李興宇 ，李 芳 ，2，華學(xué)明 ，2，王 敏 ，2

（1.上海交通大學(xué)上海市激光制造及材料表面改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.先進(jìn)船舶與深海勘探協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240）

0 前言

由于水資源的稀缺，海水淡化已成為21世紀(jì)我國的一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)。在海水淡化裝置中，換熱器、傳熱管至關(guān)重要，這些部件的傳統(tǒng)用材不銹鋼、鎳基合金、銅合金等不能完全滿足服役環(huán)境耐蝕、力學(xué)性能及輕質(zhì)化要求，而工業(yè)純鈦TA2具有優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的塑韌性和較高的比強(qiáng)度，成為海水淡化裝置熱換器的首選材料[1-2]。目前在實(shí)際生產(chǎn)中，純鈦的焊接多采用TIG焊，但是焊接速度較慢導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低，且TIG焊接接頭組織粗大，塑性大幅下降。而激光焊接具有熱輸入量小、焊接速度快、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且焊接鈦時(shí)具有相當(dāng)?shù)娜嵝裕虼擞斜匾M(jìn)行工業(yè)純鈦的激光焊研究。在此對(duì)0.9 mm工業(yè)純鈦TA2板進(jìn)行激光焊接工藝研究，以獲得激光功率、焊接速度、離焦量和激光入射角度對(duì)成形的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為0.9 mm工業(yè)純鈦TA2薄板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 工業(yè)純鈦TA2化學(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為IPG YLS-10000多模光纖激光器和KUKA KRC2焊接機(jī)器人，焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，采用側(cè)吹氬氣和背部開保護(hù)氣槽的方式對(duì)焊接區(qū)域正面和背面進(jìn)行保護(hù)，焊接過程如圖2所示。

圖1 焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 焊接過程示意

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 焊前清理

實(shí)驗(yàn)前，利用剪板機(jī)將母材切割成200 mm×60 mm的板材，由于鈦具有較高的活性，母材表面會(huì)附著一層氧化膜，并且由于板材表面會(huì)附著油污，若在焊接過程中進(jìn)入焊縫會(huì)造成熔合不良、接頭強(qiáng)度損失等問題，因此需對(duì)母材進(jìn)行嚴(yán)格的焊前清理。具體步驟為：①利用高速旋轉(zhuǎn)的鋼絲輪打磨母材表面，直至露出金屬光澤；②將母材放在3%HF+30%HNO3+67%H2O溶液中酸洗；③用清水清洗干凈母材表面，再在烘干箱中100℃×1 h烘干。

1.3.2 焊接工藝實(shí)驗(yàn)

在前期工藝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光功率、焊接速度、離焦量和激光入射角度對(duì)焊縫成形均有一定的影響，因此利用正交試驗(yàn)法來簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過程[3-4]，以研究各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表2～表4所示。

表2 正交試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)完成后根據(jù)表3中的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫接頭進(jìn)行評(píng)分，分別對(duì)每一個(gè)因素進(jìn)行單因素分析，以探究其對(duì)焊縫成形的具體影響。

表3 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表4 不同參數(shù)下的焊縫成形得

研究激光功率對(duì)焊縫成形的影響時(shí)，選定焊接速度5.1 m/min，離焦量+5 mm，激光入射角度+4°，激光功率分別為1400W、1600W、1 800 W、2000W、2200W、2400W、2600W和3000W；研究焊接速度對(duì)焊縫成形的影響時(shí)，選定激光功率2 000 W，離焦量+5mm，激光入射角度+4°，焊接速度分別為5.7 m/min、5.4 m/min、5.1 m/min、4.8 m/min、4.5 m/min、4.2 m/min；研究離焦量對(duì)焊縫成形的影響時(shí)，選定激光功率2 400 W，焊接速度4.8 m/min，激光入射角度+4°，離焦量分別為-1mm、+1 mm、+3mm、+5 mm、+7 mm、+9 mm；研究激光入射角度對(duì)焊縫成形的影響時(shí)，選定激光功率1 600 W，焊接速度4.8 m/min，離焦量+5 mm，激光入射角度分別為-8°、-4°、+4°、+8°。

1.3.3 焊后分析測(cè)試

實(shí)驗(yàn)完成后，利用線切割將焊縫沿橫截面切取15 mm×5 mm金相試樣，制作鑲塊，然后進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕，所用腐蝕試劑成分體積比為HF∶HNO3∶H2O=5∶10∶85，在光學(xué)顯微鏡下觀察分析焊縫形貌。

