摘要：激光焊接是一種允許金屬零件連接的制造工藝，使用金屬線或粉末形式的填料可以更好地趨利避害。在本研究中，以AISI 316 L粉末為填料，在AISI 304不銹鋼板上進(jìn)行了堆焊。使用不同的工藝參數(shù)組合進(jìn)行測(cè)試。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。焊接過程中，在添加和不添加粉末的情況下，都檢測(cè)到從傳導(dǎo)到匙孔狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。研究發(fā)現(xiàn)激光光斑直徑的變化是產(chǎn)生不同焊接狀態(tài)的基礎(chǔ)。此外，僅在匙孔區(qū)域檢測(cè)到孔隙，孔隙率最大值為5.5%。最后，在AISI 304襯底上加工出“V”形凹槽，并用兩條重疊的焊道填充。研究結(jié)果證明了以AISI 316 L粉末為填充材料激光焊接AISI 304不銹鋼的可行性。
激光焊接可以在沒有填料的情況下連接零件，但是，這需要非常精確的零件定位和加工。激光焊接過程中的一個(gè)主要問題與接頭之間間隙的存在及其大小有關(guān)，這類間隙的存在會(huì)導(dǎo)致光束通過間隙時(shí)不與基材相互作用（如圖1）。這些問題可以通過在焊接前或焊接中加入一些額外的金屬材料，以金屬絲或粉末的形式填充間隙來加以解決（圖2）。此外，在許多情況下，填料的加入能夠改變焊接接頭的成分。通過改變粉末顆粒的化學(xué)成分和送粉率，送粉激光焊還可以改善焊縫的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，從而使所得焊接區(qū)的性能適合特定的應(yīng)用。
▲圖2 顯示反向極圖的接頭EBSD圖 (a)AISI 304鋼母材、(b) 金屬焊縫的中間區(qū)域、(c) 冷絲輔助激光焊焊縫金屬的彩色OIM圖；(d)AISI 304鋼母材、(e) 金屬焊縫的中間區(qū)域、(f) 冷絲輔助激光焊焊縫金屬的極圖
現(xiàn)有文獻(xiàn)中大多數(shù)關(guān)于送粉激光焊接過程的研究集中在填充材料對(duì)焊縫的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響上。Z. Lei等人通過比較添加和不添加粉末所獲得的結(jié)果，研究了激光焊接過程中添加填充粉末對(duì)接頭組織和性能的影響。結(jié)果表明，粉末的加入有利于異質(zhì)形核，并在熔融區(qū)生成更多的等軸晶粒（如圖3）。除此之外，由于用送粉激光焊接獲得的接頭中鉬含量較高，使得這種接頭顯示出比其他接頭更好的拉伸性能。
對(duì)由(a)激光焊接和(b)激光粉末焊接產(chǎn)生的熔融區(qū)進(jìn)行TEM分析
H. Ju等人利用Fe-Mn-Si形狀記憶合金(SMAs)作為實(shí)驗(yàn)填充粉末，進(jìn)行了金屬粉末激光焊接的研究，并將其結(jié)果與使用304不銹鋼作為填充粉末的結(jié)果進(jìn)行了比較。在進(jìn)一步的研究中，Z. Sun和M. Kuo將類似的材料(AISI 304不銹鋼)與金屬粉末進(jìn)料(AISI 316不銹鋼)焊接在一起，并試圖使用粉末填充自生激光焊接中經(jīng)常出現(xiàn)的接頭間隙。結(jié)果表明，粉末的加入解決了接頭間隙公差的問題。
J. Liu等研究人員研究了用鋁填充粉末將A5052-H34(鋁合金)激光熔釬焊到ST07Z(鍍鋅鋼)上，并研究了所得接頭的顯微組織和力學(xué)性能。獲得的不同接頭顯示出在附加層邊緣的富鋅區(qū)和金屬間化合物層的最小厚度。因此，最終接頭的界面層沒有裂紋。
Z. Lei等人研究了Al–10Si–Mg粉末激光焊接-釬焊Ti/Al對(duì)接接頭，分析了接頭的顯微組織和力學(xué)性能。五到七次沉積后，焊縫顯示出較高的質(zhì)量和較高的抗拉強(qiáng)度。
▲圖4上圖：2號(hào)接頭(五次沉積)斷口掃描電鏡圖:(a)頂部和中部斷面、(b)底部區(qū)域的斷面、(c)斷裂路徑示意圖。
下圖：3號(hào)接頭(七次沉積)斷口掃描電鏡圖:(a)頂部和中部斷面、(b)底部區(qū)域的斷面、(c)斷裂路徑示意圖。
H. Xia等人研究了鋁與鋼的對(duì)接，分析激光功率對(duì)焊接接頭、界面金屬間化合物演變和最終接頭拉伸性能的影響。由于填充粉末的良好熔化，當(dāng)激光功率增加到1800瓦和2200瓦時(shí)，獲得了令人滿意的焊縫。
