激光功率對(duì)激光-MIG復(fù)合焊焊縫成型影響研究

高 健，陳淑梅, 王克鴻*, 伍道亮,王 磊

(1.南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210094；2.招商局重工(江蘇)有限公司，海門(mén) 226116)

引 言

我國(guó)的船舶行業(yè)正面臨著難得的發(fā)展機(jī)遇，但與發(fā)達(dá)國(guó)家在技術(shù)上尚有一些差距。我國(guó)的造船業(yè)存在很大的發(fā)展空間，不少高科技、高附加值船型、包括天然氣船、大型液化石油氣船、超大型集裝箱船、豪華旅游船等尚處于開(kāi)發(fā)階段。豪華游艇目前已經(jīng)成為世界船舶建造業(yè)的亮點(diǎn)，但是我國(guó)的游艇，包括長(zhǎng)江三峽上的星級(jí)游艇，基本上都是外購(gòu)。大部分船舶企業(yè)的焊接機(jī)械化、自動(dòng)化焊接主要是半自動(dòng)CO2焊、埋弧自動(dòng)焊等，焊接機(jī)器人幾乎等于零，因此處于自動(dòng)化焊接的初級(jí)階段，與日本、韓國(guó)相比存在較大的差距，尤其在機(jī)器人焊接方面存在較大的發(fā)展空間[1-3]。

我國(guó)大部分船廠在焊接厚板時(shí)，一般先要開(kāi)坡口，然后用電弧焊進(jìn)行多層多道堆焊，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且由于增加了大量的熱輸入，容易使板材發(fā)生變形，殘余應(yīng)力也較大。激光焊接具有焊接速度快、穿透能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境污染小、材料變形小、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，但由于純激光光束直徑較小，對(duì)接頭精度要求較高，不能有太大的間隙和錯(cuò)邊量，所以在船舶行業(yè)還沒(méi)有大規(guī)模的使用。激光-熔化極惰性氣體(metal inert-gas,MIG)復(fù)合焊是將激光束和電弧熱源組合在一個(gè)工藝中，消除了兩種焊接方式的缺點(diǎn)并結(jié)合了兩種焊接方式的優(yōu)點(diǎn)[4]，既能保持較高的焊接速度、較大的深寬比，對(duì)接頭又有較高的容忍度。因此，激光-MIG復(fù)合焊被廣泛地運(yùn)用于航空航天、船舶行業(yè)、汽車(chē)行業(yè)等領(lǐng)域[5]。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)中采用厚度為7mm的AH36船舶鋼，具有較高的強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性能、焊接性能，母材屈服強(qiáng)度為401MPa，抗拉強(qiáng)度為555MPa，伸長(zhǎng)率為28%，化學(xué)成分如表1所示。AH36母材的顯微組織如圖1所示?？梢钥闯觯珹H36由大量鐵素體和少量珠光體組成。

Table 1 Chemical composition and content of AH36 ship steel

Fig.1 Microstructure of AH36 base metal

試驗(yàn)中采用的焊絲為1.2mm的ER50-6焊絲，具有良好的剛直度、指向性，其化學(xué)成分如表2所示。

Table 2 Chemical composition and content of ER50-6 welding wire

試驗(yàn)中涉及到的激光-MIG復(fù)合焊設(shè)備屬于龍門(mén)式機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)，采用KUKA KR16型機(jī)器人，光纖激光器為IPG Photonics公司生產(chǎn)，型號(hào)為YLS-10000，光纖直徑為200μm，輸出激光功率最大為10kW，激光波長(zhǎng)為1.064μm，焊機(jī)型號(hào)為T(mén)PS5000，系統(tǒng)整體圖如圖2所示。

Fig.2 Laser welding system of Gantry robot

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光功率對(duì)焊縫成型的影響分析

實(shí)驗(yàn)中采用單一變量法來(lái)研究激光功率對(duì)焊縫成型的影響，試驗(yàn)溫度為室溫，保護(hù)氣體為Ar(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9999)，接頭形式為無(wú)間隙的平板對(duì)接?？刂坪附铀俾蕿?.2m/min，電流為220A，正面保護(hù)氣流量為20L/min。激光功率從4.5kW增大到7kW，每級(jí)增加500W，焊接完成后觀察焊縫的宏觀形貌特征，分析激光功率對(duì)焊縫成型的影響。不同功率的形貌圖片如圖3所示。

