海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)鋼電弧與激光鍛造復(fù)合焊接修復(fù)工藝研究

蔡文龍 ，張永康 ，孫澤永 ，，劉健航 ，吳壽橋 ，范運(yùn)鵬

（ 1. 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2. 廣東雷錛激光科技有限公司，廣東佛山528225；3. 陽(yáng)江市高新投資開(kāi)發(fā)有限公司，廣東陽(yáng)江 529533 ）

21 世紀(jì)是海洋世紀(jì)，海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用已成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，世界主要海洋國(guó)家都在加強(qiáng)海洋資源開(kāi)發(fā)裝備的技術(shù)儲(chǔ)備，而我國(guó)對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)主要集中在近海[1]。 黨的十八大提出“提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的國(guó)家戰(zhàn)略。 根據(jù)習(xí)總書(shū)記的講話[2]，“海洋事業(yè)關(guān)系民族生存發(fā)展?fàn)顟B(tài)”，要“加快培育海洋工程制造業(yè)這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”，并“使海洋經(jīng)濟(jì)成為新的增長(zhǎng)點(diǎn)”。 因而，發(fā)展高端海洋工程裝備、 推動(dòng)海洋經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，已成為我國(guó)的迫切需要。 但是海洋鉆井平臺(tái)作業(yè)環(huán)境惡劣，對(duì)海洋平臺(tái)用鋼有很高的要求[3-4]。 E690 海工鋼屬于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼， 常用在大型海洋平臺(tái)上，會(huì)隨著長(zhǎng)時(shí)間的海水腐蝕、風(fēng)力侵蝕出現(xiàn)裂紋、氣孔等損傷， 從而在海洋平臺(tái)上出現(xiàn)寬而深的焊縫，若用電弧焊接會(huì)產(chǎn)生氣孔、 裂紋及未焊透的現(xiàn)象，而采用多道多層焊接又會(huì)造成資源浪費(fèi)、增加生產(chǎn)成本。 為確保焊縫質(zhì)量，避免出現(xiàn)裂紋氣孔，采用激光焊接技術(shù)對(duì)于海工裝備的發(fā)展至關(guān)重要[5]。

20 世紀(jì)70 年代，Steen 將激光焊和電弧焊疊加在一起同時(shí)焊接一道焊縫，得到高質(zhì)量焊縫，由此提出了激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)[6]。 目前的復(fù)合焊接技術(shù)都是兩種熱源耦合進(jìn)行焊接或用激光與兩種電弧熱源進(jìn)行耦合焊接，這類方式可以對(duì)一般板材進(jìn)行單道焊接，但是易發(fā)生彎曲變形，增加了熱輸入[7]。 為了進(jìn)一步減少變形與氣孔的產(chǎn)生，增加焊縫的熔深熔寬是目前激光電弧復(fù)合焊接亟待解決的問(wèn)題[8]。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

如圖1 所示，試驗(yàn)采用脈沖鍛打激光器和自行設(shè)計(jì)的數(shù)控電弧焊接一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進(jìn)行水平焊接與旋轉(zhuǎn)焊接，并可調(diào)節(jié)電流電壓與送絲速度。 制冷系統(tǒng)采用激光冷水機(jī)，在焊接過(guò)程中需要釋放冷水，避免焊槍由于溫度過(guò)高而燒壞；保護(hù)氣為Ar+CO2焊接混合保護(hù)氣，流量為20 L/min。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)絲杠向前移動(dòng)，手動(dòng)將焊槍移至工件附近處，通過(guò)焊接系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕對(duì)工件與焊槍距離進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

圖1 自動(dòng)焊接設(shè)備簡(jiǎn)圖

1.2 試驗(yàn)材料與方法

焊接試驗(yàn)選擇E690 海工鋼鋼板作為材料，尺寸150 mm×120 mm、厚度15 mm 的矩形鋼板，焊絲采用1.6 mm 的高硬度耐磨焊絲，通過(guò)CO2/MAG 送絲裝置進(jìn)行輸送。 采用MAG 電弧焊接可有效提高熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性，穩(wěn)定陰極斑點(diǎn)，增大電弧熱功率，減少焊接缺陷并降低焊接成本。

