二氧化碳压缩机排气消音器激光焊接技术研究

二氧化碳压缩机是近年来逐渐被人们所重视的一款环保型产品，其工况有别于传统冷媒压缩机，工作时的高压部分压力约12 MPa，而一般常规压缩机仅2 MPa左右。因此，对处于高压部位的排气消音器部件来说，焊接要求较高。在常规压缩机生产过程中，消音器部件多使用熔化极气保护焊、钎焊、隧道炉焊接等工艺，但这些方法有的焊后变形严重、表面氧化皮较难去除，有的焊接效率低，或焊接过程中使用较污染的助焊剂等对人体有害的化学物质[1]。目前使用中的消音器部件采用的焊接工艺为隧道炉钎焊，虽然过程简单，但能源消耗大，助焊剂中的有毒成分对人体健康危害严重。

本文针对活塞往复式二氧化碳压缩机排气消音器部件的零件工况，提出使用激光焊接的工艺方法，从而得到外形美观、熔深稳定、工艺性好的焊接零件。

1 焊接试验装置

本次激光焊接所使用的激光发生器是HJ-3000型CO2激光器，其最大输出功率为3000 W。焊接时，工件用三爪卡盘夹具固定，并将夹具固定在DJS-II型多功能激光数控加工机床上，通过调整机床的X、Y轴坐标位置，令焊接时的激光焦点落在工件焊缝上。由于工件焊缝是圆周状的，故在焊接时，采用激光发生器固定不动、工件绕轴心旋转的方式。使用可调速伺服电动马达进行驱动，令夹具卡盘绕夹具轴心旋转，实现激光焊接焦点在焊接过程中始终聚焦在焊缝圆周上（图1）。

图1 激光焊接夹具整体结构

2 焊接试验工件的制备

排气消音器部件的材料为SPCE，其含碳量为0.1%，属于低碳钢，具有较好的焊接性，焊接前后不需进行特别处理[2]。

将排气消音器的上、下端分别插入成部件状态（图2）。消音器部件的焊接区域是上端与下端的连接处，坡口尺寸为C1，消音器壁厚为1.6 mm。

图2 消音器部件压装示意图

3 焊接工艺试验

焊接时，使用3种激光焊接工艺：本体直接焊接、送丝焊接及送粉焊接。焊丝选用直径1.2 mm的气保焊用碳钢焊丝，其熔点约1500℃；金属粉使用Ni45镍基自熔合金喷焊粉，其熔点为980～1050℃，硬度为45 HRC。

根据公式可知，焊接线能量Q与焊机输出功率P成正比，与焦点直径尺寸D、焊接线速度V成反比[3]。由此，在焊接试验中，分别调整对比焊接离焦量、焊接速度（马达转速）、焊机输出功率、工件与激光源的角度，得出最优化的焊接工艺参数（表 1）。

表1 焊接工艺参数

4 焊接力学性能测试

根据消音器部件的尺寸，承受压力的截面圆径为26.8 mm，工件在工作时设计的可耐受压力为28.8 MPa，由此可得满足耐受压力的最小机械强度：

即当消音器部件顶出的破坏机械力＞16.5 kN，理论上就能承受包括压缩机极限状态下的任何静态压力。

将焊接后的消音器部件切割去除下盖顶端部分，再与拉伸夹具一起放在CHT4305液压式万能试验机上，并将消音器部件外缘夹紧，用顶伸夹具对消音器部件顶端进行破坏力试验（图3）。

图3 破坏力受力分析

试验结果表明，在3种不同的焊接工艺状态下，破坏力曲线都与位移的增加呈线性关系，直至破坏，中间无明显的屈服过程。这是因为相比常规的拉伸试验料棒，消音器部件的整个焊缝宽度较小，间隙最小处仅0.025 mm，相对于消音器本体材料壁厚1.6 mm而言是极小的。因此，即便在拉力试验过程中，将拉伸速度调至很慢，当达到足够的破坏力时，焊缝会瞬间断裂，而不会进入一般机械拉伸的屈服阶段[4]。从表2可看出，3种焊接状态的消音器部件，最终的破坏力都高于16.5 kN；而从绝对值数据来比较，依次为送粉＞本体＞送丝。

表2 破坏力结果

5 焊缝截面分析

从图4a所示截面图可看出，本体焊接的焊缝熔池深度小于但接近母材本体的壁厚，外表面形成一个向内凹的圆弧。

从图4b可看出，送丝焊接的熔池深度明显小于母材本体的壁厚，且在焊料熔化与母材熔化的区域中间有一个较明显的空洞。由于送丝的焊料半径为1.2 mm，母材的坡口尺寸是一个45°的倒角，焊料固定在坡口上，未焊接时就已形成一个较大的间隔空间，这使激光加热在焊料与母材上时，热量需分别熔化两者，从而在该区域形成目视可见的空洞。

