激光功率對激光-電弧復(fù)合焊接頭成型的影響

周 宏，冒凱凡，吳泰峰，徐宏偉，劉建峰，馬網(wǎng)扣

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 無錫 214433；3.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005；4.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；5.中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200137)

0 引 言

高強(qiáng)鋼薄板應(yīng)用于船舶制造、汽車制造和航空航天等領(lǐng)域。特別是對于現(xiàn)代化造船來說，薄板焊接結(jié)構(gòu)不僅可滿足船舶營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性要求，而且可完全滿足船舶行駛的強(qiáng)度和剛度。多數(shù)傳統(tǒng)焊接方法均可進(jìn)行薄板焊接，例如：焊條電弧焊(Shielded Metal Arc Welding,SMAW)；熔化極氣體保護(hù)焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)，包括熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Metal Inert Gas Welding,MIG焊)、熔化極活性氣體保護(hù)焊(Metal Active Gas Welding,MAG焊)、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(CO2焊)；鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Tungsten Inert Gas Welding,TIG焊)等[1-2]。但上述焊接方法常出現(xiàn)焊接變形大、試板燒穿、焊縫成型差、焊接效率低、焊縫正面咬邊等問題。激光-電弧復(fù)合技術(shù)將激光與電弧兩種熱源進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)1+1>2的目的[3]。激光-電弧復(fù)合焊(Laser-Arc Hybrid Welding,LAHW)不僅保持激光焊焊接效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且融合電弧焊裝配間隙容忍度大的優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備材料及方法

試驗(yàn)采用德國TruDisk 12002碟片式激光器、KEMPPI A7焊機(jī)和六軸聯(lián)動ABB機(jī)器人操作平臺組成LAHW系統(tǒng)，試板放置于三維柔性焊接平臺，激光器及焊機(jī)參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 激光器參數(shù)

表2 焊機(jī)參數(shù)

焊絲使用1.2 mm的ER70S-6，試板為2塊船用AH36鋼板，尺寸為300.0 mm×50.0 mm，厚度為6.0 mm，焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表3和表4所示。

表3 焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表4 AH36母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在試驗(yàn)中采用LAHW方式對6.0 mm厚的AH36鋼板進(jìn)行焊接，保持焊接速度、離焦量、光絲間距不變，研究不同激光功率的焊縫表面成型規(guī)律。對最優(yōu)參數(shù)的試板制作試樣，觀測宏觀形貌并進(jìn)行拉伸、硬度檢測及對接頭進(jìn)行微觀組織分析。按照《金屬拉伸試驗(yàn)試樣：GB 6397-1986》對試板進(jìn)行拉伸試樣截取，拉伸試樣如圖1所示。為確保數(shù)據(jù)真實(shí)、避免誤差，截取2組試樣并進(jìn)行相同狀態(tài)的拉伸試驗(yàn)，取2組數(shù)據(jù)的平均值作為最終數(shù)據(jù)。

圖1 拉伸試樣

以垂直于焊縫方向?yàn)殚L，平行于焊縫方向?yàn)閷挘褂镁€切割機(jī)制作尺寸為8.0 mm×2.0 mm的試樣，使用砂紙拋光后放入5%的硝酸酒精中浸泡2 h，在顯現(xiàn)橫截面焊縫形貌后分別在母材、焊縫電弧作用區(qū)和焊縫激光作用區(qū)取點(diǎn)進(jìn)行HV1硬度檢測，硬度檢測點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 硬度檢測點(diǎn)分布

同樣使用線切割機(jī)制作尺寸為8.0 mm×2.0 mm的試樣。使用線切割機(jī)沿試板焊縫垂直方向?qū)Π宀倪M(jìn)行切割、制作試樣，使用砂紙對試樣進(jìn)行打磨，將打磨后的試板進(jìn)行拋光，放入水中浸泡、清洗吹干，吹干后立即在金相顯微鏡下對母材、電弧作用區(qū)焊縫、電弧作用區(qū)熱影響區(qū)、激光作用區(qū)焊縫及激光作用區(qū)熱影響區(qū)的顯微組織進(jìn)行觀察和拍照[5]。微觀組織檢測取樣點(diǎn)如圖3所示。

圖3 微觀組織檢測取樣點(diǎn)

2 試驗(yàn)結(jié)果

采用焊接速度為22.0 mm/s、送絲速度為7.5 m/min、光絲間距為3.0 mm的焊接參數(shù)，激光功率為2 600～5 600 W，每級增加600 W共6種工況，焊縫正面和反面宏觀形貌如圖4～圖9所示。由圖4～圖9可看出：各種激光參數(shù)的試板焊縫正面成型基本良好；在激光功率為2 600 W時，焊縫正面余高過高，背面未熔透；在激光功率為3 200 W時，正面剛無飛濺、無咬邊，成型良好，但背面出現(xiàn)焊瘤，成型不穩(wěn)定；在激光功率為3 800 W時，背面徹底熔透，正面成型良好，出現(xiàn)少許飛濺，背面無氣孔、無焊瘤，成型良好；在激光功率為4 400 W時，正反面均成型良好，且較之前更為飽滿平整；在激光功率為5 000 W和5 600 W時，正面出現(xiàn)咬邊、少許飛濺和輕微塌陷，反面余高過高，且出現(xiàn)焊瘤跡象。