在焊接試驗(yàn)前，將工件進(jìn)行切槽，通過(guò)切槽模擬焊縫，再對(duì)焊縫處進(jìn)行焊絲填充[9]。 焊接試驗(yàn)后將工件切割成小塊，方便后續(xù)的觀察和測(cè)量，經(jīng)過(guò)打磨、拋光和金相腐蝕后進(jìn)行測(cè)定[10]。硬度通過(guò)數(shù)字式顯微硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，殘余應(yīng)力通過(guò)X 射線殘余應(yīng)力測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定， 焊縫的3D 形貌通過(guò)激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行測(cè)定。

2 電弧與激光鍛造復(fù)合焊接修復(fù)研究

2.1 焊接基本原理

如圖2 的焊接示意圖，在焊接開(kāi)始時(shí)，電弧焊接與激光沖擊鍛打同時(shí)進(jìn)行， 電弧在熔池凝固之前，脈沖激光束利用沖擊波的力效應(yīng)直接作用在電弧焊接的修復(fù)層溫度區(qū)，兩者相互作用，直至焊接修復(fù)完成。

圖2 電弧與激光鍛造復(fù)合焊接示意圖

2.2 硬度分析

分別采用單道電弧焊接、多道電弧焊接和復(fù)合單道焊接三種方式，對(duì)厚度為15 mm 的海工鋼板分別焊接并進(jìn)行硬度測(cè)試，在顯微鏡下觀察出現(xiàn)菱形狀壓痕，說(shuō)明硬度測(cè)試正常。 在焊接區(qū)和基體區(qū)施加的載荷分別為 1000 gf 與 500 gf， 當(dāng)載荷大于1000 gf 時(shí)，壓痕面積大于顯示屏面積，不能精準(zhǔn)測(cè)量硬度值；當(dāng)載荷小于500 gf 時(shí)，壓痕不是規(guī)則菱形，因此載荷為1000 gf 與500 gf 為最優(yōu)值。 測(cè)試時(shí)間為10 s，焊接區(qū)與基體區(qū)的硬度測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖 3、圖 4。

由圖3 可見(jiàn)， 在焊接區(qū)的三種焊接方式中，硬度最大的為多道電弧搭接，平均值為728.6HV，最大值出現(xiàn)在第三點(diǎn)位的770HV，也是三種焊接方式的最大值， 這是由于第三點(diǎn)位正是在搭接的內(nèi)部，經(jīng)過(guò)多道搭接，使得硬度較高；單道電弧焊接與單道復(fù)合焊接的平均值分別為613.5HV 和696.3HV。 由圖4 可見(jiàn)，采用電弧與激光鍛造復(fù)合焊接修復(fù)方式所得工件的基體區(qū)硬度最大，最大值為301.2HV，這相比于焊接區(qū)的硬度減小了很多，這是由于焊接區(qū)采用高硬度耐磨焊絲，其硬度較高；電弧焊接和多道搭接的最大硬度值分別為192.5HV 和289.7HV，小于復(fù)合焊接的硬度值，這是由于電弧與激光二者熱力耦合作用，增加了工件的表面硬度。 試驗(yàn)證明，電弧與激光鍛造復(fù)合焊接后的硬度值遠(yuǎn)大于電弧焊接，也增強(qiáng)了工件的力學(xué)性能。

