艦船用輕合金結(jié)構(gòu)激光焊接研究

禹杭，李瑞峰，劉鴻彥，祁凱，劉彬

(1. 江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 南京寶色股份公司，江蘇 南京 200436)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展以及國家海洋強國戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，艦船對材料的要求越來越高。輕合金，主要是指鋁合金、鎂合金和鈦合金，由于其擁有密度小，強度高，易加工成形，耐腐蝕性能優(yōu)良，耐磨性好等良好的物理化學性能，開始被廣泛地運用于艦船工業(yè)制造中。大型艦船的各類建筑結(jié)構(gòu)如舾裝件等開始大量使用鋁合金，同時，在艦船上雷達的微波組件封裝也用到鋁合金。此外，鋁合金還代替了一部分鋼板作船體材料，不僅可以減重，還可以彌補因鋼材銹損而引起的損失[1]。鎂合金很多用于船用齒輪箱，鈦合金則由于其超強的耐腐蝕性被應用于推進器、熱交換器、冷凝器、核反應堆外殼及配套管道外殼，也被用作研制核潛艇等艦艇的耐壓殼體的材料。輕合金的廣泛運用，又極大地促進了輕合金焊接工藝的發(fā)展。作為輕合金，由于其特有的焊接性能，焊接時有很多難點需要解決，主要集中在氧化、氣孔以及焊接裂紋。

激光焊接技術起源于20世紀60年代，相比于傳統(tǒng)焊接方法，激光焊接技術有著一系列的優(yōu)點如沒有輻射、焊接精度高、焊接效率高、變形小、能量集中等。大量船用金屬材料在使用傳統(tǒng)焊接方法時會發(fā)生變形，而激光焊接技術的重要優(yōu)點之一便是焊接變形小，這是激光焊接技術能夠應用于船舶制造行業(yè)的主要原因。此外，激光焊接技術的應用可以將船舶制造行業(yè)各部分生產(chǎn)整合，節(jié)約大量費用[2]。此外，激光技術用于造船工業(yè)具有如下優(yōu)勢：選材范圍大；焊接速度快；焊接效率高；接頭強度高；焊接精度高；變形小導致整形工作量小[3]。隨著激光焊接技術的變革以及各類激光器的發(fā)展，輕合金材料在船舶制造業(yè)的應用會有更大的前景。

1 常見激光焊接方法

1.1 激光深熔焊

與激光傳導焊本質(zhì)不同，激光深熔焊立足于材料表面直接投射大功率（大于106W/cm2）的激光束，由于激光束的功率較大，所以當激光束直接照射到加工材料表面的時候會產(chǎn)生巨大的能量，這種巨大的熱能直接使金屬表面的金屬變成金屬蒸汽并蒸發(fā)掉，持續(xù)的激光照射使得金屬蒸汽有一個向下的壓力，將金屬表面的張力打破，把熔融金屬吹向四周形成小孔。同時在焊接過程中，小孔內(nèi)部以及金屬上方會形成等離子體，其對激光束起到屏蔽的作用[4]。此外激光束會在小孔內(nèi)進行多重反射，激光能量幾乎被小孔吸收，小孔進一步加深。當金屬蒸汽的壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，便形成一個深度穩(wěn)定的小孔，形成小孔效應。隨著焊接過程的進行，小孔前面的金屬發(fā)生熔化及汽化，熔融金屬向焊接方向的反方向流動到小孔后方，當溫度降至室溫后凝固形成焊縫，這種焊接方式叫做激光深熔焊[4]。

1.2 激光復合焊

由于激光能量利用率低，成本較高，激光焊接的應用受到一定的限制，激光復合焊應運而生。英國Steen教授最先提出激光-電弧復合焊思想，并進行一系列的探索，這一全新的焊接技術發(fā)揮了激光和電弧雙方的優(yōu)勢，同時彌補了各自的不足[5]，使得激光電弧復合焊成為最有發(fā)展前景的先進焊接方法之一。激光電弧復合焊接的特點[5]：1）延緩焊縫凝固時間，能有效減少裂紋、氣孔和咬邊等缺陷；2）有效提高焊縫力學性能及減少焊接裂紋傾向；3）工件的要求如間隙、錯邊及對中等降低。

根據(jù)熱源主導的不同，復合焊接可分為2種形式：一是激光增強電弧復合焊接，以電弧能量占據(jù)主導，加入較低功率的激光，利用激光在焊道上形成的“熱點”牽引電弧，防止電弧的漂移，實現(xiàn)高速焊接。另一種是電弧輔助激光焊接，以激光為主要能量，利用電弧對工件進行預熱，并提高復合焊接的橋接性能，提高焊接效率[6]。目前，研究的主流是電弧輔助激光復合焊接。

