304不锈钢箔振镜扫描激光微焊接工艺分析

 振镜扫描激光微焊接是激光微焊接的发展方向，浙江至德钢业有限公司采用基模光纤激光器及振镜系统对厚度为100μm的304不锈钢箔进行平板扫描焊接，对比研究氩气保护与无气体保护时激光微焊接工艺，建立两种条件下激光微焊接工艺窗口。结果表明无气体保护时激光微焊接会产生不稳定过渡区，其产生机理不是热导焊接模式和深熔焊接模式的交替出现，而是氧化导致的深熔焊接过程不稳定。气体保护可以避免不稳定过渡区的产生，并扩大焊接工艺窗口。随着科学技术的发展，仪器设备的不断小型化和精密化对微连接技术提出了新的挑战和更高要求。激光具有聚焦光斑尺寸小、能量密度高、能量和光斑大小精确可控及良好的光束可达性等特点，因而适用于各种材料和零件的微焊接。目前，激光微焊接已广泛应用于电子、医疗设备、仪器仪表、汽车、航空航天等领域。伴随着激光技术的进步，激光微焊接也从最初的脉冲激光微点焊和脉冲激光微缝焊发展到连续激光微缝焊。其中，采用基模连续或准连续光纤激光器和扫描振镜系统的激光微缝焊成为当前激光微焊接的研究热点。光纤激光器具有光束质量好、电光转换效率高、体积小、成本低、使用维护方便等特点，而扫描振镜系统通过振镜摆动使光束偏转实现焦点的运动，具有惯性小、速度快等特点，因而成为激光微焊接的发展方向。至德钢业采用光纤激光器和振镜扫描系统在没有气体保护的条件下，对厚度为50μm和100μm的钛、镍、铝、304不锈钢箔材进行激光微焊接试验，获得了相应箔材全熔透而又不产生烧穿和驼峰的工艺窗口，并且基于焊缝表面形貌随输入激光能量的变化来区分热导焊和深熔焊，在热导焊和深熔焊之间则存在一个焊缝宽度随机变化的过渡区。至德钢业对大气环境下金属箔材激光微焊接驼峰影响因素进行了系统试验研究。为了提高焊缝质量，至德钢业人采用振镜扫描方式在真空室中对304不锈钢进行激光微焊接试验，发现当真空度达到1mbar时，可以获得表面干净、无氧化的焊缝。浙江至德钢业有限公司使用振镜扫描系统和单模光纤激光器在密封的玻璃气室通入一个大气压的氩气，对厚度20μm和50μm的304不锈钢分别进行了搭接焊和平板扫描焊工艺研究，也得到了成形良好、无氧化的焊缝。

 显然，保护气氛或真空环境可以有效避免激光微焊缝焊缝氧化，提高焊缝质量。但是，气体保护对振镜扫描激光微焊接焊缝成形烧穿和驼峰等的影响规律尚未有系统研究。本文采用振镜扫描系统和基模光纤激光对厚度100μm的AISI304不锈钢进行了平板扫描焊接，发现气体保护对激光微焊接过渡区及焊缝成形与焊接工艺窗口产生明显影响。

一、试验条件及方法

 试验布置如图所示，激光器为IPG-YLS30基模光纤激光器（德国IPG），波长10709，额定功率3000W，单个模块功率调节范围30-500W；振镜系统为fellate fl6240振镜系统（苏州菲镭泰克激光技术有限公司），焦距354 mm，焦斑直径55am。装夹具为自制紫铜夹具，保护气由上半部分夹具端面的气嘴通入，可经由内部的气槽平行于工件表面吹出。试验材料为厚度100 am的304不锈钢箔，试样尺寸为20 mm×100 mm×0.1 mm。焊接前使用丙酮对试样进行10分钟超声清洗，然后用去离子水冲洗，在室温下干燥。焊接试验采用平板扫描焊接方式，激光焦点位于材料表面；保护气体为氩气，气体流量20L/分钟。改变激光功率和焊接速度，研究有、无气体保护时焊缝成形的基本规律，每组参数重复焊接三次。

 焊后首先采用OLYMPUSGX51金相显微镜（日本OLYMPUS）观察焊缝表面成形，然后沿垂直于焊缝方向截取焊缝横截面，并对样品进行镶样、研磨、抛光和腐蚀，腐蚀液为三氯化铁—盐酸溶液(三氯化铁10 g、盐酸30 ml、蒸馏水120 ml)，最后采用OLYMPUSGX51金相显微镜观察焊缝横截面形貌。

