（华中科技大学模具技术国家重点实验室，三峡大学机械与材料学院）

摘要：采用盲孔法研究了CO2 激光焊工艺参数对焊接残余应力的影响，并对激先焊接工件上残余应力的形成过程进行了初步的研究。试验结果表明，激光功率、焊接速度、试板尺寸等困素对残余应力分布情况有明显的影响。
关键词：CO2 激光焊；Q235钢板；焊接残余应力；盲孔法；影响因素
中图分类号：TG404；TG456.7   文献标识码：B

    激光焊接有能量传递方便、热影响区小、焊后变形小、表面光洁、可自冷淬火等显著优点^[1,2]。已有文献报道经激光焊工艺加工的工件上，仍然存在着一定的焊接残余应力，焊缝中最大残余拉应力比常规焊接方法所得接头略低，拉伸应力区却小得多^[3]。然而对激光焊接工艺参数可能引起的焊接残余应力分布变化方面的研究成果却很少，有必要进行该范围内的研究，以保证焊接结构的使用性能。

1 试验方法与材料
1.1 试样材料 Q235钢扳250mm×l00mm×8mm，为提高光束在焊接过程的吸收率，需清除试样表面的油污和铁锈。
1.2 激光焊接装置 激光焊接装置由激光器、导光系统、聚焦系统、配气系统、冷却系统、工件装夹装置及工作台等部分组成，为带有反射系统的 5 kW CO2连续波激光器。在整个试验过程中，功率选定为 1500 W，2 500 W 或3 OOO W，散焦光束直径为 5 mm，激光束以 0.5－1.5 m／min 的焊接速度扫过钢板形成焊道。焊接残余应力通过YJ－22型静态电阻应变仪测量，测点分布如图二，激光从试样的左端扫描至右端。
1.3 试验数据测取 盲孔中心距焊缝轴线 10 mm，由于钻孔时有热量产生引起温升，并需一段时间后方能恢复到初始温度，因此停钻后立即测试的数据并不准确_^[4，5]。在钻孔后 40 min测定数据，直到相邻两次读数相差1~2με或相同时停止测试。

2 试验结果及分析
2.l 激光功率 在其他参数固定不变的情况下（焊接速度为1 m／min，激光焦斑在试件表面，无保护气体），采用激光在试样上扫描的方法考察激光器焊接功率对焊接残余应力的影响。激光功率分别为 15OOW 和 2500W 时试样上测得的焊接残余应力见图2。

    激光功率越低，熔深及焊缝宽度越小。随着功率的增大，残余应力显著增大；由图可知，激光焊工件的残余应力比常规熔焊方法的残余应力要小一些，拉应力分布的区域更是小得多。
2.2 焊接速度 焊接速度直接影响熔深，采用激光在试样上扫描的方法，试验中只改变焊接速度，激光功率固定为 2500W，焦斑在试件表面，无保护气体。测得焊速分别为1 m／min和1.5 m／min 时的焊接残余应力如图3所示。

    功率一定，提高焊速，熔深减小，因为焊接热输入下降。当焊速过低时，熔深不会再明显增加，而焊缝变宽。因而，在一定的速度范围内，功率一定，熔深及焊缝宽度随焊速的加快而减小，焊缝热影响区也会随焊速的降低而变大。随着焊速的提高，焊缝金属减少，对母材的热作用减弱，近缝区焊接残余应力便会显著降低。
2.3 试样尺寸 试样的尺寸（特别是板厚）对残余应力影响很大，很有可能引起三向应力和残余应力的复杂化。当激光功率为2500 W，焊速为5OO mm／min，焦斑在试件表面，无保护气体，只改变板厚，分别测得不同尺寸试样沿焊缝轴线方向测点上的焊接残余应力如图4所示。

    在一定的激光功率和焊接速度下，试样尺寸减小使得试件对焊缝纵向收缩的自拘束能力减弱，试样的纵向残余应力明显减低，而在另一方面，由于其他工艺参数不变的情况下试板上的焊道相对宽度增大，加上试样夹持装置对试板约束相对增大，试板上的横向残余应力超过纵向残余应力，成为主要的应力分量。激光焊接的熔池凝固相当快，后形成的焊道冷却收缩时受到的刚性拘束加大，横向残余应力趋于增加。可见，试样尺寸对激光焊工件的残余应力方面的影响是相当明显的。

3  结论
    （1）激光焊工艺参数对残余应力的值和分布均有显著的影响，在所研究的范围内增加激光焊接功率和试样的几何尺寸时，残余应力趋于增大。由于本文是在焊速比较低（500 mm／min）的情况下研究试样几何尺寸的影响，可能因为试样厚度降低，试板上下温差减小导致母材的塑性压缩量减少或试板自身对焊缝收缩刚性拘束程度减低而导致纵向残余应力的下降[5]。
    （2）激光焊同常规熔焊方法相比，试样上的纵向和横向残余应力值均明显降低，有时在离焊道很近的地方出现了压缩应力，可归结于激光焊加热区域窄，加热时间短，母材的塑性压缩效应可能相当低。
    （3）激光焊接构件的焊接残余应力可能主要与焊缝收缩是否受制约的程度有关，而且工件自身的制约作用较大，不能用传统的“母材中有塑性压缩应变存在导致焊接残余应力产生”机理解释该现象。

参考文献：
[l] Cam G, Kocak M. Santos J F Dos, et al. Developments in laser
welding of metallic materials and characterization of the joints[J].Welding in the World. l999, (2): l3.
[2]吴 军，李 亮. 激光焊接工艺对铝－钢焊接质量影响研究[J]. 焊接技术，2000，（5）：19．
[3]唐慕尧．焊接测试技术［M］．北京：机械工业出版社，1988．
[4]游 敏，张 萍，王福德，等．盲孔法刚定焊接残余应力适宜时间研究[J]. 武汉水利电力大学（宜昌）学报，1999，（1）：54.
[5]游 敏，张 萍，王福德，对接焊缝横向残余应力的调节与控制    [J]．水利电力机械，1998，（6）：31
作者简介：游敏（1958-），男，在职博士生。