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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(duì)焊縫幾何形狀、顯微組織和孔隙率的影響。

符號(hào)：

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(duì)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(duì)于焊道寬度都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性，而G對(duì)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(duì)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(dòng)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(zhǎng)。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(duì)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(shì)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(duì)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(shì)——焊道寬度隨著平移速度而減小種變化趨勢(shì)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?？?，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(duì)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(shì)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(duì)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(duì)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(duì)激光能量的吸收，并降低了熔池寬度。

3.4 對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)形成。

▲圖3 (a)光斑直徑和(b)載氣流速對(duì)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(duì)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(zhǎng)。對(duì)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(duì)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(duì)最終孔隙率沒有顯著影響(P值= 0.905)。

此外，載氣流速對(duì)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?gòu)?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(shì)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(duì)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(duì)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