12 mm厚304L高功率摆动激光自熔焊工艺研究.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.7Jul.2023第 53 卷 第 7 期2023 年7 月12 mm厚304L高功率摆动激光自熔焊工艺研究刘鹏1，2，王艳俊1，任闻杰1，张晓冬3，胡玉3，孙柳青3，杨上陆11.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 2018002.中国科学院大学，北京 1000493.中核高效智能化焊接重点实验室，北京 101300摘要：对12 mm厚304L不锈钢进行高功率摆动激光自熔焊接工艺试验，研究焊接速度、摆动频率、摆动幅度对焊缝宏观形貌和微观组织的影响规律。结果表明：当激光功率为9.5 kW、激光无摆动时，焊接速度从0.9 m/min增加至1.5 m/min，焊缝从熔透变为未熔透，未熔透试样的表面飞溅明显；当摆动频率在50400 Hz范围内，随着摆动频率的增加，焊缝熔宽由6.67 mm单调减小至4.94 mm，而熔深在7.5 mm附近上下浮动；当焊接速度为0.9 m/min，摆动幅度在0.21.0 mm范围内，随着摆动幅度增加，焊缝的熔宽由5.36 mm单调增加至7.14 mm，熔深先增加后减小；当焊接速度为0.72 m/min，摆动幅度在0.51.0 mm范围内，随着摆动幅度增加，焊缝的熔宽由2.99 mm单调增加至7.73 mm，熔深由12 mm单调减小至8.42 mm。激光的摆动参数对焊缝熔宽的影响规律较焊缝熔深的更明显。焊缝接头的显微组织在焊缝深度方向存在差异，柱状晶主要分布在焊缝上部和中部，焊缝底部主要为等轴晶。激光束摆动会改变焊缝柱状晶和等轴晶在焊缝上部和中部的分布。关键词：奥氏体不锈钢；中厚板；摆动激光焊；显微组织中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）07-0024-07Study on High Power Oscillating Laser Self-fusion Welding of 12 mm Thick 304LLIU Peng1,2,WANG Yanjun1,REN Wenjie1,ZHANG Xiaodong3,HU Yu3,SUN Liuqing3,YANG Shanglu11.Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,The Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China3.China National Nuclear Corporation Key Laboratory of High Efficiency Welding,Beijing 101300,ChinaAbstract:The effects of welding speed,oscillating frequency and oscillating amplitude on the macro-morphology and microstructure of the weld were studied by high power oscillating laser self-fusion welding of 12mm thick 304L stainless steel.The results show that when the laser power is 9.5 kW and the laser does not oscillate,as the welding speed increases from 0.9 m/min to 1.5 m/min,the weld changes from penetrated to unpenetrated,and the spattering of the unpenetrated specimen is obvious.When the oscillating frequency is in the range of 50400 Hz,with the increase of the oscillating frequency,the penetration width of the weld decreases from 6.67 mm monotonic to 4.94 mm,and the penetration depth fluctuates up and down around 7.5 mm.When the welding speed is 0.9 m/min and the oscillating amplitude is in the range of 0.21.0 mm,with the increase of the oscillating amplitude,the penetration width of the weld increases monotonically from 5.36 mm to 7.14 mm,and the penetration depth first increases and then decreases.When the welding speed is 0.72 m/min and the oscillating amplitude is in the range of 0.51.0 mm,with the increase of the oscillating amplitude,the penetration width of the weld increases from 2.99 mm monotonic to 7.73 mm,and the penetration depth decreases from 12 mm monotonic to 8.42 mm.The influence of the oscillating parameters of the laser on the penetration width is more obvious than that of the pen 收稿日期：2023-06-05基金项目：中核高效智能化焊接重点实验室开放课题基金（CNNC-HEIWL-KFKT-2022-002）作者简介：刘鹏（2000），男，博士研究生，主要从事激光焊接工艺与传感控制研究。