陈银银

（河南工业贸易职业学院，河南 郑州 450000）

不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，已经广泛应用于人们生产生活的方方面面[1]。但是不锈钢的含铬量高，焊接时容易出现晶间腐蚀，降低耐腐蚀性能；再加上超薄不锈钢太薄，在焊接的时候难度更大，容易出现未熔合、烧穿、翘曲变形等问题[2-3]。尤其对于有受力要求的产品，更要关注焊缝区抗拉强度和硬度值的变化，本文主要研究0.2 mm 厚304 不锈钢采用脉冲激光焊接时，焊缝的抗拉强度变化情况，以此为生产实践提供参考。

1 超薄不锈钢应用范围

一般把厚度小于0.3 mm 的不锈钢称为超薄不锈钢，常用的不锈钢型号主要有321、301、304、316、304L、316L、309 等，其中304 和316 不锈钢是食品级常用不锈钢[4]。超薄不锈钢的各种应用领域对厚度及钢种的要求如表1所示[5-7]。

表1 各种应用领域对厚度及钢种的要求

2 焊接方法的选择

在很多零件上用到的不锈钢都会涉及焊接，最常用的方法是钨极氩弧焊，这种焊接方法经济实惠、操作简单，但是对于厚度小于0.3 mm 的超薄不锈钢，采用钨极氩弧焊相当困难，常常出现端部未熔合的圆形缺口和烧穿的焊接缺陷，如图1 所示，难以保证焊接质量。

图1 缺口和烧穿缺陷

而且在用钨极氩弧焊方法焊接不锈钢时，还不可避免地会存在飞溅，造成不锈钢表面有很多凸起，影响美观，甚至会破坏周边其他部件。为了美观，需要增加打磨、抛光工序，增加了生产成本，而对于飞溅影响到周边零部件的情况，只能进行遮挡。这对于自动化生产线来说显然不太现实，所以对于超薄不锈钢焊接最常用的方法是激光焊接，激光焊接主要有连续激光焊接、脉冲激光焊接两种。本试验用到的是脉冲激光焊接。由于脉冲激光焊接的脉冲宽度可以调节，能够更好地控制能量，更容易保证焊接质量，避免烧穿情况的发生，更适合焊接超薄板件[8]。

3 试验设备和材料

本试验采用JHM-1GXY-300E 型脉冲激光焊机，焊接材料为0.2 mm 厚的304 不锈钢薄板，试板尺寸为40 mm×20 mm×0.2 mm，试验采用的304不锈钢化学成分如表2所示[9-10]。

4 正交试验

将提前切割好的尺寸为40 mm×20 mm×0.2 mm的304 不锈钢片作为焊接试样对接，采用自制夹具夹紧，放置在合适的工作位置。调整两块板件间隙，初步定为无间隙，后期根据填丝情况调整对接间隙。为了保证焊接效果，焊接时采用氩气进行保护，氩气流量为5 L/min，聚焦镜的焦距为55 mm，焊接速度初步定为150 mm/min，光斑直径为0.3 mm，焊接电流、脉冲宽度和脉冲频率根据正交试验结果进行试验。

根据前期试验结果，在激光光斑直径、焊接速度、氩气流量一定的情况下，影响脉冲激光焊接超薄不锈钢焊接接头质量的主要因素有焊接电流、脉冲宽度、脉冲频率和离焦量。焊接电流为主要影响参数，影响焊缝深度，当焊接电流小于80 A 时，焊缝容易出现未熔合的现象；当焊接电流大于84 A 时，很容易发生烧穿现象。脉冲宽度和脉冲频率为次要影响因素，脉冲宽度和脉冲频率主要影响焊缝的深度和宽度。若脉冲频率太高，前一个周期的激光能量还在起作用，下一个周期就会叠加上；如果焊接电流过大，则极容易发生烧穿现象，而且焊缝表面成形不美观，焊缝凸起过高，平直度也不好；经过初步试验，脉冲频率在18 Hz~22 Hz 之间比较合适。激光焊接时，离焦量可以取正值、负值，也可以等于0。激光焊接厚板时，离焦量一般取负值，即为负离焦，此时激光焦点位于母材拼接缝隙中间位置，能更好地传输热量，保证焊接厚板的时候更容易焊透；激光焊接薄板时，离焦量一般取正值，即为正离焦，此时激光焦点位于拼接缝隙上方，调节正离焦量大小，即可获得不同光斑直径。正负离焦量对焊缝的影响如图2 所示，本试验是焊接超薄板件，采用正离焦。

图2 正负离焦量对焊缝的影响

前期试验发现，即使采用正离焦也需要有一定的范围，当正离焦量过小时，依然会发生烧穿；而当正离焦量过大时，焊缝表面会发黑并且不平整。经多次试验之后，获得了一个能保证焊缝表面美观的离焦量，初步将离焦量定为此值。

正交试验主要针对焊接电流、脉冲宽度和脉冲频率进行设计，前期的试验已经探索出合适的焊接电流范围为80 A~84 A，脉冲宽度范围为2.0 ms~2.4 ms，脉冲频率范围为18 Hz~22 Hz，每个参数确定3 个水平，取值如表3 所示。采用L9 三因素三水平正交表设计试验，正交试验设计方案如表4所示。

表3 正交试验因素水平表

表4 正交试验设计方案

表4 优化后的试验参数主要有9 组，在试验时，重点观察焊缝成形，对于焊缝成形美观的焊接试样进行标记，在试样上贴标签写上编号和具体的工艺参数，以免后期混淆。

各试验编号对应的正交试验结果如表5 所示，方差分析如表6 所示。表中的T1、T2、T3 分别表示因素A、B、C在1、2、3水平下的抗拉强度之和，R为极差。

表5 正交试验结果

表6 方差分析数据表

由正交优化试验结果分析得出，最佳工艺参数为：焊接电流82 A、脉冲宽度2.2 ms、脉冲频率22 Hz。此时能够获得抗拉强度最大的焊缝。经过试验验证，在采用焊接电流82 A、脉冲宽度2.2 ms、脉冲频率22 Hz 时，获得了成形优良的焊缝，此时焊缝鱼鳞纹整齐、宽度一致、凸起均匀。

5 拉伸试验

对于采用脉冲激光焊方法焊接的超薄不锈钢产品，由于使用时主要考虑其承受抗拉载荷的能力，因此采用抗拉强度作为工艺参数的主要评定标准。将焊接好的试样剪裁成合适大小，夹持在拉伸试验机上进行拉伸试验，测试其具体拉断力，记录数据，再根据拉伸试样的宽度和厚度，计算抗拉强度。表中编号对应正交试验表编号，具体试验数据如表7 所示。由于焊接过程中没有采用填丝填料，实际焊缝处厚度小于0.2 mm，而本表在计算时，拉伸试样厚度取0.2 mm，故焊缝实际的抗拉强度值大于本表计算值。

表7 拉伸试验数据

测试母材的抗拉强度为578 MPa，试验结果表明，采用最佳工艺参数（编号5）焊接时，接头的承载能力能够达到母材的99%，焊接接头的抗拉强度和母材基本一致，符合使用要求。

6 结论

采用脉冲激光焊接0.2 mm 厚304 不锈钢时，采用最佳工艺参数焊接，焊缝区的抗拉强度能够跟母材相当，可以达到母材承载能力的99%以上。经过拉伸试验验证，焊接接头在断裂时也正是从焊缝和母材交界处断裂，所以在脉冲激光焊接的0.2 mm 厚304不锈钢产品的使用过程中，要重点检查焊缝和母材交接处有无裂纹、有无断裂风险。