2 結(jié)果分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過正交實(shí)驗(yàn)得出20條焊縫成形，其中為避免過于頻繁地調(diào)節(jié)離焦量和激光入射角度（減小誤差），以表4的順序依次進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，整理匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果和焊縫成形的評(píng)分，并根據(jù)不同參數(shù)下焊縫成形得分計(jì)算出得分綜合平均值和各因素影響的極差值。其計(jì)算方法以激光功率對(duì)成形的影響為例進(jìn)行說明。

（1）綜合平均值的計(jì)算。

為了便于理解和分析，分別用ⅠA，ⅡA，ⅢA，ⅣA，ⅤA表示因素 A（激光功率）取第1、2、3、4、5 水平時(shí)相應(yīng)的焊縫成形得分之和，即

為了比較因素A不同水平激光功率的優(yōu)劣，引入 KA1，KA2，KA3，KA4，KA5，分別成為因素 A激光功率相應(yīng)水平的綜合平均值，其中

（2）極差的計(jì)算。

某一個(gè)因素不同水平的綜合平均值分布范圍越大，說明該因素不同水平下焊縫成形得分的波動(dòng)較大，故該因素很可能是影響焊縫成形的主要因素；反之，若某個(gè)因素在不同水平下焊縫成形的得分變化不大，則該因素很可能對(duì)焊縫成形的影響不明顯。此處用極差來描述某一因素不同水平下焊縫成形得分的分散程度大小。同樣以因素A激光功率為例，用因素A的各個(gè)綜合平均值中的最大值減去最小值得到因素A的極差，用RA表示，即RA=KA5-KA1=3。

由表4可知，RA=RB=3最大，RC=1.75次之，RD=1.6最小，說明激光功率和焊接速度對(duì)焊縫成形的影響最大，其次為離焦量，再次為激光入射角度。在后續(xù)的單因素實(shí)驗(yàn)分析時(shí)可以參考此順序，首先選定激光功率為研究變量，然后研究焊接速度等因素。

2.2 單因素分析

2.2.1 激光功率對(duì)成形的影響

在焊接速度5.1 m/min、離焦量+5 mm、激光入射角度+4°的情況下，改變激光功率所得的焊縫成形如圖3所示。

由圖3可知，隨著激光功率的增大，由1 400 W和1 600 W時(shí)的未焊透，到1 800 W時(shí)的臨界焊透，最后功率達(dá)到2 000 W后可全部焊透。這是因?yàn)樵谄渌麉?shù)不變的情況下，激光功率的增大代表著熱輸入量的增大。從各條焊縫的宏觀成形可以看出，在功率達(dá)到2 000 W時(shí)，雖然實(shí)現(xiàn)了全熔透，但出現(xiàn)非常嚴(yán)重的咬邊現(xiàn)象，而在激光功率繼續(xù)增大時(shí)，咬邊現(xiàn)象呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，直至功率增大到2 600 W時(shí)咬邊缺陷幾乎可以忽略，這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)電弧焊中咬邊缺陷的規(guī)律相反。分析認(rèn)為是由于小孔的存在，在剛好能焊透的功率下，熔池中心溫度與熔池邊緣溫度差別較小，中心和邊緣的表面張力差值較小，而該表面張力差值正是液態(tài)金屬向邊緣鋪展的動(dòng)力，加之此時(shí)沒有填充金屬，小孔向下挖掘的力相對(duì)較大，因此熔池產(chǎn)生塌陷，導(dǎo)致咬邊較為嚴(yán)重；而當(dāng)激光功率增大，熱輸入也增大，此時(shí)熔池中心表面張力減小，而熔池邊緣表面張力幾乎不變，因此表面張力差值增大，而形成小孔向下挖掘的力幾乎不變，故此時(shí)液態(tài)金屬更容易向焊縫兩邊鋪展，因此表現(xiàn)出咬邊現(xiàn)象減弱，直至幾乎沒有咬邊[5]。

2.2.2 焊接速度對(duì)成形的影響

在激光功率2 000 W、離焦量+5 mm、激光入射角度+4°的條件下，改變焊接速度所得的焊縫成形如圖4所示。

由圖4可知，開始并未出現(xiàn)咬邊，當(dāng)焊接速度增大到4.5 m/min，出現(xiàn)明顯咬邊，一直增大至4.8 m/min時(shí)咬邊仍很嚴(yán)重，而繼續(xù)增大焊接速度至5.4 m/min以上時(shí)則無法完全焊透。焊接速度較快時(shí)容易產(chǎn)生咬邊，這是因?yàn)楹附铀俣却髸r(shí)，熱輸入量小，冷卻速度快，液態(tài)金屬來不及向焊縫兩邊填充就已凝固，因此表現(xiàn)為較為嚴(yán)重的咬邊。

