海上風電管類零件的電弧焊復合激光沖擊鍛造修復試驗

屠 艷，李國銳，謝地輝，張永康*

(1.啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226259；2.廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

隨著對新能源需求的日益增長，世界各國都在大力發(fā)展海上風電，以至于海上風電裝備需求量急劇上升[1-3]。其中，浮式風機是深海風電的常見裝備，但其長期在惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè)，會受到風浪的沖擊和海水的腐蝕，管類零件易產(chǎn)生疲勞裂紋、磨損、腐蝕等失效形式[4-5]。若不及時對其進行修復，風機易發(fā)生損壞，甚至傾斜，從而失去發(fā)電功能[6-7]。目前，管類零件修復后的熔覆層存在較多的裂紋、氣孔等缺陷，這嚴重削弱風電平臺的疲勞壽命[8-9]。因此，研究高性能的修復技術迫在眉睫。

近年來，國內(nèi)外學者針對零部件的修復有較多研究。封慧等[10]采用激光熔覆技術在45#鋼板表面制備鐵基激光熔覆層，對發(fā)動機曲軸進行再制造修復，并進行熔覆層金相組織和硬度測試，結果表明，熔覆層與基體的結合性能良好，且熔覆層硬度比基體提高2～3倍。姚喆赫等[11]在激光修復鎳基高溫合金V形槽的過程中引入超聲振動，進行數(shù)值模擬和金相組織分析，結果表明，超聲振動的引入有效改善激光修復區(qū)的顯微形貌和力學性能。于群等[12]采用數(shù)值模擬和試驗，研究在激光增材制造Ni45合金過程中外加磁場對凝固組織性能的影響，結果表明，外加磁場可細化合金成形體的凝固組織，提高熔覆層的硬度和摩擦磨損性能。談睿等[13]采用激光電弧復合焊接對304不銹鋼板進行單道焊接成型，分析焊接速度對焊接接頭成型的影響，結果表明，焊接速度過大或過小都會產(chǎn)生底部駝峰。YANG等[14]先對5A06鋁合金進行激光電弧復合焊接，再用超聲噴丸工藝改變焊接接頭的表面質(zhì)量，結果表明，超聲噴丸可細化晶粒，提高表面硬度和耐磨性。

電弧焊復合激光鍛造是一種新型復合修復工藝，是在電弧焊接修復的同時加入一束高能量的脈沖激光進行沖擊鍛打，以減少熔覆層內(nèi)的裂紋、氣孔等缺陷，從而提高熔覆層的力學性能。目前，國內(nèi)外對此技術的相關報道較少。本文以Q235鋼管為修復試樣，采用電弧焊復合激光鍛造對其表面進行熔覆，研究激光沖擊頻率對焊道表面形貌、顯微組織和顯微硬度的影響，同時對電弧焊與電弧焊復合激光沖擊鍛造進行修復性能的比較，以證明電弧焊復合激光沖擊鍛造的有效性。

1 試驗方法

試驗母材為Q235鋼管，其外徑為120 mm，內(nèi)徑為90 mm。以直徑為1.6 mm的YD998焊絲作為修復材料。母材和焊絲的主要化學成分(質(zhì)量分數(shù))如表1所示。在對鋼管進行修復前，先用磨床打磨去除鋼管表面的銹跡和氧化膜，使熔覆層與母材具有良好的結合強度。圖1為電弧焊復合激光沖擊鍛造示例。試驗中采用的電弧焊設備為LINKEN的NBC-500A型氣保焊機，激光沖擊設備為廣東鐳奔科技有限公司自主研發(fā)的波長為1 064 nm、脈寬為6 ns、能量為1 J、光斑直徑為5 mm、頻率為1～10 Hz的固體激光器，通過自主研制的控制器和焊接裝置進行復合。在修復過程中，焊槍與水平面保持15°，激光束垂直照射在鋼管表面，兩者皆固定不動。鋼管由爪盤固定在三軸工作平臺上，由控制器控制三軸工作平臺旋轉(zhuǎn)移動。電弧保護氣體為95%Ar+5%CO2，氣流量為15 L/min，保護氣體從焊槍口中噴出。電弧焊復合激光沖擊鍛造工藝參數(shù)如表2所示。

表2 電弧焊復合激光沖擊鍛造工藝參數(shù)

圖1 電弧焊復合激光沖擊鍛造示例

表1 Q235鋼管與YD998焊絲的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

在焊接修復完成后，采用線切割在焊縫橫截面切割試樣，經(jīng)過鑲嵌、研磨、拋光制備金相試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕90 s。利用OLYMPUS OLS4100激光共聚焦顯微鏡觀測焊縫截面形貌并測量熔深、熔寬和余高，用Zeiss Primotech光學顯微鏡和HITACHI TM3030臺式掃描電子顯微鏡觀測焊縫形貌和微觀組織，用HVS-1000Z型數(shù)顯顯微維氏硬度儀測試焊縫截面顯微硬度。顯微硬度的測試點位置如圖2所示。