Fig.3 Front and back of weld under different laser powers

由圖3可知，在激光功率為4.5kW時(shí)，正面焊縫出現(xiàn)了不均勻塌陷，背面焊縫出現(xiàn)了焊瘤缺陷，焊瘤的分布和焊瘤大小都不均勻，這是由于在焊接過(guò)程中，激光功率不足以完全焊穿7mm的板材，激光和電弧帶來(lái)的能量使板材不均勻熔透，板材底部在熔透時(shí)， 熔池在自身重力下下落，并凝固形成焊瘤，正面焊縫由于填充金屬不足而出現(xiàn)塌陷；在激光功率為5kW時(shí),可以看到，正面焊縫也是有塌陷的現(xiàn)象，且伴有咬邊缺陷，背部出現(xiàn)大小均勻的焊瘤[6]，且焊瘤間的間距也是幾乎相同的，這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，激光能量剛好能夠穿透板材，使板材處于適度熔透狀態(tài)，激光和電弧帶來(lái)的能量使板材周期性的被熔透，當(dāng)板材被熔透時(shí)，熔池在自身重力的作用下下落，形成周期性的焊瘤；當(dāng)激光功率為5.5kW時(shí)，可以看到，焊縫正面沒(méi)有了塌陷的缺陷，正面成型較好，背部沒(méi)有了大焊瘤，只有兩個(gè)小突起，這是因?yàn)榇藭r(shí)，激光能量能夠完全穿透板材，小孔處于打開(kāi)狀態(tài)，隨后，小孔在金屬溶液表面張力的作用下迅速關(guān)閉，襯托住了上面的熔池，所以熔池沒(méi)有下榻，產(chǎn)生小焊瘤的原因可能是因?yàn)榧す馀c電弧能量沒(méi)有匹配好，導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定，在某一點(diǎn)低于穿透板材的能量閾值，形成小焊瘤；當(dāng)激光功率達(dá)到6kW時(shí)，激光與電弧能量匹配較好，焊縫正面和背面均無(wú)明顯缺陷；當(dāng)激光功率為6.5kW～7kW時(shí)，可以看到，焊縫背部有出現(xiàn)焊瘤的傾向，這是由于隨著激光功率的增大，熱輸入量增加，熔融的金屬量增加，熔池底部金屬的表面張力不足以完全拖住上面熔池的重量，所以出現(xiàn)了焊瘤的傾向。

2.2 宏觀形貌分析

通過(guò)系統(tǒng)的工藝試驗(yàn)，得出7mm AH36船舶鋼的最優(yōu)工藝參量為：激光功率6kW，焊接速率1.2m/min，電流220A。最佳工藝參量時(shí)，7mm AH36船舶鋼在不開(kāi)坡口的情況下能一次性焊透，完成單面焊雙面成型，且焊縫成型良好，無(wú)咬邊、未熔合等缺陷，焊縫紋理清晰，焊縫成型如圖4所示。

Fig.4 Front and back weld seam diagram of AH36 laser-MIG hybrid welding a—front b—back

試樣表面經(jīng)硝酸酒精(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03)腐蝕后，得到清晰的AH36對(duì)接焊縫橫截面圖片，如圖5所示。

Fig.5 Cross section of AH36 butt weld

可以明顯地看出激光-MIG復(fù)合焊的典型焊縫特征，上部寬大，呈現(xiàn)倒三角形，下部窄而長(zhǎng)，其原因是焊縫上半部區(qū)域是在電弧的影響下形成的，電弧的能量比較分散，作用范圍較大，所以形成的熔池較寬，焊縫下半部分區(qū)域是在激光作用下形成的，激光的能量密度大，通過(guò)小孔傳遞能量，所以形成的焊縫寬度較小。