2.2.3 離焦量對(duì)成形的影響

在激光功率2 400 W、焊接速度4.8 m/min、激光入射角度+4°的條件下，改變離焦量所得的焊縫背面成形如圖5所示。

由圖5可知，負(fù)離焦量（-1 mm）時(shí)，背面飛濺量很大；而采用正離焦量進(jìn)行焊接時(shí)，背面飛濺明顯減少，并且隨著正離焦量的增大，背面飛濺越來越少，直至+5 mm時(shí)已基本無飛濺。粗略統(tǒng)計(jì)所選區(qū)域的飛濺個(gè)數(shù)，所得飛濺量對(duì)比如圖6所示。變化原因?yàn)椋寒?dāng)離焦量為-1 mm時(shí)，激光聚焦于薄板背面，使背面接收到的激光能量密度很大，背面金屬蒸發(fā)強(qiáng)烈，引起熔池底部劇烈波動(dòng)，產(chǎn)生大量飛濺，而隨著正離焦量的增大，作用于材料表面的激光束光斑直徑增大，激光能量密度減小，熔池波動(dòng)減小，飛濺減少。

圖3 不同激光功率的焊縫成形（焊接速度5.1 m/min，離焦量+5 mm，激光入射角度+4°）

圖4 不同焊接速度的焊縫成形（激光功率2 000 W，離焦量+5 mm，激光入射角度+4°）

圖5 不同離焦量的焊縫成形（激光功率2 400 W，焊接速度4.8 m/min，激光入射角度+4°）

圖6 飛濺量對(duì)比

2.2.4 激光入射角度對(duì)成形的影響

在激光功率1 600 W、焊接速度4.8 m/min、離焦量+5 mm的條件下，改變激光入射角度，所得焊縫成形如圖7所示。

圖7 不同激光入射角度的焊縫成形（激光功率1600W，焊接速度4.8 m/min，離焦量+5 mm）

可以看出，在其他工藝參數(shù)相同的情況下，當(dāng)激光前傾入射時(shí)，即激光入射角度分別為-4°或-8°時(shí)，出現(xiàn)未焊透的情況；但當(dāng)激光后傾入射時(shí)，即激光入射角度分別為+4°或+8°時(shí)，可以焊透。這是因?yàn)榧す馇皟A入射時(shí)，激光照射到小孔前壁，在小孔內(nèi)部形成多重反射，激光被充分吸收；而激光后傾入射時(shí)，激光在小孔內(nèi)部較難形成多重反射，激光吸收率低，如圖8所示。

3 結(jié)論

（1）在焊接速度、離焦量和激光入射角度一定的情況下，隨著激光功率的增大，從開始的未焊透到實(shí)現(xiàn)全熔透，但全熔透后出現(xiàn)非常嚴(yán)重的咬邊現(xiàn)象；而在激光功率繼續(xù)增大時(shí)，咬邊現(xiàn)象反而開始有減小趨勢(shì)。

（2）在激光功率、離焦量和激光入射角度一定的情況下，焊接速度較小時(shí)未出現(xiàn)咬邊，而當(dāng)焊接速度增大至4.5 m/min時(shí)，出現(xiàn)明顯的咬邊。焊接速度較快時(shí)容易產(chǎn)生咬邊是因?yàn)楹附铀俣却髸r(shí)，熱輸入量小，冷卻速度快，液態(tài)金屬來不及向焊縫兩邊填充就已凝固，因此表現(xiàn)為咬邊較為嚴(yán)重。

圖8 激光前傾后傾在小孔內(nèi)壁反射情況

（3）在激光功率、焊接速度和激光入射角度一定的情況下，采取負(fù)離焦量焊接時(shí)，背面飛濺量很大；而采取正離焦量進(jìn)行焊接時(shí)，背面飛濺明顯減少，并且隨著正離焦量的增大，背面飛濺越來越少，直至+5 mm時(shí)已基本無飛濺。

（4）在激光功率、焊接速度和離焦量一定的情況下，當(dāng)激光前傾入射時(shí)出現(xiàn)未焊透的情況，而當(dāng)激光后傾入射時(shí)卻可以焊透。這是因?yàn)榧す馇皟A入射時(shí)，激光照射到小孔前壁，在小孔內(nèi)部形成多重反射，激光被充分吸收；而激光后傾入射時(shí)，激光在小孔內(nèi)部較難形成多重反射，激光吸收率低。