圖3 焊接區(qū)硬度分析圖

圖4 基體區(qū)硬度分析圖

2.3 殘余應(yīng)力分析

殘余應(yīng)力是檢驗(yàn)工件力學(xué)性能的重要指標(biāo)，判斷工件是否具有殘余壓應(yīng)力。 將電弧焊接與電弧激光鍛造復(fù)合焊接做對(duì)比，分別在其焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)對(duì)焊接件進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，得到的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，無(wú)論是電弧焊接還是電弧與激光鍛造復(fù)合焊接，殘余應(yīng)力都是負(fù)值即都存在殘余壓應(yīng)力，對(duì)工件的抗疲勞性起到加強(qiáng)的效果。 圖中第一點(diǎn)位為焊縫區(qū)，第二點(diǎn)位為熱影響區(qū)，第三點(diǎn)位為母材區(qū)， 最大殘余壓應(yīng)力點(diǎn)都處于焊縫區(qū)，這是由于焊縫區(qū)是改變其力學(xué)性能和抗疲勞性能的最佳區(qū)域；電弧焊接、電弧與激光鍛造復(fù)合焊接最大殘余壓應(yīng)力分別為-122.1、-232.5 MPa；復(fù)合焊接的殘余壓應(yīng)力接近于電弧焊接的2 倍，是由于脈沖激光束利用其自身的力效應(yīng)在焊縫區(qū)內(nèi)對(duì)固液共存的熔池進(jìn)行快速鍛打，也證明了兩者的熱力耦合作用起到了加強(qiáng)效果， 改變了鋼板的抗疲勞能力，進(jìn)一步增加工件的疲勞壽命。

圖5 殘余應(yīng)力分析圖

兩種焊接方式在熱影響區(qū)和母材區(qū)的殘余應(yīng)力都有所下降，由于利用脈沖的力效應(yīng)，不存在熱輸入情況，因此向下面區(qū)域熱輸入傳輸較少，主要集中在焊縫區(qū)進(jìn)行激光沖擊鍛打，對(duì)熱影響區(qū)和母材區(qū)影響較小，也證明了減少熱輸入，工件的變形量也相應(yīng)減少，因此大大增加了力學(xué)性能。

2.4 3D 形貌分析

通過(guò)3D 形貌分析可以觀察電弧焊接和復(fù)合焊接的截面情況，通過(guò)激光共聚焦顯微鏡觀察兩種焊接方式的表面形貌，如圖6 所示。 可見(jiàn)，電弧焊接的氣孔比較多，一共有3 個(gè)氣孔，宏觀上看，第三個(gè)氣孔最大最深。

圖6 兩種焊接斷面形貌

圖7 是電弧焊接的X、Y 剖面線測(cè)量所得的形貌圖，可見(jiàn)孔的最深位置在中心線偏下一側(cè)，最深為 227 μm。 X、Y 剖面線誤差為 2 μm，因此測(cè)量較為準(zhǔn)確。

圖7 電弧焊接的剖面線測(cè)量圖

圖8 是復(fù)合焊接的X、Y 剖面線測(cè)量所得的形貌圖，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)電弧與激光沖擊鍛打復(fù)合焊接后氣孔明顯有所改善， 氣孔深度與氣孔面積均減小，氣孔深度由 227 μm 減小至 187 μm，由此證明，電弧與激光鍛造復(fù)合焊接修復(fù)可以減少工件氣孔、增加抗疲勞性能。

圖8 復(fù)合焊接的剖面線測(cè)量圖

3 結(jié)論

通過(guò)電弧焊接和電弧與激光鍛造復(fù)合焊接兩種焊接方式對(duì)海工鋼板進(jìn)行焊縫修復(fù)，并通過(guò)硬度測(cè)試、殘余應(yīng)力測(cè)試、3D 形貌觀測(cè)，得到以下結(jié)論：

（1）分別對(duì)電弧單道焊接、電弧多道焊接以及復(fù)合焊接的工件進(jìn)行硬度測(cè)試，三者的硬度平均值分別為 613.5HV、728.6HV 和 696.3HV。 其中，電弧多道焊接的硬度值最大，電弧與激光鍛造復(fù)合焊接較電弧單道焊接的硬度值更大。

（2）將電弧焊接與電弧激光鍛造復(fù)合焊接做殘余應(yīng)力測(cè)試對(duì)比，結(jié)果表明，電弧與激光鍛造復(fù)合焊接最大殘余壓應(yīng)力為-232.5 MPa， 而電弧焊接最大殘余壓應(yīng)力為-122.1 MPa， 復(fù)合焊接的殘余壓應(yīng)力接近于電弧焊接的兩倍。

（3）通過(guò)激光共聚焦顯微鏡觀察兩種焊接方式的表面形貌，經(jīng)過(guò)電弧與激光沖擊鍛打復(fù)合焊接后氣孔明顯有所改善， 氣孔深度與氣孔面積均減小，氣孔深度由原來(lái)的227 μm 減小至187 μm。