2 鋁合金結(jié)構(gòu)的激光焊接現(xiàn)狀

2.1 鋁合金的特點及發(fā)展現(xiàn)狀

鋁及鋁合金由于其耐腐蝕、比強度高等優(yōu)良的物理化學性能被廣泛應用于各個領域，是艦船上代替鋼材減重的理想材料，也是當今所需要的節(jié)能、環(huán)保綠色材料。但是，由于鋁合金熱導率和線膨脹系數(shù)較大，焊接時易產(chǎn)生變形。此外，鋁合金焊接時易氧化和產(chǎn)生氣孔。最早的船用鋁合金采用的是含Ni的Al-Cu系合金，而后經(jīng)過實踐與發(fā)展開始采用Al-Cu-Mg系合金[7]。但是這些合金的共同缺點是不耐腐蝕，極大地限制了他們在船舶制造中的應用。20世紀70～80年代以后，對艦船結(jié)構(gòu)合理化和輕量化的要求使得艦船上的結(jié)構(gòu)開始大量使用鋁合金如舾裝件等[7]。多年來，各國一直在研究開發(fā)鋁制的快速登陸艇的不同設計，作為實施?；芰Φ囊环N手段，強調(diào)快速遠程機動戰(zhàn)，圖1為典型鋁合金船體結(jié)構(gòu)圖。

圖 1 鋁合金船體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1Structure of aluminum alloy hull

2.2 鋁合金激光焊接研究現(xiàn)狀

HUANG L等采用 1050，6061，2A12，5083和5A06鋁合金進行激光焊接試驗，通過高速攝像直接觀察熔池形狀和鎖孔波動[8]。同時建立一個三維模型來研究反沖壓力的變化。通過試驗研究和數(shù)值研究，詳細揭示了焊縫中鎂含量與鎖孔誘導孔隙形成的機理關系，并分析了各種激光焊接中鎖孔誘導孔隙形成的數(shù)量和分布趨勢，如圖2所示。試驗結(jié)果表明，雖然鎂含量會發(fā)生變化，但是鎖孔的形成和鎖孔坍塌的過程相似，不同位置的鎖孔坍塌機制也相同。隨著Mg含量的增加，鎖孔誘導的孔隙度受到抑制，這是由于反沖壓力越高，鎖孔坍塌的頻率越低，而且，鎖孔中部和底部的鎖孔更容易坍塌是焊縫中部和底部孔隙形成的主要因素。

圖 2 不同種類鋁合金激光焊接焊道的縱向截面圖Fig. 2Longitudinal cross-sectional photos of different kinds of aluminum bead using laser welding method

祁俊峰[9]以5083鋁合金為材料，ER5183鋁合金焊絲為填充焊絲進行CO2激光焊的研究。結(jié)果表明，5083鋁合金激光焊縫的顯微組織主要由α相基體和分布在其上的部分分析的β相組成。焊縫的中心是樹枝狀晶體和等軸晶體的混合物。在焊接速度較快的情況下，微觀結(jié)構(gòu)很小。在填充焊絲后，熔池的流動加速，焊道結(jié)構(gòu)更精細，更均勻。焦傳江[10]對鋁合金T形接頭采用激光-電弧兩側(cè)同步焊接方法進行焊接試驗，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，改善接頭設計，成功實現(xiàn)了艦船上T形接頭角焊縫的焊接。WU Q[11]針對鋁合金激光焊接中氣孔率高、穩(wěn)定性差的問題，提出了一種新的焊接方法——聚焦旋轉(zhuǎn)、垂直震蕩光纖激光焊接，提高了焊接效率。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于焦點的旋轉(zhuǎn)部件可以主動調(diào)節(jié)熔池的流動和凝固，使焊接過程更加穩(wěn)定，所以聚焦旋轉(zhuǎn)和垂直振蕩激光焊接可以有效改善焊縫表面形貌。同時，聚焦旋轉(zhuǎn)和垂直振蕩激光焊接可以大大減少焊縫中的氣孔，在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，可以明顯減小氣孔的尺寸和數(shù)量，如圖3所示。

圖 3 不同旋轉(zhuǎn)半徑和垂直振動所得激光焊接焊縫縱截面中的氣孔分布Fig. 3Porosities in aluminum alloy welding bead with different focus rotation and vertical oscillation