▲圖5 激光功率變化時(shí)獲得的激光粉末沉積鋁/鋼接頭的焊接外觀:(a) 1200瓦，(b) 1500瓦，(c) 1800瓦，(d) 2200瓦
Y. Zhang等人通過同軸金屬粉末(AlSi12)進(jìn)行了異質(zhì)材料(TG-1鋼和5251鋁合金)的激光焊接，并測(cè)試了接頭的組織和力學(xué)性能。該研究目的在于調(diào)查并提出金屬間化合物層厚和接頭拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，兩者之間的關(guān)系受激光功率、送粉速率、焊接偏移和焊接速度的影響。Khodabakhshi和Gerlich對(duì)鋁-碳化硅（Al–SiC）納米復(fù)合材料的激光焊接以及鋁-碳化硅納米復(fù)合材料與AA1050鋁合金的異質(zhì)激光焊接進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于鋁和碳化硅之間的密度和表面張力之間的巨大差異而形成一些凝固缺陷，激光焊接并不具備良好的焊接性能能。Long等人試圖以搭接接頭的形式提高異種材料(DC04鋼與6016鋁合金)焊接接頭的質(zhì)量，激光焊接前在鋁合金表面預(yù)先沉積金屬粉末。粉末的加入改善了激光-鋼-鋁合金的耦合，使其在相同的激光功率和焊接速度下吸收的能量密度增加。此外，接頭的拉伸性能隨著送粉速度的增加而提升。
Z. Lei等人提出了相似和不同材料激光粉末焊接的數(shù)值模擬方法，他們開發(fā)了一個(gè)三維計(jì)算模型，用于描述熔池中粉末傳輸、激光加熱和熱流體動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜物理現(xiàn)象。Y. Zhang等人用不同的金屬粉末(AlSi12、AlCu5、ZnAl15)再次研究了激光焊接不同材料(TG-1鋼和5251鋁合金)的效果。通過使用具有特定工藝參數(shù)的AlSi12粉末，獲得了最高質(zhì)量的焊接接頭——沒有明顯塌陷、穩(wěn)定且無飛濺的連續(xù)接頭(如圖6）。此外，周等人研究了鋼和鋁異質(zhì)金屬激光粉末焊接的能力。結(jié)果表明，硅或錳粉末的加入減少了熱影響區(qū)（HAZ）的裂紋、飛濺、夾雜等缺陷；熔深也有所增加。
通過以上的文獻(xiàn)梳理，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的文獻(xiàn)缺乏粉末添加對(duì)焊接質(zhì)量的影響的系統(tǒng)研究，同時(shí)也沒有考慮傳導(dǎo)到匙孔形態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。本研究的目的是研究以金屬粉末為填充材料的AISI 304不銹鋼激光焊接的可行性，從而對(duì)此空白研究做出補(bǔ)充。為此，進(jìn)行了旨在確定主要工藝參數(shù)最佳值的初步實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。通過調(diào)整激光功率、平移速度、送粉速率、載氣流量和激光光斑直徑，研究它們對(duì)焊縫特征(如熔深、寬度和焊接缺陷)和顯微組織的影響。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：在厚度為2 mm的AISI 304不銹鋼板上進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，并檢測(cè)了添加和不添加粉末時(shí)傳導(dǎo)和匙孔焊接模式之間的轉(zhuǎn)變。最后，作為進(jìn)一步的應(yīng)用，在基底上加工“V形”凹槽以模擬小倒角并填充。根據(jù)在沒有凹槽的板上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析，選擇一組參數(shù)來填充凹槽。
該研究中使用的基板是一個(gè)100毫米長(zhǎng)80毫米寬2毫米厚的AISI 304板。AISI 316 L不銹鋼粉是LPW South Europe公司通過氣體霧化生產(chǎn)的球形粉末，用作填充金屬。對(duì)于顆粒尺寸，在D10、D50和D90 (10%、50%和90%)設(shè)定的D值反映了顆粒的直徑，其中10%、50%和90%表示低于某一標(biāo)準(zhǔn)值的比例。使用配備有4 kW光纖激光器(λ = 1.070微米)、帶有機(jī)動(dòng)準(zhǔn)直系統(tǒng)(準(zhǔn)直透鏡的焦距=100 mm)和焦距為200 mm的聚焦透鏡的激光頭的5軸機(jī)器進(jìn)行堆焊試驗(yàn)。氬氣用作保護(hù)氣體，流速為10 l/min。使用氬氣作為載氣，通過同軸噴嘴從外部粉末進(jìn)料器送粉。圖7顯示了整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。圖8顯示了焊道焊縫及其橫截面。