二、试验结果与讨论

 1. 气体保护对不稳定过渡区的影响

  图所示分别为有、无气体保护条件下，焊接速度40mm/s，激光功率30W、50W、70W、80W时焊缝表面及横截面形貌。由图可见，在无保护气体条件下，激光功率为30W时，焊缝连续、熔宽均匀，表明焊接过程稳定；当激光功率增加到50-60 W时，焊缝熔宽时窄时宽，说明焊接过程变得不稳定；当激光功率继续增加到80W后，焊缝熔宽又变为连续、均匀，说明焊接过程变回稳定状态。但是，采用保护气体后，在上述激光功率范围内，所有焊缝熔宽都是连续、均匀的，没有出现无气体保护时类似的焊接过程不稳定的过渡区。从焊缝横截面形貌（其中，不稳定过渡区的焊缝横截面为熔宽最窄处的横截面）可以看出，无论有、无保护气体，激光功率为30W时，试样均未焊透；而当激光功率达到50W后，所有试样均完全焊透。

 图分别为有、无气体保护条件下，激光功率为50W，焊接速度为30mm/s、50mm/s、60mm/s、80mm/s时焊缝正、反表面形貌。在以上工艺参数条件下，所有试样完全焊透。无气体保护时，焊接速度为30mm/s时焊缝熔宽起伏变化明显，焊接过程不稳定。随着焊接速度的增加，熔宽趋于均匀一致，当焊接速度增加到60mm/s时，焊缝熔宽均匀一致，说明此时焊接过程稳定。采用气体保护后，焊缝熔宽均匀一致，没有出现焊接过程不稳定的现象。

 激光宏观焊接存在三种焊接模式，即：热导焊接、深熔焊接和模式不稳定过渡焊接。模式不稳定过渡焊接的特征为热导焊接和深熔焊接两种模式交替出现，表现为熔宽和熔深的跳变。浙江至德钢业有限公司基于无气体保护激光微焊接不稳定过渡区的焊缝熔宽跳变与激光宏观焊接模式不稳定过渡焊接的熔宽跳变极其相似这一现象，认为激光微焊接不稳定过渡区的形成机理与激光宏观焊接的模式不稳定过渡焊接相同，即热导焊接和深熔焊接两种模式的交替出现。但是，本文试验结果表明激光微焊接不稳定过渡区的产生并不是热导焊接和深熔焊接两种模式交替出现的模式不稳定过渡焊接，而是过程不稳定的深熔焊接：

  a. 从图结果可以看出，在气体保护条件下，激光功率30 W时的焊缝熔宽窄、熔深浅，为典型的热传导型焊缝。当激光功率达到50W时，焊缝熔宽大，试样完全焊透，而且焊缝连续均匀，表明此时焊接模式转变为稳定的深熔焊接。这说明在本文实验条件下，激光微焊接模式转变的临界功率不超过50W。无保护气体时，试样表面因激光加热氧化，材料对激光的吸收率将会增加，焊接模式转变的临界功率将会降低。因此，无气体保护时，激光功率50W-70 W时出现的熔宽波动不是热导焊接和深熔焊接两种模式交替出现的结果，而是深熔焊接过程不稳定造成的。

  b. 从图结果可以看出，无气体保护时，低速焊接时，出现熔宽跳变现象，而当焊接速度达到60mm/秒，则为稳定的深熔焊接过程。焊接速度越低，激光作用时间越长，焊接热输入越大。因此，在低速焊接时出现的熔宽跳变现象，显然不是热导焊接和深熔焊接两种模式交替出现造成的，只能是深熔焊接过程不稳定造成的。

 无气体保护时，在一定条件下的深熔焊接过程中焊缝熔宽的波动可能与深熔焊接的动态行为及氧化有关。大量研究表明，激光深熔焊接是一个深熔小孔和熔池剧烈波动的动态过程。在合适的工艺条件下，这一动态过程是大体上有一定规律的，宏观上表现为焊接过程稳定，焊缝成形连续均匀。而当工艺条件不当或受一些随机因素的干扰时，这种有规律的波动会被破坏，宏观上表现为焊接过程不稳定，导致各种形式的焊接缺陷的产生。在激光微焊接过程中，当没有保护气体时，试样表面氧化会影响材料对激光的吸收率。在一定工艺条件下，深熔焊接过程的波动会使氧化过程不连续，不均匀，导致吸收率的剧烈变化，使得焊接过程不稳定。从图2可以看出，在焊接速度一定时，随着激光功率的增加，焊接热输入增大，激光作用区氧化加剧，氧化导致吸收率的变化趋于稳定，焊接过程从不稳定的深熔焊接过渡到稳定的深熔焊接。从图3可以看出，当激光功率一定时，随着焊接速度的增加，焊接热输入减小，氧化反应减弱，氧化对焊接过程的影响随之减小，焊接过程逐步从不稳定的深熔焊接过渡到稳定的深熔焊接。