3 鎂合金結(jié)構(gòu)的激光焊接現(xiàn)狀

3.1 鎂合金的特點及應用

鎂合金密度很小。由于純鎂強度較低，很少用做結(jié)構(gòu)材料，故一般情況下常以鎂合金的形式在結(jié)構(gòu)中應用。鎂合金具有優(yōu)異的比剛度、比強度和導熱性。此外，鎂合金還具有較好的切削加工性、可回收利用性，被成為21世紀的“綠色”工程材料[12]。但是鎂合金硬度小，耐腐蝕性、康如變形、耐疲勞性和高溫強度差，這些特點制約了鎂合金的發(fā)展，所以通常情況下用于船板的鎂合金主要時Mg-Al-稀土系，如添加稀土元素釔、鉺等，而船用發(fā)動機外殼則是采用的Mg-Al-Zn系鎂合金。在焊接性方面，鎂合金熔點低、熱導率低、熱膨脹系數(shù)大以及易氧化且氧化物熔點較高，因此鎂合金的焊接難度很大，容易產(chǎn)生夾雜和脆性相，同時容易焊接變形和出現(xiàn)熱裂紋[12]。

3.2 鎂合金激光焊接研究現(xiàn)狀

Wahba Mohamed等[13]對3 mm厚AZ91D壓鑄鎂合金進行激光焊對接試驗，探究接頭孔隙的形成機理。研究發(fā)現(xiàn)，所有的焊接試樣都存在大量孔隙，特別是在較高的激光功率和較低的焊接速度下的熔合區(qū)，如圖4所示。在壓鑄鎂合金焊接過程中，保護氣對氣孔的形成有很大的影響，由于保護氣的不足使空氣與熔融鎂相互作用形成氣孔。此外，熔融邊界附近的一些孔隙被拉長或凸起，這是可能由于壓住鎂合金的基體孔隙中原本存在的氣體膨脹而成。

圖 4 AZ91D壓鑄鎂合金在不同激光功率和焊接速度下的焊縫橫截面宏觀圖Fig. 4Cross sectional photos of AZ91D alloy laser beam welded joint at different powder and scanning speed

丁文兵等[14]對AZ91D鎂合金進行CO2激光焊對接試驗。結(jié)果表明，在合理的工藝參數(shù)下，接頭焊縫成形良好，這是因為焊接過程中激光焊接的能量集中，焊接速度快導致焊接熱輸入小以及冷卻速度快。熔池熔融金屬在冷卻的過程中形成較大程度的過冷，此外可以發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)由細小的α-Mg等軸晶體基體組成，而沿晶界由β-Mg17Al12組成，但是其存在著微小氣孔和裂縫等缺陷，同時，也可以看到部分熔化區(qū)的寬度非常窄，焊縫區(qū)附近的晶粒部分熔化，母材附近的晶粒不熔化。Belhadj A等[15]在研究鎂合金的氣流量對焊縫成形的影響是發(fā)現(xiàn)，氣流量增大時，焊縫熔寬也隨之增大，在氣流量較小時，焊縫凝固后極易出現(xiàn)裂紋。MasoudHaroon等[16]對AZ31B鎂合金進行了雙道激光焊搭接試驗的研究。試驗揭示了單次焊接接頭中氣孔產(chǎn)生的原因是鎂合金表面的水分，同時試驗發(fā)現(xiàn)，在雙道焊接時用散焦通道預熱過程中，鎂合金表面的氫氧化鎂被分解成氧化鎂和水，在焊接過程中，水被蒸發(fā)同時可以通過匙孔在聚焦通道焊接過程中逃逸，降低了接頭的氣孔率。此外，由于焊縫內(nèi)氣孔率較低導致激光焊接的雙通道試樣比單通道試樣有更大的搭接剪切拉伸強度。圖7為不同參數(shù)所得AZ31B鎂合金板搭接激光焊接接頭截面。

圖 5 AZ31B鎂合金板搭接激光焊接接頭截面圖Fig. 5Cross sectional photos of AZ31B laser welding lap joint