2.3 微觀組織分析

激光電弧復(fù)合焊焊接接頭主要分為母材(base metal，BM)、熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)、焊縫(weld metal,WM)3個(gè)區(qū)域，圖6為焊接接頭放大25倍金相圖。圖6a為對(duì)接接頭下半部分激光作用區(qū),圖6b為對(duì)接接頭上半部分電弧作用區(qū)。從兩圖中可以發(fā)現(xiàn),焊縫區(qū)組織成長(zhǎng)方向是兩側(cè)是對(duì)稱(chēng)的，對(duì)稱(chēng)中心線為焊縫中心，大致與熔合線垂直，這是因?yàn)橐簯B(tài)金屬冷卻時(shí)會(huì)沿著溫度梯度最大的方向結(jié)晶，形成柱狀晶，所以會(huì)與熔合線垂直；對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn),圖6a中的熱影響區(qū)明顯大于圖6b中的熱影響區(qū)，這是因?yàn)榧す庾饔脜^(qū)的接頭處是以激光能量為主，電弧能量為輔，激光的線能量密度比電弧大得多，在焊接過(guò)程中實(shí)際的熱輸入量要比以電弧為主激光為輔的電弧作用區(qū)要小得多，所以熱影響區(qū)也體現(xiàn)出上寬下窄的現(xiàn)象。

Fig.6 25× weld image

圖7為焊縫區(qū)放大1000倍顯微組織圖?？梢钥闯?電弧作用區(qū)的焊縫組織由大量板條狀馬氏體、少量貝氏體、少量塊狀鐵素體組成，激光作用區(qū)的焊縫組織由大量板條狀馬氏體、少量貝氏體、微量鐵素體組成。電弧作用區(qū)的板條狀馬氏體組織少于激光作用區(qū)的板條狀馬氏體組織，貝氏體和鐵素體含量多于激光作用區(qū)的。在焊接過(guò)程中，電弧作用區(qū)主要是依靠電弧能量融化金屬，電弧作用范圍較廣，熱輸入量較大，使得液態(tài)金屬在高溫相變點(diǎn)上停留時(shí)間較長(zhǎng)，容易形成粗大的奧氏體組織[7]。在冷卻過(guò)程中，冷卻速度較慢，粗大的奧氏體組織形成板條狀馬氏體、貝氏體和少量鐵素體組織；激光作用區(qū)主要是依靠高能量密度的激光融化金屬，熱輸入量較少，液態(tài)金屬在高溫相變點(diǎn)上停留時(shí)間較短，奧氏體組織來(lái)不及長(zhǎng)大[8]。該區(qū)在冷卻過(guò)程中，溫度梯度較大，冷卻速度快，形成的馬氏體、貝氏體、鐵素體組織細(xì)小。

Fig.7 1000× weld microstructure

2.4 AH36激光-MIG復(fù)合焊接頭力學(xué)性能分析

焊接接頭拉伸試樣根據(jù)金屬材料室溫拉伸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，拉伸試樣均斷裂于母材，說(shuō)明焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度高于母材的抗拉強(qiáng)度，測(cè)得抗拉強(qiáng)度為545MPa，接近AH36船舶鋼抗拉強(qiáng)度的上限值，拉伸性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)船級(jí)社規(guī)范要求。

拉伸焊接接頭拉伸試樣的斷口形貌如圖8所示。斷口處頸縮明顯，斷口表面分布著大部分的等軸韌窩(見(jiàn)圖8a)，小部分孔洞為母材原始缺陷，斷口表現(xiàn)為韌性斷裂(見(jiàn)圖8b)。

Fig.8 Fracture profile of joint tensile specimen

為了進(jìn)一步了解焊縫性能特征，測(cè)試了焊縫的顯微硬度。試驗(yàn)中取焊縫上部區(qū)域距離上表面2mm和焊縫下部區(qū)域距離下表面2mm處各取了21個(gè)點(diǎn)，取點(diǎn)硬度示意圖如圖9所示。獲得了母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)硬度，其硬度測(cè)試值如圖10所示。

