激光焊接環(huán)焊縫收弧質(zhì)量控制研究

高 健，宋曉嬌，潘麗華，夏 靈，徐 杰

上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201100

0 前言

某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用高強(qiáng)度鋼30CrMnSi，通過(guò)強(qiáng)力旋壓及真空電子束焊焊接成形［1］，真空電子束焊接具有焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊接速度快、焊縫純凈度高的優(yōu)點(diǎn)［2］，但是由于抽真空耗時(shí)較長(zhǎng)，焊接效率較低，難以滿足日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求。

激光焊接是一種精密、高效的高能束焊接方法，具有能量密度高、焊接速度快、焊接變形小、焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域［3-4］。與真空電子束焊相比，激光焊接效率高，焊接過(guò)程易于集成化、自動(dòng)化、柔性化［5-6］。但是激光焊接在收弧階段，尤其是在激光深熔焊時(shí)的匙孔效應(yīng)作用下，熔融金屬未回填就已凝固，在收弧位置處會(huì)形成大而深的收弧坑，而收弧坑的存在會(huì)帶來(lái)不利影響，如不滿足焊縫表面質(zhì)量要求，削弱整個(gè)接頭的強(qiáng)度，收弧坑誘發(fā)裂紋等缺陷［7］。對(duì)于一般的焊接結(jié)構(gòu)可以通過(guò)添加收弧板完全消除收弧坑，但固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體一般為環(huán)形薄壁件，受焊縫結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法添加收弧板，所以只能通過(guò)工藝手段來(lái)控制收弧坑的大小，以期減小收弧坑帶來(lái)的不利影響，滿足焊接質(zhì)量要求［8］。虞鴻江［9］采用激光能量分段衰減方式有效避免了TC11鈦合金環(huán)焊縫弧坑裂紋。曹海春［10］通過(guò)調(diào)整可有效漸升與漸降功率防止焊件受到激光功率開關(guān)影響而瞬間突開、突閉導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氣孔和收尾弧坑問(wèn)題。

本文在已有激光焊接規(guī)范上，采用單一變量法探究收弧時(shí)間、焊接速度、離焦量對(duì)收弧坑深度的影響，并分析收弧坑形成的原因，優(yōu)化焊接工藝，并對(duì)優(yōu)化后的工藝所得焊縫進(jìn)行射線探傷檢測(cè)，顯微組織觀測(cè)和力學(xué)性能測(cè)試，最終獲得滿足某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體設(shè)計(jì)要求指標(biāo)的焊接工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用TruDisk8001型激光器，最大功率為8 000 W，光束質(zhì)量≤4.5 mm·mrad，波長(zhǎng)1 030 nm，光電轉(zhuǎn)化率≥25%，焦點(diǎn)光斑直徑0.4 mm。激光焊接系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高功率柔性激光焊接系統(tǒng)Fig.1 High power flexible laser welding system

采用直徑200 mm、壁厚2 mm、長(zhǎng)度80 mm的薄壁筒體作為焊接對(duì)象，材質(zhì)為30CrMnSi高強(qiáng)度鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 30CrMnSi高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1Chemical composition of 30CrMnSi high-strength steel（wt.%）

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

2.1 收弧坑形成原因

通過(guò)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改變激光焊的起弧功率和收弧功率可以控制焊縫成形。激光的輸出波形按時(shí)間可分為3個(gè)部分，如圖2所示。焊縫宏觀形貌如圖3所示，可以看出，在起弧位置出現(xiàn)駝峰，這是由于在激光能量上升過(guò)程中，焊縫未被完全熔透，熔池前沿的金屬不斷向后堆積凝固形成駝峰；收弧位置出現(xiàn)收弧坑，這是由于收弧時(shí)激光能量降低，熔池前沿熔融的金屬量減少，當(dāng)激光深熔小孔消失時(shí)，即激光從深熔焊轉(zhuǎn)變成激光熱導(dǎo)焊時(shí)，熔池前沿熔融回填的金屬量無(wú)法完全填滿激光深熔小孔產(chǎn)生的孔洞，所以在收弧時(shí)出現(xiàn)收弧坑［11］。上述現(xiàn)象會(huì)使得在起收弧搭接時(shí)出現(xiàn)焊縫的凸起和凹陷，尤其是收弧位置的弧坑會(huì)嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量［12-13］。