4 鈦合金結(jié)構(gòu)的激光焊接現(xiàn)狀

4.1 鈦合金的特點及應用

鈦合金作為一種優(yōu)異的海洋金屬，最突出的特點是耐蝕性強、密度低、比強度高、易加工、抗沖擊性能好等優(yōu)異的性能[17]?；阝伜辖鸬膬?yōu)異性能，艦船上大量采用鈦合金，主要有汽輪機主軸、泵、閥門、熱交換器和其他附件[18]。同時，鈦合金由于無磁性，在很強的磁場中也不會被磁化，利用此特性建造的鈦合金艦船特別是核潛艇不容易被對方磁探儀發(fā)現(xiàn)。鈦合金是保障艦船裝備性能和技戰(zhàn)術水平的重要支撐材料，艦船裝備鈦合金是海洋強國戰(zhàn)略的必然選擇[19]，世界各國先后研究開發(fā)了專用的鈦合金系列。雖然鈦合金有諸多好處，但依舊會出現(xiàn)一些焊接問題如接頭裂紋、氣孔以及高溫下極易與氧、氮、氫發(fā)生反應，這值得深入研究。

4.2 鈦合金激光焊接研究現(xiàn)狀

激光焊接技術愈發(fā)成熟，被廣泛地運用于鈦合金焊接制造中。Ruifeng Li等[20]利用激光焊和激光-MIG復合焊對Ti-Al-Zr-Fe鈦合金對比性試驗，系統(tǒng)分析了兩者焊接方法的差異對焊接接頭焊縫外觀、界面微觀結(jié)構(gòu)和力學性能的影響，有助于更好地理解激光焊和激光MIG復合焊對Ti-Al-Zr-Fe鈦合金接頭性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)在較優(yōu)的工藝參數(shù)下，焊接接頭都沒有如氧化，裂紋，孔隙等缺陷，且激光MIG復合焊可以通過填絲禍增加熱輸入來改善焊縫的形成，圖6為激光焊與激光-MIG復合焊接頭橫截面輪廓。此外，通過彎曲試驗表明，激光-MIG復合焊的焊接接頭的彎曲角度更高，且有著更好的強度和延展性。

圖 6 激光焊與激光-MIG復合焊接頭橫截面輪廓Fig. 6Cross-sectional profile of laser welding and laser-MIG hybrid welding Ti-alloy joint

Jipeng Shi[21]研究了不同CO2含量的保護氣對鈦合金TA15激光-TIG復合焊對鈦合金焊縫外觀的成形影響，同時揭示了CO2對熔池表面氧化的影響，如圖7所示。試驗結(jié)果表明，存在少量CO2的氬氣保護氣體可以顯著改善焊縫形成，CO2濃度從0%提高到3%，能抑制咬邊缺陷，焊趾處過渡平穩(wěn)。CO2含量的增加能使焊縫表明氧化層厚度增加，氧化層的存在可以保護熔池不受保護氣體和等離子弧的影響，使焊縫中的氧含量保持穩(wěn)定，同時可以防止熔池自由移動，改變?nèi)鄢氐男纬伞Ｍ趺舻萚22]對鈦合金T形接頭進行了TIG焊和激光-電弧復合焊的對比性研究。結(jié)果顯示，激光電弧復合焊的焊縫微觀組織、焊縫成形以及生產(chǎn)效率是優(yōu)于TIG焊的。此外，激光電弧復合焊的熱影響區(qū)晶粒長大傾向較小，疲勞性能優(yōu)良，接頭強度高。江南造船廠的查其友[23]以板厚為4 mm的Ti70和16 mm的TA5兩種鈦合金為焊接對象，對等離子弧焊（PAW）、激光焊（LW）及激光-MIG（LW-MIG）復合焊3種高能量密度高效率的鈦合金焊接方法進行了初步的工藝探索。試驗結(jié)果表明，激光焊接和激光-MIG復合焊接的接頭質(zhì)量較好。由于其自動化程度及焊接效率較高，在船舶制造領域有大規(guī)模應用的前景。此外，嘗試了利用高功率激光焊接的深熔效，成功地對4 mm Ti70板+16 mm TA5板的釘形結(jié)構(gòu)進行了焊接，這為今后的船舶設計擴大了設計范圍。

圖 7 不同CO2含量下的保護氣對接頭表面氧化層的影響Fig. 7Oxidation layer onjoint surfacewith different CO2 additions

5 結(jié) 語

輕合金（鋁、鎂、鈦）作為一種十分理想的艦船用材料，根據(jù)各自的材料特點使用后可以大幅度提升降低艦船裝備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在實現(xiàn)艦船高機動性的同時，還可以保障其高可靠性和安全性，與傳統(tǒng)材料艦船相比，既實現(xiàn)了同壽命服役，極大地降低艦船裝備的維護時間和成本，又能保障裝備的戰(zhàn)斗力。但是，對于艦船上輕合金結(jié)構(gòu)激光焊接，我國還很大程度上處于起步階段，還有很多的焊接問題亟待解決，如若能抓住機遇，應用前景將更加廣泛。