3 分析與討論

3.1 焊縫接頭表面成型分析

針對圖4～圖9的各焊縫宏觀形貌進(jìn)行分析。圖4：由于激光功率偏低，激光能量不足以打透鋼板，因此試板背面未熔透或熔透不徹底，弧焊熔化的焊絲不能滲入熔池底部，均堆積在正面，出現(xiàn)熔寬和熔高均偏大的情況。圖5：在激光功率為3 200 W時，試板正好被熔透，焊縫底部張力不能支撐熔池重力，因此焊縫背面出現(xiàn)均勻分布的焊瘤。圖6和圖7：隨著激光輸出功率提高，除焊縫正面的余高會隨之減小、咬邊等焊接缺陷會逐漸消失外，焊縫正面的表面光滑度會有所提升。圖7：激光輸出功率決定焊縫熔深[5]，因此在增加激光功率時，焊縫反面會出現(xiàn)從未熔透到背面余高適中的改變。圖8和圖9：再次增加激光功率，正面熔寬和熔高降低，且出現(xiàn)咬邊、背面余高過大的現(xiàn)象，這是由于激光功率過大，在與弧焊配合時熔深過大，熔池內(nèi)液體整體下移。最終分析得出：加大激光功率可增加小孔效應(yīng)，且對電弧的穩(wěn)定具有較大效果，兩者配合可使焊縫熔深加大；在激光功率為4 400 W、焊接速度為22.0 mm/s、送絲速度為7.5 m/min、光絲間距為3.0 mm時，對6.0 mm厚的AH36鋼板進(jìn)行LAHW，可得到接頭成型良好的焊接試樣。

圖4 2 600 W工況的焊縫宏觀形貌

圖5 3 200 W工況的焊縫宏觀形貌

圖6 3 800 W工況的焊縫宏觀形貌

圖7 4 400 W工況的焊縫宏觀形貌

圖8 5 000 W工況的焊縫宏觀形貌

圖9 5 600 W工況的焊縫宏觀形貌

3.2 橫截面宏觀形貌及微觀組織分析

焊縫在顯微鏡下的整體宏觀形貌如圖10所示。由圖10可看出：焊縫橫截面上面寬、中間窄，下面較中間稍寬，焊縫電弧作用區(qū)、激光作用區(qū)、焊縫熱影響區(qū)和熔合線等清晰可見，焊縫整體呈現(xiàn)LAHW典型的高腳杯形狀；焊縫無明顯補(bǔ)強(qiáng)、未焊滿情況，不存在飛濺、咬邊、裂紋等缺陷[6]。

圖10 焊縫宏觀形貌

母材區(qū)顯微組織如圖11所示。母材區(qū)主要組織為珠光體和鐵素體。

圖11 母材區(qū)顯微組織

焊縫電弧作用區(qū)和激光作用區(qū)的顯微組織如圖12所示。由圖12可看出：焊縫上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)的主要顯微組織皆為鐵素體和馬氏體[7]。

圖12 焊縫顯微組織

焊縫熱影響區(qū)上下半?yún)^(qū)的顯微組織如圖13所示。由圖13可看出：焊縫熱影響區(qū)上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)的顯微組織為珠光體加鐵素體及少量的貝氏體。

圖13 焊縫熱影響區(qū)顯微組織

3.3 力學(xué)性能分析

對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸斷裂位置如圖14所示。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明：2個拉伸試樣焊接接頭的拉伸性能較均勻，室溫狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相差不大，拉伸試樣斷裂位置位于母材金屬，因此證明母材的抗拉強(qiáng)度低于焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，2次試驗(yàn)的母材抗拉強(qiáng)度分別為443 MPa和441 MPa，接頭平均抗拉強(qiáng)度為442 MPa。由于斷裂位置出現(xiàn)在母材上，因此測得的平均抗拉強(qiáng)度為母材強(qiáng)度。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知：成型最佳的LAHW參數(shù)的焊接接頭強(qiáng)度滿足要求。

圖14 拉伸試樣斷裂位置

HV1硬度測試值如圖15所示。由圖15可看出：焊縫接頭上半?yún)^(qū)平均硬度明顯大于下半?yún)^(qū)平均硬度，焊縫上部不與金屬工件臺接觸，散熱快于焊縫下部，過冷度大，使晶粒細(xì)化，強(qiáng)度與硬度提高；熱影響區(qū)上下半?yún)^(qū)硬度對比相差不大；焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度均大于母材。由上述微觀組織分析可知：焊縫區(qū)由大量板條狀馬氏體[8]、少量貝氏體及少量鐵素體組成，而母材由大量鐵素體和珠光體組成，馬氏體和貝氏體組織的強(qiáng)度與硬度高于鐵素體加珠光體組織，因此在拉伸試驗(yàn)中斷裂始點(diǎn)始終處于母材的位置。

圖15 HV1硬度測試值

4 結(jié) 論

(1)采用LAHW技術(shù)焊接6.0 mm厚的AH36鋼板，在激光功率為4 400 W、焊接速度為22.0 mm/s、送絲速度為7.5 m/min、光絲間距為3.0 mm時，可保證鋼板的單面焊接雙面成型，且正反兩面均成型良好。

(2)加大激光功率可增加小孔效應(yīng)，且對電弧

的穩(wěn)定具有較大效果，兩者配合可加大焊縫熔深。

(3)通過晶相顯微鏡觀察，母材區(qū)組織為珠光體和鐵素體，熱影響區(qū)上下半?yún)^(qū)組織均為珠光體、鐵素體及少量貝氏體，焊縫上下半?yún)^(qū)組織均為鐵素體和馬氏體。

(4)試樣拉伸試驗(yàn)斷裂位置始終處于母材，母材平均抗拉強(qiáng)度為442 MPa，最佳工藝參數(shù)的焊接接頭滿足力學(xué)性能要求；焊縫區(qū)HV1硬度值最大，熱影響區(qū)HV1硬度值其次，母材HV1硬度值最小。