通讯作者：杨上陆（1975），男，研究员，博士生导师，主要从事先进激光制造技术及先进焊接的研究。E-mail：。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.04etration depth.The microstructure of the weld joint is different in the direction of weld depth,the columnar crystals are mainly distributed in the upper and middle parts of the weld,and the bottom of the weld is mainly equiaxed crystals.Laser beam oscillating changes the distribution of columnar and equiaxed crystals in the upper and middle weld.Keywords:austenitic stainless steel;mid-thick plates;oscillating laser welding;microstructure引用格式：刘鹏，王艳俊，任闻杰，等.12 mm厚304L高功率摆动激光自熔焊工艺研究 J.电焊机，2023，53（7）：24-30.Citation:LIU Peng,WANG Yanjun,REN Wenjie,et al.Study on High Power Oscillating Laser Self-fusion Welding of 12 mm Thick 304LJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):24-30.0 前言304L奥氏体不锈钢因其良好的耐热性、耐腐蚀性和焊接性等特点成为了目前常见的结构材料之一，在航空航天、核电、石油化工等工业中被广泛应用1-2。对于中厚板不锈钢，传统焊接方法多采用焊条电弧焊和氩弧焊，焊接效率低且热输入量大，易产生较大的焊接变形和残余应力，难以保证焊接质量。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源，具有焊接速度快、热输入量小、可焊材质种类范围大等优点，是一种高效的焊接方法，其为中厚板不锈钢的焊接提供了新的思路和技术手段。目前，中厚板不锈钢激光焊接工艺主要包括激光窄间隙填丝焊、激光-电弧复合焊和激光自熔焊3。其中，与激光窄间隙填丝焊和激光复合焊工艺相比，激光自熔焊的工艺流程简单，能明显提升焊接效率。同时，作为常用的中厚板激光窄间隙填丝焊打底焊工艺，激光自熔焊工艺在更大厚度上的研究有助于促进大厚板激光窄间隙填丝焊的应用，提升焊接效率。因此，研究中厚板不锈钢激光自熔焊工艺对提高焊接效率、推进中厚板的焊接应用具有重要意义。信纪军4等人使用20 kW超高功率光纤激光器对20 mm厚度316N奥氏体不锈钢进行单道焊接，研究了离焦量、焊接速度和激光功率对焊接接头宏观形貌及显微组织的影响。张强勇5、陈勇6和冷晓春7等人开展304不锈钢激光自熔焊试验，通过单变量法和一元线性回归分析研究了激光功率、焊接速度和焊接热输入等焊接参数对焊接接头宏观形貌、焊缝组织和力学性能的影响。激光摆动焊是利用激光光束的摆动来抑制气孔、裂纹等缺陷，改善组织形成和减少焊缝飞溅8，从而获得更加优质的焊缝质量。方远志等人借助激光原位摆动提出一种激光摆动送粉增材制造TC4钛合金工艺，显著改善了熔池形貌，减少了气孔和裂纹等缺陷9。李翠等人进行了不锈钢板的激光叠焊工艺研究，分析激光光束摆动方式对焊缝成形和气孔率的影响规律，获得了成形好、气孔少、剪切强度高的叠焊接头10。祁小勇等人开展了铝合金摆动激光MIG复合焊接，研究了摆动激光光束的频率和振幅对焊缝气孔和熔深的影响，获得的最优焊接参数下的焊缝内部无明显气孔，焊缝强度达到母材的91.9%11。目前，对中厚板不锈钢高功率激光自熔焊工艺主要集中在非摆动激光焊接，而对摆动激光焊接工艺研究较少。因此，研究中厚板不锈钢的激光摆动焊工艺，分析摆动工艺参数对焊接接头的影响规律，对实现中厚板不锈钢的优质焊接具有重要意义。本文采用摆动激光焊接工艺对12 mm厚304L奥氏体不锈钢进行了焊接试验，研究摆动工艺参数对焊接接头的影响规律，建立焊接工艺参数与焊缝宏观形貌和微观组织之间的联系，为实现高质量的中厚板不锈钢激光自熔焊接提供基础。1 试验材料和方法试验材料为12 mm厚的304L奥氏体不锈钢，试板尺寸为100 mm50 mm12 mm，其化学成分如表1所示。表1304L不锈钢的化学成分比例（质量分数，%）Table 1Chemical composition ratio of 304L stainless steel（wt.%）采用摆动激光焊接系统进行试验，该系统集成了德国IPG公司的YLS-10000光纤激光器（波长为1 070 nm）、KUKA公司的KR60HA机械臂，聚焦光第 7 期刘鹏，等：12 mm 厚 304L 高功率摆动激光自熔焊工艺研究etration depth.The microstructure of the weld joint is different in the direction of weld depth,the columnar crystals are mainly distributed in the up