圖2 顯微硬度測試點位置

2 結果與分析

2.1 激光沖擊頻率對焊縫形貌的影響

激光沖擊頻率是電弧焊復合激光沖擊鍛造的一個重要參數(shù)，決定激光產(chǎn)生的沖擊波對熔池作用的程度。圖3～圖11為不同激光頻率下焊縫的表面形貌和截面形貌。由圖3～圖11可知：當激光沖擊頻率較小時，焊道表面相對平整，但焊道紋路分布雜亂，不夠均勻，且存在大量飛濺物，這是由于激光作用在熔池的時間間隔較長，在焊接速度一定時，激光搭接率很小甚至沒有，此時激光產(chǎn)生的沖擊波作用使熔池中的金屬溶液呈不規(guī)則流動，從而造成焊縫表面紋路分布不均勻，且焊縫內(nèi)部存在較多的氣孔；隨著激光沖擊頻率的增高，焊道表面變得均勻平整，呈規(guī)則魚鱗狀，且焊縫內(nèi)部無明顯的焊接缺陷，這是由于隨著激光沖擊頻率的增高，激光作用在熔池的時間延長，激光的搭接率增大，在激光沖擊波和電弧力的作用下，熔池內(nèi)的金屬液體呈規(guī)則性的流動，從而使焊縫表面紋理分布較均勻；此外，在激光沖擊波的作用下，熔池內(nèi)金屬液體的流速會加快，促進熔池內(nèi)氣體的排出，從而避免氣孔的產(chǎn)生。

圖3 2 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖4 3 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖5 4 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖6 5 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖7 6 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖8 7 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖9 8 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖10 9 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖11 10 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

為進一步研究該工藝的修復性能，通過研究焊縫的幾何尺寸描述焊道的成型質(zhì)量。圖12為焊縫截面顯微圖，定義3個焊縫幾何參數(shù)，分別為余高H、熔寬W、熔深D。熔高H主要決定修復工作的整體效率，熔深D體現(xiàn)焊道與母材的熔合深度，熔寬W決定焊道與母材的結合面積。此外，為了更直觀地表示焊道成型質(zhì)量與尺寸，引入余高因數(shù)Y，這是焊道余高與熔寬的比值，當Y較小時，焊道與母材的結合質(zhì)量就較高。

圖12 焊縫截面顯微圖

圖13為不同激光沖擊頻率下焊縫的幾何尺寸。由圖13可知：隨激光沖擊頻率的增高，焊縫的熔寬和熔深隨之增大，余高和余高因數(shù)隨之減小。當激光沖擊頻率較低時，余高因數(shù)較大，焊道高且窄，焊道與母材的重熔區(qū)面積較小，焊縫質(zhì)量較差。隨著激光沖擊頻率的增高，焊道變得寬且深，焊道與母材的重熔區(qū)面積增大。激光沖擊頻率對余高的影響較小，對熔寬影響較大。因此，在選擇電弧焊復合激光沖擊鍛造工藝參數(shù)時，盡可能選擇余高因數(shù)較小、熔寬較大的工藝參數(shù)。

圖13 不同激光沖擊頻率下焊縫幾何尺寸

2.2 激光沖擊頻率對顯微組織的影響

圖14為焊縫截面顯微組織。由圖14可知：熔合區(qū)與熱影響區(qū)存在明顯的分界，該分界區(qū)域為部分熔合區(qū)，母材位于熱影響區(qū)的下方，焊縫區(qū)位于熔合區(qū)的上方。

圖14 焊縫截面顯微組織

圖15為激光沖擊頻率分別為5 Hz和10 Hz時熔合區(qū)的金相組織。由圖15可知：熔合區(qū)都存在柱狀枝晶，當激光沖擊頻率從5 Hz增高至10 Hz時，組織中的柱狀晶變得細小，且柱狀晶數(shù)量增多，晶粒得到明顯細化。

