以AISI 316 L粉末為填料，在AISI 304不銹鋼板上進(jìn)行了堆焊。研究了激光功率、平移速度、送粉速度、載氣流量和激光光斑直徑等工藝參數(shù)對焊縫幾何形狀、顯微組織和孔隙率的影響。

符號：

d 光斑直徑，單位：mmP 激光功率，單位：瓦

v 平移速度，單位：mm/min

G 載氣流速，單位：l/min

Q 送粉速度，單位：g/min

D 功率密度，單位：W/cm2

hi 穿透深度（熔深），單位：μm

w 焊道寬度，單位：μm

t 相互作用時(shí)間，單位：min

3.3 對焊道寬度的影響

FactorsNotationP-ValueLaser powerP0.000Spot diameterd0.000Translation speedv0.000Powder feed rateQ0.001Carrier gas flow rateG0.053

表1 焊道寬度的方差分析結(jié)果

從表1可以看出所有主要影響因素的p值都很小。當(dāng)選擇0.05的顯著性水平時(shí)，除了載氣流速外，所有工藝參數(shù)對于焊道寬度都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性，而G對穿透深度沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性影響。因此，在以下分析中沒有考慮G對穿透深度的影響。

▲圖1 焊道寬度和焊接狀態(tài)與功率密度的函數(shù)關(guān)系

與較低功率密度相關(guān)的光斑尺寸的增加導(dǎo)致了更寬的焊道。這一結(jié)果與互動時(shí)間的增加有關(guān)。相互作用時(shí)間的公式可以表達(dá)為：

從上面的公式，可以明晰光斑尺寸的增加導(dǎo)致了相互作用時(shí)間的增加，并因此導(dǎo)致了襯底上加熱時(shí)間的延長。圖2(a)展示了焊道寬度是如何隨著激光功率而變化的。如方差分析所示(表1)，激光功率對軌道寬度有顯著影響。從圖2(a)中可以看出，焊道寬度與穿透深度類似，隨著表面上激光功率的增加而增加，這是由于熱輸入的增加導(dǎo)致基底材料的更多熔化。這種變化趨勢在添加或不添加粉末的堆焊道里并無區(qū)別。

▲圖2 工藝參數(shù)對焊道寬度的影響:(a)激光功率；(b)平移速度；(c)光斑直徑；(d)送粉速度。

根據(jù)及方差分析結(jié)果(P值= 0.000)，平移速度也影響焊道寬度。圖2(b)中的圖表繪出了焊道寬度與平移速度的變化趨勢——焊道寬度隨著平移速度而減小種變化趨勢在添加或不添加粉末的堆焊道里并無區(qū)別。造成這一結(jié)果的原因在于激光束和基底之間的相互作用時(shí)間較短，由基底材料內(nèi)部的傳導(dǎo)導(dǎo)致的熱傳遞較低，從而導(dǎo)致熔池減小。平移速度越低，焊接熔池越大。最終，作用在熔池頂部的表面張力無法將落下的熔融材料保持在平坦位置。在高速度下，產(chǎn)生了朝向焊接中心的強(qiáng)材料流，并且由于熔融金屬固化非常快，在接頭的側(cè)面產(chǎn)生了重要的缺陷——底切。

如表1所示，光斑直徑對焊道寬度有顯著影響(P值= 0.000)。圖2(c)示出了焊道寬度和光斑直徑之間的關(guān)系——光斑直徑隨焊道寬度的增加而增加。無論有無粉末，這種趨勢都是一樣的。這種效果有助于克服待焊接零件之間存在的間隙。

此外，送粉速率對焊道寬度也有顯著影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉末進(jìn)料速率從5 g/min加倍到10 g/min時(shí)，焊道變窄，見圖2(d)。對這一結(jié)果的解釋是，速率Q越大，屏蔽激光束的粉末量越大，進(jìn)而減少了基底金屬對激光能量的吸收，并降低了熔池寬度。

3.4 對孔隙率的影響

FactorsNotationP-ValueLaser powerP0.139Spot diameterd0.000Translation speedv0.102Powder feed rateQ0.905Carrier gas flow rateG0.001

表2 孔隙度方差分析

方差分析結(jié)果僅顯示光斑直徑和載氣流速的p值小于0.05，這意味著它們對孔隙率具有統(tǒng)計(jì)上顯著的影響。因此，本文沒有分析P、 v、 Q對孔隙的影響。

關(guān)于高功率激光焊接中氣孔起源的主要假設(shè)與匙孔焊接模式的發(fā)展有關(guān)。在這種狀態(tài)下獲得的高功率密度會在熔池中產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱梯度和湍流現(xiàn)象，從而將氣體截留在熔池中。焊縫對孔隙的高度敏感性是由于渦流之間的碰撞，渦流出現(xiàn)在材料內(nèi)部蒸汽氣泡截留風(fēng)險(xiǎn)提高的區(qū)域。當(dāng)光斑直徑較小獲得匙孔模式時(shí)，孔隙就會形成。