表1 AISI 304不銹鋼金屬基材的化學(xué)成分(wt.%)
表2 AISI 316 L粉末的標(biāo)稱和測(cè)量成分(wt.%)
表3 粉末粒度分布（Particle size distribution,PSD)
▲圖8 (a)焊接工藝的細(xì)節(jié)；(b)堆焊道的橫截面圖
2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
在AISI 304鋼板上進(jìn)行了一系列含粉末和無粉末的堆焊試驗(yàn)。表4、表5顯示了不同的五個(gè)過程參數(shù)及其水平。總共測(cè)試了192種工藝參數(shù)組合:分別在添加和不添加粉末的情況下制作了128條和64條焊道，用于研究輸入過程參數(shù)對(duì)所檢查的輸出因素的影響。
使用方差分析(ANOVA)與一般線性模型評(píng)估影響的統(tǒng)計(jì)顯著性。產(chǎn)出分析因素是熔深、焊道寬度和孔隙度。幾項(xiàng)研究表明，在測(cè)試中，0.05的最大顯著性水平被認(rèn)為是每個(gè)因素影響的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性
表4 粉末堆焊的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及其水平
表5 無粉末堆焊的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及其水平
3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
從圖9和圖10中可以得出基材具有等軸奧氏體晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒邊緣的鐵素體。然而與此同時(shí)，卻存在沉淀物（圖中深色線所示）。在圖11中，很明顯在基材和熔融區(qū)之間的界面處有熔合線，在后者中可以看到典型的細(xì)胞生長(zhǎng)。正如Yan等人和Casalino等人在他們對(duì)不銹鋼激光混合焊接的微觀結(jié)構(gòu)的研究中所發(fā)現(xiàn)的一樣，熱影響區(qū)(HAZ)非常薄，難以熔化。在界面處，由于不銹鋼的快速凝固，顯示了指向凝固方向的柱狀枝晶微觀結(jié)構(gòu)，見圖11。由于溫度梯度在材料中產(chǎn)生變化，出現(xiàn)了沿著焊縫中心線的晶粒伸長(zhǎng)。
▲圖9 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11 熔化邊界的橫截面(200倍)。(P = 600 W，v = 750 mm/min，d = 0.8 mm，Q = 5 g/min，G = 5 l/min)。
除了載氣流速，所有主要影響因素的p值都遠(yuǎn)小于0.05。因此，G對(duì)熔深的影響尚待進(jìn)一步分析確認(rèn)。圖12顯示了功率密度對(duì)熔深和焊接模式——傳導(dǎo)或匙孔模式的影響。功率密度的公式表示為
▲圖12 熔深和焊接方式關(guān)于功率密度的函數(shù)關(guān)系
從功率密度公式可以看出，光斑尺寸的減小導(dǎo)致了功率密度的增長(zhǎng)，并因此導(dǎo)致了更容易形成匙孔(深穿透狀態(tài))?？紤]到表4、表5中的工藝參數(shù)值，功率密度在1.274E + 04和3.0573E + 05 W/cm2之間。在分析圖12和所有樣品橫截面的宏觀圖后，確定了上述兩種狀態(tài)之間的過渡。
然而，文獻(xiàn)中經(jīng)常認(rèn)為，當(dāng)功率密度小于10E + 06 W/cm2時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)模式。但是其他研究表明，不銹鋼的功率密度閾值在4E + 05 W/cm2和鋁的10E + 05 W/cm2之間，因此取決于待焊接的材料。根據(jù)Quintino和Assuncao進(jìn)行的文獻(xiàn)綜述，想要對(duì)所謂“完全獨(dú)立于”其他工藝參數(shù)的狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變閾值進(jìn)行定義是不準(zhǔn)確的、也是不合理的。