圖15 5 Hz和10 Hz時焊縫熔合區(qū)金相組織

2.3 激光沖擊頻率對顯微硬度的影響

采用維氏顯微硬度儀對焊縫的熔合區(qū)、部分熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)進行顯微硬度測量。圖16為不同激光沖擊頻率下焊縫的顯微硬度分布。由圖16可知：4個區(qū)域的硬度呈階梯狀分布，3個焊縫區(qū)域的硬度均大于母材的硬度。在激光沖擊頻率為5 Hz和10 Hz時，熔合區(qū)的平均硬度分別為528.67 HV、618.88 HV，部分熔合區(qū)的平均硬度分別為285.41 HV、339.23 HV，熱影響區(qū)的平均硬度分別為187.36 HV、213.76 HV。由此可知：當激光頻率從5 Hz增高至10 Hz時，熔合區(qū)、部分熔合區(qū)和熱影響區(qū)的平均硬度分別提高17.10%、18.86%、14.09%。此外，熔合區(qū)和部分熔合區(qū)的顯微硬度明顯提高較大，這是因為激光沖擊頻率的增高使熔合區(qū)組織中的柱狀枝晶變細小，增加阻擋位錯變形的作用力，以至于硬度得到較大提升。

圖16 不同激光沖擊頻率下焊縫顯微硬度分布

2.4 電弧焊修復與電弧焊復合激光沖擊鍛造對比

為進一步研究電弧焊接與電弧焊復合激光沖擊鍛造的區(qū)別，分別用工藝參數(shù)為34 V、130 A、160 mm/min的電弧焊和34 V、130 A、160 mm/min、10 Hz的電弧焊復合激光沖擊鍛造對鋼管零件進行修復，分析兩者的顯微組織和顯微硬度。

圖17為電弧焊和電弧焊復合激光沖擊鍛造獲得的熔合區(qū)金相組織。由圖17可知：電弧焊的熔合區(qū)晶粒較粗大，呈現(xiàn)出粗大的柱狀晶形狀，電弧焊復合激光沖擊鍛造的熔合區(qū)晶粒得到明顯細化，晶粒形狀與細小的等軸晶類似。這是因為熔合區(qū)的粗壯枝晶一部分受到激光沖擊作用直接發(fā)生斷裂，一部分隨著金屬液體的流動與之產(chǎn)生相對運動，在金屬流動產(chǎn)生的剪切力作用下發(fā)生破壞形成細小的枝晶碎片。

圖17 電弧焊與電弧焊激光沖擊鍛造焊縫熔合區(qū)金相組織

圖18為電弧焊和電弧焊復合激光沖擊鍛造獲得的焊縫的顯微硬度分布。與前述一致，主要研究3個焊縫區(qū)域的顯微硬度。由圖18可知：電弧焊和電弧焊復合激光沖擊鍛造的熔合區(qū)的平均硬度分別為560.57 HV、618.88 HV，部分熔合區(qū)的平均硬度分別為334.37 HV、339.23 HV，熱影響區(qū)的平均硬度分別為188.48 HV、213.77 HV。由此可知：與電弧焊修復相比，電弧焊復合激光沖擊鍛造的熔合區(qū)、部分熔合區(qū)、熱影響區(qū)的平均硬度分別提高10.40%、1.45%、13.42%，且3個區(qū)域的平均顯微硬度提高9.39%。

圖18 電弧焊與電弧焊復合激光沖擊鍛造焊縫顯微硬度分布

圖19為電弧焊與電弧焊復合激光沖擊鍛造的整體修復試樣。試樣通過單層單道，搭接率為50%的方式進行焊接，并進行磨削、車削。由圖19(a)可知：電弧焊處理后的修復件表面存在大量細小氣孔和部分微裂紋，焊接質(zhì)量有待提高。由圖19(b)可知：電弧焊復合激光沖擊鍛造后的修復件表面有明顯的金屬光澤，氣孔和微裂紋減少，與電弧焊修復件相比，表面質(zhì)量更優(yōu)。

圖19 電弧焊與電弧焊復合激光沖擊鍛造的整體修復試樣

3 結 論

(1)在電弧焊復合激光沖擊鍛造中，當激光沖擊頻率過低時，焊道表面紋路分布不均勻，飛濺嚴重；隨著沖擊頻率的增高，焊道表面均勻平整，焊縫內(nèi)部無明顯缺陷，且焊縫的熔寬與熔深隨之增大，余高和余高因數(shù)隨之減小。

(2)隨著激光沖擊頻率的增高，焊縫熔合區(qū)的柱狀晶尺寸變小，數(shù)量增加，晶粒得以細化；激光沖擊頻率的高低對熔合區(qū)和部分熔合區(qū)的顯微硬度影響較大，激光沖擊頻率的增高能有效提高各焊縫區(qū)域的顯微硬度。

(3)電弧焊與電弧焊復合激光沖擊鍛造對熔合區(qū)金相組織影響的差異較大：電弧焊復合激光沖擊鍛造的組織晶粒比電弧焊的晶粒更加細小，呈細小的等軸晶形狀；電弧焊復合激光沖擊鍛造的顯微硬度明顯比電弧焊的硬度更大；電弧焊復合激光沖擊鍛造整體修復后的表面氣孔及微裂紋減少。