 2. 焊接工艺窗口

 为获得合适的工艺参数从而得到连接可靠、成型良好的焊缝，通过改变激光功率和焊接速度得到焊接工艺窗口。焊接热输入过大时会产生焊穿缺陷，过小时会出现未焊透现象；在一定激光功率条件下，焊接速度过大时会出现焊接驼峰。图4所示为有、无气体保护的对应焊接工艺窗口，气体保护对工艺窗口产生一定的影响。

  a. 气体保护对临界烧穿工艺参数的影响

  图所示为几组不同激光功率和焊接速度条件下有、无保护气体时焊缝表面形貌。可以看出无保护气体时均出现了烧穿，而有保护气体条件却得到表面成形良好的焊缝，没有产生烧穿。对比图，无保护气体条件下，激光功率100W、焊接速度30mm/秒时，焊缝产生了烧穿；有气体保护条件下，在相同激光功率时，焊接速度降低至20mm/秒，仍能得到表面成形良好的焊缝。激光深熔焊接时，小孔前端金属熔化量和蒸发量随着焊接的热输入增大而增大。当金属蒸气压力和熔池重力超过了表面张力时，就会产生烧穿。

  镍氧化的标准自由能大于铁氧化的标准自由能，所以溶于铁液中的镍不易发生氧化。氧化产生的氧化物使得材料对激光的吸收率增大，从而增大焊接热输入。同时，氧化反应的反应焓为负值，氧化时释放的热量进一步增加热输入，因而易容产生烧穿。

  b. 气体保护对临界焊透工艺参数的影响

  图所示为为条件下，激光功率30W、焊接速度40mm/s有、无气体保护焊缝横截面形貌对比。可见，在热导模式下气体保护焊缝熔深小于无气体保护焊缝。图分别为深熔模式时临界焊透速度下，焊缝正反面的焊缝表面形貌，可以看出转变为深熔模式后，有气体保护的焊缝成形更为稳定，可以达到的临界焊接速度更大。

  当激光功率小于30W时，焊接模式为热导焊，无气体保护条件下焊缝的氧化使得材料吸收更多的能量，所以无气体保护的焊透临界速度大于气体保护的焊透临界速度。当激光功率为50 W时，焊接模式为深熔焊。如前所述，没有气体保护时，材料氧化会对深熔焊接过程产生影响，但是随着焊接速度的增加，材料氧化减弱，氧化的影响减小。深熔焊接总是伴随着羽辉的产生，而羽辉对入射激光的作用对焊接过程会产生一定的影响。采用气体保护时，保护气流对羽辉有一定的控制作用，焊接过程较无保护气体条件下更为稳定，有利于扩大临界焊透窗口。

  c. 气体保护对驼峰临界速度的影响

 图所示为无保护气体条件下，焊接速度1000 mm/s，功率为100W、250W、450W、500W时的焊缝横截面形貌。功率为100W时，焊缝未焊透，功率增大到250 W后出现明显的焊接驼峰。焊接驼峰是一种出现于高速焊接的焊接缺陷。根据至德钢业对焊接驼峰的研究：在高速焊接条件下，主熔流（小孔前壁产生由小孔底部向后流动的熔流）由小孔前壁底部向后方强烈的偏转，靠近母材部分的熔流冷却凝固流速减慢，中心部分的熔流高速向上偏转，由于瑞利不稳定性熔流断裂形成驼峰。图所示分别为激光功率250W、焊接速度750mm/s和激光功率300W、焊接速度650mm/s时在有、无气体保护条件下焊缝的横截面形貌。可以看出，相同焊接参数条件下，无气体保护时产生明显的驼峰缺陷，而气体保护时驼峰不明显。

 从图的结果可以看出，随着激光功率的增大，驼峰临界速度降低。这是由于随着激光功率的增大，焊接热输入增大，小孔前壁产生的熔流体积增大，中心熔流的流速增加。所以随着激光功率增大，出现焊接驼峰的临界速度降低。而在氩气氛围中的焊接过程熔池表面液态金属的表面张力（1.16 N/m）较空气氛围的表面张力（1.87N/m）减小，表面液态金属表面张力小利于焊缝金属的铺展，所以较无气体保护条件，氩气保护可以提高出现焊接驼峰的临界速度。

三、结论

 浙江至德钢业有限公司采用基模光纤激光器对厚度为100μm的304不锈钢进行了平板扫描焊接，对比研究有、无气体保护时焊接工艺，得出以下主要结论：

 1. 没有气体保护时，激光微焊接304不锈钢管在稳定热导焊和稳定深熔焊之间存在不稳定过渡区；采用气体保护后，不稳定过渡区消失。没有保护气体时激光微焊接不稳定过渡区的产生不是热导焊接和深熔焊接两种模式交替出现的模式不稳定焊接，而是氧化造成的深熔焊接过程不稳定。

 2. 气体保护可以一定程度降低304不锈钢焊穿临界速度、提高稳定深熔焊接焊透临界速度和驼峰临界速度，扩大稳定深熔焊接工艺窗口。