽度、脉冲频率、焊接速度、离焦量及保护气体等，因此需要通过调整激光焊接参数来改善焊缝成形[3-5]。尤其是激光功率和焊接速度的匹配关系直接表征了焊接的工艺范围，激光焊接获得较好焊缝成形时需要适当降低焊接速度或提高激光功率以增大焊接热输入，所以选择合适的匹配关系成为关键技术之一。

1.3.1 激光功率

激光功率是指激光器的输出功率，在实际应用中，激光功率的选取除取决于材料本身特性外，尚需根据焊接要求确定。薄壁材料的焊接中，由于材料表面的汽化，易使焊点成孔，尤其是薄片上的焊接[6]。焊接过程中汽化量过大，就会形成高压蒸汽的高压喷射，将对熔池表面产生很大的作用力，将熔池中液态金属排挤出熔池外，甚至形成熔融金属的飞溅，结果导致薄壁材料表面穿孔，或者形成严重的凹陷，因此必须严格控制激光功率。

1.3.2 脉冲宽度

在薄壁件焊接中，除应适当拉长脉宽增加焊接的参数范围，以及提高焊接质量的稳定性外，尚需考虑热影响区的大小。应保证在热影响区所允许的情况下适当增加脉宽，以提高焊接质量的稳定性。

1.3.3 脉冲频率

激光脉冲的频率是反映激光器在1s内能打出多少个脉冲的能力，在激光功率恒定的情况下，频率越高，每个激光输出的能量就越小，因此可在保证激光的能量足够熔化金属的情况下，确定激光的输出频率。过高的频率势必造成激光的脉冲能量过低，从而造成焊接失败。

脉冲频率、平均焊点直径和焊接速度必须相互匹配，才能达到所需的重叠度。一般来说，重叠度越大，焊缝表面越光滑，但焊接速度也相应降低。

1.3.4 焊接速度

焊接速度对熔池的影响较大，在一定的激光功率下，提高焊接速度，热输入能量密度下降，焊接熔池减少，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件烧穿。所以对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中一定速度值时可获得最大熔深。

1.3.5 保护气体

激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，若某些材料焊接可不计较表面氧化时也可不考虑保护，但在大多数应用场合则常使用惰性气体做保护，使工件在焊接过程中免受氧化。

密封薄壁件激光焊接的保护气体采用氩气，保护气体流速的作用是保护熔池不被氧化，带走熔池表面的气雾以保护聚焦透镜不被蒸发的气雾污染。气体流量过大或过小均不能得到满意的焊缝，过大时熔池搅拌激烈，易产生气孔等缺陷，并带走大量的热能；过小时不能起到对工件的保护效果。另外保护气体的吹入方向对焊缝的形貌也起着重要的作用。

1.3.6 离焦量对焊接的影响

激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔，离开激光焦点的各平面上功率密度分布相对均匀。按照几何光学理论，当正负离焦量相等时，取对应平面上功率密度近似相同，但是实际获得的熔池形状不同。在实际应用中，当要求熔池较大时，采用负离焦；焊接薄壁材料时，宜用正离焦。