此外，從橫截面的分析中，還發(fā)現(xiàn)對(duì)于相同的一組工藝參數(shù)，用粉末獲得的焊道熔深低于不用粉末獲得的焊道。這是由熔化填料所消耗的功率決定的，因此要獲得相同的熔深，前者需要更大的功率密度。激光功率對(duì)熔深的影響如圖13(a)所示，熔深隨著表面激光功率的增加而增加，其原因在于熱輸入的增加。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13 工藝參數(shù)對(duì)熔深的影響:(a)激光功率；(b)平移速度；(c)光斑直徑；(d)送粉速度。
然而，如文獻(xiàn)中所述以及方差分析的結(jié)果所展示的，平移速度的變化影響熔池的特性和動(dòng)力學(xué)。圖13(b)繪制了熔深與平移速度的函數(shù)關(guān)系?？梢钥闯觯?strong>熔深隨著平移速度的增加而減小，這也與Manonmani等人在研究激光焊接中工藝參數(shù)對(duì)最終焊道幾何形狀的影響中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致。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14 基于平移速度和穿透深度的過程圖
(P = 600 W, d = 2.0 mm, G = 5 l/min)
表7 堆焊的參數(shù)
圖14顯示了使用表7中工藝參數(shù)獲得的焊縫橫截面的一些結(jié)果。因此，可以看出，僅改變平移速度并保持其他工藝參數(shù)不變會(huì)獲得非常不同的結(jié)果——對(duì)于圖14(c)、(d)、(g)和(h)的高平移速度值，相對(duì)于圖14(a)、(b)、(e)和(f)的低速度而言存在更多的熱輸入，因此可以從傳導(dǎo)狀態(tài)切換到鎖眼狀態(tài)。熱輸入可以計(jì)算為激光功率和平移速度之間的比值。
光斑直徑的影響，如上所述，光斑直徑的變化包括激光功率密度的變化。方差分析結(jié)果表明，光斑直徑對(duì)穿透深度也有顯著影響(P值= 0.000)。在圖13(c)中，繪制了穿透深度與光斑直徑的函數(shù)關(guān)系。對(duì)所有光斑尺寸采用高斯能量分布?？梢钥闯?，穿透深度隨著光斑直徑的增大而減小。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15 基于光斑直徑、穿透深度和焊道寬度的過程圖
(P = 400 W, v = 1000 mm/min, G = 5 l/min).
表8 堆焊的參數(shù)
圖15展示出了使用表8中工藝參數(shù)獲得的焊縫橫截面的一些結(jié)果，僅改變光斑直徑并保持其他工藝參數(shù)不變，會(huì)得到非常不同的結(jié)果。如圖15(c)、(d)、(g)和(h)所示的小光斑直徑，由于功率密度過大，可以從低穿透深度轉(zhuǎn)變到高穿透深度（如圖15(a)和(e)所示）。因此，當(dāng)光斑直徑為0.5毫米時(shí)，經(jīng)常獲得匙孔模式，而當(dāng)光斑直徑為1和2毫米時(shí)，則永遠(yuǎn)達(dá)不到匙孔模式，而是傳導(dǎo)模式。此外，對(duì)于0.8 mm的光斑直徑，取決于其他參數(shù)的值，可以獲得傳導(dǎo)和匙孔模式(圖15(b)和(f))。
送粉速度對(duì)穿透深度也有顯著影響，如方差分析所示(表6)。特別是，如圖13(d)所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)送粉速率從5 g/min增加一倍至10 g/min，穿透深度會(huì)降低。如上所述，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是，在保持其他工藝參數(shù)不變的同時(shí)，將工件上的粉末進(jìn)料加倍將需要更高的功率密度來獲得類似的穿透深度，因?yàn)楣β拭芏鹊囊徊糠直挥糜谌刍罅康姆勰┻M(jìn)料。
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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
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