圖2 激光輸出波形Fig.2 Waveform diagram of laser power output

圖3 激光焊接焊縫宏觀形貌Fig.3 Macro view of laser welding seam

2.2 工藝參數(shù)對(duì)收弧坑深度的影響

QJ 20659-2016《結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼激光焊接技術(shù)要求》中對(duì)于焊縫未焊滿的情況作出了較為明確的規(guī)定。在一級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)中允許存在單個(gè)未焊滿的缺陷，未焊滿缺陷示意如圖4所示，單個(gè)未焊滿缺陷的最大深度應(yīng)不大于8%δ（δ為母材厚度），局部缺陷在任何100 mm長(zhǎng)度的焊縫上的最大累計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)小于等于10 mm。試驗(yàn)?zāi)覆暮穸葹? mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，凹坑最大深度應(yīng)小于0.16 mm。

圖4 未焊滿缺陷示意Fig.4 Schematic diagram of not fully welded

對(duì)30CrMnSi筒體進(jìn)行激光焊接對(duì)接試驗(yàn)，采用單一變量法探究焊接速度、收弧時(shí)間、離焦量對(duì)弧坑深度的影響。前期進(jìn)行了大量激光焊接工藝試驗(yàn)，獲得了焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊縫成形較好的工藝參數(shù)：激光功率為2 400 W，離焦量+5 mm，焊接速度1.2 m/min，收弧時(shí)間2 s，保護(hù)氣為純度99.99%氬氣，保護(hù)氣流量20 L/min，保護(hù)氣氣壓為0.2 MPa，試驗(yàn)后用深度百分表測(cè)試凹坑深度。工藝參數(shù)對(duì)收弧凹坑深度的影響如圖5所示。

（1）收弧時(shí)間對(duì)凹坑深度的影響。

保持離焦量為+5 mm、焊接速度為1.2 m/min不變，探究不同收弧時(shí)間（0～4 s）對(duì)凹坑深度的影響。由圖5a可知，當(dāng)收弧時(shí)間為0時(shí)，收弧凹坑最大深度可達(dá)0.43 mm，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這是由于激光能量突然消失，激光深熔小孔瞬間關(guān)閉，熔融的金屬無(wú)法完全填滿孔洞，所以形成了較大的收弧坑；當(dāng)收弧時(shí)間由0 s增至2 s的過(guò)程中，凹坑深度明顯減小，這是由于隨著收弧時(shí)間的增加，激光功率的衰減梯度減小，激光深熔小孔前沿熔融的金屬有更多的時(shí)間來(lái)回填激光深熔小孔，所以收弧凹坑深度減?。划?dāng)收弧時(shí)間大于2 s時(shí)，收弧坑深度的變化趨于穩(wěn)定，約為0.12 mm。

（2）離焦量對(duì)凹坑深度的影響。

保持收弧時(shí)間2 s、焊接速度1.2 m/min不變，探究不同離焦量（-1～9 mm）對(duì)凹坑深度的影響。由圖5b可知，隨著離焦量的增加，凹坑深度不斷減小，這是因?yàn)殡x焦量增加，照射在焊縫表面的激光光斑面積增大，導(dǎo)致焊縫變寬，熔池變大，當(dāng)激光深熔小孔消失時(shí)，小孔周圍可回填的熔融金屬量增加，使得收弧坑深度減小。

（3）焊接速度對(duì)凹坑深度的影響。

保持收弧時(shí)間2 s、離焦量+5 mm不變，探究焊接速度（0.48～1.68 m/min）對(duì)凹坑深度的影響。由圖5c可知，隨著焊接速度的增加，收弧坑深度減小，這是由于焊接速度增加，激光線能量密度降低，產(chǎn)生的金屬蒸汽及飛濺量降低，熔池寬度變窄但長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致收弧坑深度減小。

圖5 工藝參數(shù)對(duì)收弧凹坑深度的影響Fig.5 Influence of process parameters on the depth of arc crater

2.3 收弧坑工藝優(yōu)化

經(jīng)上述分析和多次試驗(yàn)可知，收弧時(shí)間對(duì)收弧坑深度影響最大，但收弧時(shí)間超過(guò)2 s后收弧坑深度變化較小，且收弧時(shí)間增加會(huì)導(dǎo)致焊縫重疊區(qū)增長(zhǎng)，氣孔率增加，因此確定收弧時(shí)間為2 s。焊接速度對(duì)弧坑深度也有較大影響，考慮在收弧過(guò)程中焊接速度遞增。優(yōu)化后工藝參數(shù)如下：保護(hù)氣為純度99.99%氬氣，氣體流量20 L/min，保護(hù)氣壓0.2 MPa，激光功率2 400 W，離焦量+5 mm，收弧時(shí)間2 s，全功率段焊接速度1.2 m/min，從收弧點(diǎn)開始焊接速度從1.2 m/min勻速增加至2.4 m/min，在此工藝參數(shù)下可獲得較好的焊縫及較小的收弧坑。

