以AISI 316 L粉末為(wei) 填料，在AISI 304不鏽鋼板上進行了堆焊。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果

從(cong) 表1可以看出所有主要影響因素的p值都很小。當選擇0.05的顯著性水平時，除了載氣流速外，所有工藝參數對於(yu) 焊道寬度都具有統計學顯著性，而G對穿透深度沒有統計學顯著性影響。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與(yu) 功率密度的函數關(guan) 係

與(yu) 較低功率密度相關(guan) 的光斑尺寸的增加導致了更寬的焊道。這一結果與(yu) 互動時間的增加有關(guan) 。相互作用時間的公式可以表達為(wei) ：

從(cong) 上麵的公式，可以明晰光斑尺寸的增加導致了相互作用時間的增加，並因此導致了襯底上加熱時間的延長。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(cong) 圖2(a)中可以看出，焊道寬度與(yu) 穿透深度類似，隨著表麵上激光功率的增加而增加，這是由於(yu) 熱輸入的增加導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裏並無區別。

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

根據及方差分析結果(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(yu) 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裏並無區別。造成這一結果的原因在於(yu) 激光束和基底之間的相互作用時間較短，由基底材料內(nei) 部的傳(chuan) 導導致的熱傳(chuan) 遞較低，從(cong) 而導致熔池減小。平移速度越低，焊接熔池越大。最終，作用在熔池頂部的表麵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(chan) 生了朝向焊接中心的強材料流，並且由於(yu) 熔融金屬固化非常快，在接頭的側(ce) 麵產(chan) 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(guan) 係——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。這種效果有助於(yu) 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。發現當粉末進料速率從(cong) 5 g/min加倍到10 g/min時，焊道變窄，見圖2(d)。對這一結果的解釋是，速率Q越大，屏蔽激光束的粉末量越大，進而減少了基底金屬對激光能量的吸收，並降低了熔池寬度。

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

方差分析結果僅(jin) 顯示光斑直徑和載氣流速的p值小於(yu) 0.05，這意味著它們(men) 對孔隙率具有統計上顯著的影響。因此，本文沒有分析P、 v、 Q對孔隙的影響。

關(guan) 於(yu) 高功率激光焊接中氣孔起源的主要假設與(yu) 匙孔焊接模式的發展有關(guan) 。在這種狀態下獲得的高功率密度會(hui) 在熔池中產(chan) 生強烈的熱梯度和湍流現象，從(cong) 而將氣體(ti) 截留在熔池中。焊縫對孔隙的高度敏感性是由於(yu) 渦流之間的碰撞，渦流出現在材料內(nei) 部蒸汽氣泡截留風險提高的區域。當光斑直徑較小獲得匙孔模式時，孔隙就會(hui) 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麵: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麵:D)、E)、F)的參數與(yu) A、B和c相同

▲圖5 基於(yu) 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(wei) 0.5 mm的堆焊樣品都出現了多孔隙。這可能是由於(yu) 功率密度增加導致氣化材料的增長。對於(yu) 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果，範圍在0.015%和5.2%之間。這些結果證實了粉末進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。根據方差分析結果(P值= 0.001)，載氣流速影響最終孔隙率。載氣流速從(cong) 5升/分鍾增加到8升/分鍾導致總孔隙率降低。無論有無粉末，這種趨勢都是一樣的。其原因在於(yu) 高載氣流速不僅(jin) 將粉末送至工件上，而且保護焊接區域免受空氣氣體(ti) 的侵入。

4. 案例研究：帶凹槽的板上焊道

在AISI 304不鏽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(wei) 案例研究。

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

表3 凹槽參數

▲圖6 具有一個(ge) 焊道(圖6(a))和具有兩(liang) 個(ge) 焊道(圖6(b))的填充凹槽宏圖

選擇填充凹槽的工藝參數不僅(jin) 可實現“V形”熔融區，還使獲得傳(chuan) 導模式成為(wei) 可能，從(cong) 而避免了孔隙缺陷。從(cong) 圖中可以發現利用兩(liang) 個(ge) 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. 結論

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

※ 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(jin) 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致形成不同的焊接模式、匙孔和傳(chuan) 導。由於(yu) 較低的功率密度，1和2毫米的光斑直徑在傳(chuan) 導模式下產(chan) 生焊縫，而0.5毫米的光斑直徑產(chan) 生匙孔模式；

※ 以0.5 mm的光斑直徑進行的所有堆焊樣品均顯示存在孔隙缺陷；

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

此外，作為(wei) 進一步的研究和應用，在鋼基底上加工凹槽以模擬“V形”倒角，並用兩(liang) 個(ge) 重疊的焊道填充。這項工作的結果使我們(men) 能夠驗證金屬粉末激光焊接的可行性。進一步優(you) 化工藝參數之後，該實驗工作亦可為(wei) 未來奧氏體(ti) 不鏽鋼部件(厚度大於(yu) 2 mm)的激光粉末焊接的應用提供了更多信息。

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