Fig.9 Schematic diagram of hardness

由圖10可知，熔合線上顯微硬度約為393HV，熱影響區(qū)顯微硬度約為382HV，焊縫硬度約為385HV，母材硬度約為174HV。AH36激光-MIG復(fù)合焊所得焊接接頭下方區(qū)域的硬度值整體高于上方對(duì)應(yīng)區(qū)域的硬度值；其原因一為焊縫下部與金屬工件臺(tái)接觸，散熱快于焊縫上部，過(guò)冷度大，使得晶粒細(xì)化，強(qiáng)度硬度提高；原因二為焊縫上部分區(qū)域?yàn)殡娀∽饔脜^(qū)，以電弧能量為主激光能量為輔，在電弧熱源的影響下，相當(dāng)于對(duì)焊縫上部分區(qū)域做了一次回火熱處理[9]。而電弧熱源對(duì)焊縫下部分區(qū)域影響很小，所以對(duì)焊縫下部分區(qū)域沒(méi)有回火作用，回火會(huì)導(dǎo)致焊縫硬度降低而塑韌性提高。從微觀組織來(lái)看，焊縫上部分區(qū)域的鐵素體含量要大于焊縫下部分區(qū)域，鐵素體具有良好的塑形和韌性，而強(qiáng)度和硬度較低，所以焊縫上部分區(qū)域的硬度低于焊縫下部分區(qū)域的硬度。

Fig.10 Upper and lower area hardness values of AH36 laser-MIG composite welded butt joint

還可以發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)的硬度略高于焊縫區(qū)硬度，這是因?yàn)樵谌鄢剡吔缣幱休^大的溫度梯度，液態(tài)金屬冷卻速率較快，會(huì)析出細(xì)小的碳化物彌散在基體上[10]，使得熱影響區(qū)的顯微硬度增加。

焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度均大于母材區(qū)，由上述微觀組織分析可知，焊縫區(qū)由大量板條狀馬氏體[11]，少量貝氏體，少量鐵素體組成，而母材是由大量鐵素體和珠光體組成，馬氏體加貝氏體組織比鐵素體加珠光體組織具有更高的強(qiáng)度和硬度[12]，所以拉伸試驗(yàn)中斷裂位置在母材，且焊縫區(qū)硬度比母材硬度高。

3 結(jié) 論

激光-MIG復(fù)合焊以其超高的優(yōu)越性成為了我國(guó)高質(zhì)量船舶制造進(jìn)程中的必備焊接工藝，是我國(guó)從船舶制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的必經(jīng)之路。

通過(guò)使用萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光器及福尼斯TPS5000焊機(jī)對(duì)7mm AH36進(jìn)行了激光-MIG復(fù)合焊工藝試驗(yàn)研究，著重分析了激光功率對(duì)焊縫成型的影響，并對(duì)對(duì)接接頭進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。

(1)背部焊瘤產(chǎn)生的原因是激光的不完全熔透，導(dǎo)致熔池金屬在重力作用下突破底部熔池的表面張力，并冷凝產(chǎn)生了焊瘤。正面焊縫由于金屬溶液的下落，導(dǎo)致正面塌陷。

(2)得出7mm AH36船舶鋼的最優(yōu)工藝參量如下：激光功率6kW，焊接速率1.2m/min，電流220A，在此工藝下焊縫成型良好，無(wú)咬邊、塌陷等缺陷。

(3)激光-MIG復(fù)合焊對(duì)焊接接頭的宏觀形貌呈上寬下窄的特征，電弧作用區(qū)焊縫寬大成倒三角形，微觀組織由大量板條狀馬氏體，少量貝氏體和少量塊狀鐵素體組成，激光作用區(qū)焊縫細(xì)小而狹長(zhǎng)，其中馬氏體含量大于電弧作用區(qū)，所以顯微硬度激光作用區(qū)要高于電弧作用區(qū)。

(4)測(cè)得抗拉強(qiáng)度為545MPa，斷裂于母材處，頸縮明顯，其斷口由大量等軸韌窩組成，為韌性斷裂。