从图4c可看出，送粉焊接的截面是3种焊接工艺中最饱满的，其内部的熔池深度也最大，略超过母材壁厚。由于有外来填粉的补充，所以在熔化后的焊缝处形成一个向外凸的圆弧，熔池的深度与母材本体的厚度相当，形成较理想的熔池状态[5]。

图4 不同焊接工艺的消音器部件截面图（5×）

6 焊接微观组织及硬度分析

因为激光焊接焦点集中，加热速度快，易形成较大的温度梯度，所以在不同区域，晶粒的大小结构不尽相同[6]。由于焊接工艺不同，本体焊接、送丝焊接、送粉焊接的微观金相组织也不同。采用DFC295/LAS型金相显微镜观察3种焊接工艺的微观组织形貌。

图5是本体焊接时的微观放大图。可看出，1区域为焊缝区域，其显微组织为长大后的白色铁素体。5区域也为焊缝区域，但该区域的晶粒最细小，组织最致密，这是因为激光焊接与中心倾斜30°，正好沿此方向进行加热，激光有极强的穿透力；该区域的显微组织是精细的白色铁素体。2、4、6区域为热影响区，这些区域的散热条件比1区域好，故虽然受到的焊接热量不及1区域，但晶粒大小与1区域相比差别并不大；该区域的显微组织也是长大后的白色铁素体。3区域为母材区域，从图中可看出，母材区域的晶粒比焊缝区域大，比热影响区小，且仍保持以原态白色铁素体形式存在。

此外，在消音器上、下端中间（图5所示框选部分），由于焊接后零件变形和急速冷却的原因，焊接熔化后的熔池并没有将该区域完全填充，形成了一个真空区域，易形成力学上的应力集中[7]。

图5 本体焊接时的微观组织形貌（500×）

图6 是送丝焊接时的微观放大图。可看出，1区域为焊丝熔化所在的焊缝，因为此次焊接所使用的焊丝材质为10号钢，与消音器部件的零件材料基本接近，所以从微观组织也可看出两者冶金熔合的情况较理想；该区域的组织为白色的铁素体。5区域也为焊缝区域，该区域的晶粒度相比1区域更细致；该区域的组织也为白色铁素体。2、4、6区域为热影响区，这些区域的晶粒度相比1区域更大；该区域的组织为白色铁素体。3区域为母材部分，因为没有经历过晶粒再生长过程，故晶粒度较小；该区域的组织也为白色铁素体。

如前所述，在焊缝中有一个较明显的空洞（图6所示框选部分），这是因为在焊接前，焊料与本体形成的一个较大空隙，而焊接时的能量不足以将焊料充分熔化后填充完全，从而在焊接后形成了较大的真空，且明显大于本体焊接的空隙[8]。

图6 送丝焊接时的微观组织形貌（500×）

图7 是送粉焊接时的微观放大图。可看出，1区域为镍基粉的熔化焊缝区域，与金属机体形成了良好的冶金熔合。5区域因为焊接角度和焦点聚焦的关系，晶粒度较细致，组织为白色铁素体。2、4、6区域为热影响区，晶粒度较大，组织为白色铁素体。3区域为母材，没有晶粒长大的原始晶粒，组织为白色铁素体。

从图7可明显看出，送粉焊接的焊缝填充性能极好。在与零件基体有效熔合的同时，还将消音器部件的零件间隙较好地填满[9]。

图7 送粉焊接时的微观组织形貌（500×）

从图8所示的硬度分布来看，送粉焊接时，在焊接熔池区域及附近的显微硬度均明显高于本体焊接及送丝焊接，该硬度测量结果也与之前拉伸破坏力的试验结果吻合。

7 结论

本文提出采用激光焊接取代传统隧道炉钎焊，得出以下结论：

（1）消音器部件激光焊接中，本体焊接最优参数为：激光功率1000 W，离焦量80 mm，转速1档，工件角度30°。送丝焊接最优参数为：激光功率1500 W，离焦量80 mm，转速1档，工件角度30°。送粉焊接最优参数为：激光功率1500 W，离焦量80 mm，转速 1档，工件角度 30°。

（2）无论使用本体焊接、送丝焊接还是送粉焊接，焊接的破坏力都大于消音器部件工作时的设计耐压极限，焊接强度依次为送粉＞本体＞送丝。从对焊缝截面的显微硬度分析得出，填充质量依次为送粉＞本体＞送丝。故综合判定送粉焊接是最优焊接工艺。

（3）激光焊接过程中，没有使用助焊剂，也可不需保护气体，在同样满足产品性能要求的前提下，焊接作业环境比传统的隧道炉焊接大为改善。

图8 不同焊接工艺的消音器部件硬度分布