收弧段焊縫搭接效果如圖6所示，焊縫均勻飽滿，呈銀白色金屬光澤。收弧段X射線拍片如圖7所示，焊縫氣孔數(shù)量較少且無(wú)裂紋缺陷，前段亮光部分是起弧和收弧搭接位置，中段有一小段深色段是收弧坑位置，用深度百分表測(cè)得收弧坑最大深度為0.08 mm，滿足激光焊接標(biāo)準(zhǔn)QJ 20659-2016中一級(jí)焊縫要求。

圖6 收弧段焊縫搭接效果Fig.6 Welding receiving arc segment overlap effect

圖7 收弧段X射線拍片F(xiàn)ig.7 X-ray film of the arc-retracting section

2.4 工藝優(yōu)化后收弧段焊縫微觀組織及力學(xué)性能

工藝優(yōu)化后收弧坑處焊縫試樣截面如圖8所示。上部分半圓形淺色區(qū)域是收弧重熔區(qū)的焊縫，形成原因是收弧時(shí)激光功率逐漸降低，焊接方式由激光深熔焊轉(zhuǎn)變?yōu)榧す鉄釋?dǎo)焊；下部分深色區(qū)域?yàn)樯钊酆竻^(qū)焊縫，為樹枝晶狀組織，并呈中心對(duì)稱。

圖8 收弧坑處焊縫截面Fig.8 Cross-section of the weld at the arc crater

收弧坑處焊縫微觀組織如圖9所示。圖9a為深熔焊區(qū)微觀組織，主要由貝氏體+珠光體+鐵素體的混合組織組成，顯微硬度約400 HV；圖9b為收弧重熔區(qū)微觀組織，主要由馬氏體+貝氏體+鐵素體的混合組織組成，顯微硬度約570 HV，該區(qū)域硬度高于深熔焊區(qū)的原因是焊縫經(jīng)歷了激光重熔，相當(dāng)于進(jìn)行了一次淬火處理，使得重熔區(qū)硬度增加；圖9c熔合線附近的過(guò)熱區(qū)為粗大的貝氏體+珠光體+鐵素體組織，顯微硬度約370 HV；圖9d為熱影響區(qū)與母材交界處微觀組織，由珠光體+鐵素體組織組成，顯微硬度約240 HV，母材區(qū)鐵素體呈網(wǎng)狀分布，顯微硬度約200 HV。

圖9 收弧坑焊縫微觀組織Fig.9 Microstructure of the arc-receiving crater weld

為了測(cè)試工藝優(yōu)化后的焊縫收弧坑對(duì)焊接接頭拉伸強(qiáng)度的影響進(jìn)行了焊縫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，其中1#、2#、3#拉伸試樣焊縫無(wú)收弧坑，4#、5#、6#拉伸試樣取自包含收弧坑的收弧段焊縫。測(cè)試結(jié)果顯示，所有拉伸試樣均斷裂在母材，拉伸強(qiáng)度約為1 080 MPa，這表明工藝優(yōu)化后收弧坑處的焊接接頭強(qiáng)度能夠達(dá)到無(wú)收弧坑處的焊接接頭強(qiáng)度，焊縫質(zhì)量和力學(xué)性能滿足要求。

圖10 拉伸試樣拉斷Fig.10 Tensile sample breaks

3 結(jié)論

（1）焊接收弧時(shí)，激光能量降低，熔池前沿熔融回填的金屬量無(wú)法完全填滿激光深熔小孔產(chǎn)生的孔洞，所以在收弧時(shí)出現(xiàn)收弧坑。

（2）收弧時(shí)間和焊接速度對(duì)收弧坑的影響較大，當(dāng)收弧時(shí)間為2 s，從收弧點(diǎn)開始，焊接速度從1.2 m/min勻速增加至2.4 m/min時(shí)可獲得較好的焊縫及較小的收弧坑，收弧坑深度為0.08 mm。

（3）收弧重熔焊縫微觀組織主要由馬氏體+貝氏體+鐵素體的混合組織組成，顯微硬度約570 HV，原始焊縫微觀組織主要由貝氏體+珠光體+鐵素體的混合組織組成，顯微硬度約400 HV，工藝優(yōu)化后收弧坑處的焊接接頭強(qiáng)度能夠達(dá)到無(wú)收弧坑處的焊接接頭強(qiáng)度，焊縫質(zhì)量和力學(xué)性能滿足要求。