▲圖3 (a)光斑直徑和(b)載氣流速對孔隙率的影響

圖3(a)證實(shí)了表2中描述的方差分析，表明光斑直徑對最終孔隙率有顯著影響。

▲圖4 粉末堆焊道的宏觀橫截面:A) P = 400 W，d = 2 mm，v = 500 mm/min，Q = 5 g/min，G = 5 l/min B) P = 400 W，d = 0.8 mm，v = 750 mm/min，Q = 5 g/min，G = 5l/min；C) P = 600 W，d = 0.5 mm，v = 750 mm/min，Q = 5 g/min，G = 5 l/min。無粉末堆焊道的宏觀橫截面:D)、E)、F)的參數(shù)與A、B和c相同

▲圖5 基于光斑直徑、穿透深度和焊道寬度的過程圖

此外，如圖4、圖5所示，幾乎所有光斑直徑為0.5 mm的堆焊樣品都出現(xiàn)了多孔隙。這可能是由于功率密度增加導(dǎo)致氣化材料的增長。對于0.8、1.0和2.0毫米的其他光斑直徑，堆焊樣品沒有孔隙。就熔融區(qū)域而言，在添加粉末的樣品中觀察到0.023%至5.5%的相對孔隙率。在沒有粉末的樣品中觀察到類似的結(jié)果，范圍在0.015%和5.2%之間。這些結(jié)果證實(shí)了粉末進(jìn)料速率對最終孔隙率沒有顯著影響(P值= 0.905)。

此外，載氣流速對孔隙率的影響如圖3(b)所示。根據(jù)方差分析結(jié)果(P值= 0.001)，載氣流速影響最終孔隙率。載氣流速從5升/分鐘增加到8升/分鐘導(dǎo)致總孔隙率降低。無論有無粉末，這種趨勢都是一樣的。其原因在于高載氣流速不僅將粉末送至工件上，而且保護(hù)焊接區(qū)域免受空氣氣體的侵入。

4. 案例研究：帶凹槽的板上焊道

在AISI 304不銹鋼基底上通過錐形銑削工具加工出模擬“V形”凹槽(圖6)，將此作為案例研究。

FactorsNotationUnitValueLaser powerPW400Spot diameterdmm0.8Translation speedvmm/min1000Powder feed rateQg/min5Carrier gas flow rateGl/min5

表3 凹槽參數(shù)

▲圖6 具有一個(gè)焊道(圖6(a))和具有兩個(gè)焊道(圖6(b))的填充凹槽宏圖

選擇填充凹槽的工藝參數(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)“V形”熔融區(qū)，還使獲得傳導(dǎo)模式成為可能，從而避免了孔隙缺陷。從圖中可以發(fā)現(xiàn)利用兩個(gè)重疊的焊道獲得了更好的凹槽填充——填充材料和基材之間形成了良好粘合。

5. 結(jié)論

本文采用填充AISI 316 L不銹鋼粉末的方法，在AISI 304不銹鋼板上進(jìn)行了堆焊研究。分析了主要工藝參數(shù)對焊縫特性、顯微組織和焊縫缺陷的影響。得出了以下結(jié)論:

※ 方差分析表明，激光功率、平移速度、送粉速率和激光光斑直徑影響穿透深度和焊道寬度；相反，孔隙率僅受激光光斑直徑和載氣流速的影響；

※ 激光光斑直徑的變化導(dǎo)致形成不同的焊接模式、匙孔和傳導(dǎo)。由于較低的功率密度，1和2毫米的光斑直徑在傳導(dǎo)模式下產(chǎn)生焊縫，而0.5毫米的光斑直徑產(chǎn)生匙孔模式；

※ 以0.5 mm的光斑直徑進(jìn)行的所有堆焊樣品均顯示存在孔隙缺陷；

※ 由于較高的相互作用時(shí)間，焊道寬度隨著光斑直徑的增加和平移速度的降低而增加。這種效果對于克服待連接部件之間的間隙極為有用；

此外，作為進(jìn)一步的研究和應(yīng)用，在鋼基底上加工凹槽以模擬“V形”倒角，并用兩個(gè)重疊的焊道填充。這項(xiàng)工作的結(jié)果使我們能夠驗(yàn)證金屬粉末激光焊接的可行性。進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)之后，該實(shí)驗(yàn)工作亦可為未來奧氏體不銹鋼部件(厚度大于2 mm)的激光粉末焊接的應(yīng)用提供了更多信息。

來源：V.Errico,S.L.Campanelli,A.Angelastro,M.Mazzarisi,G.Casalino，On the feasibility of AISI 304 stainless steel laser welding with metal powder，Journal of Manufacturing Processes，https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.04.065

參考文章：1. Z. Lei, K. Zhang, H. Zhou, L. Ni, Y. Chen,A comparative study of microstructure and tensile properties of Ti2AlNb joints prepared by laser welding and laser-additive welding with the addition of filler powder,J Mater Process Technol, 255 (2018), pp. 477-487, 10.1016/j.jmatprotec.2017.12.044

2. J. Liu, S. Jiang, Y. Shi, Y. Kuang, G. Huang, H. Zhang,Laser fusion-brazing of aluminum alloy to galvanized steel with pure Al filler powder,Opt Laser Technol, 66 (2015), pp. 1-8, 10.1016/j.optlastec.2014.08.004