萬瓦級激光-電弧復(fù)合穿透焊接成形缺陷研究

蔣 寶，徐富家，楊義成，聶 鑫，宋 揚，劉孔豐

哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

伴隨著萬瓦級激光及激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展，在船舶、核電、石油管道等領(lǐng)域?qū)χ泻癜宓暮附右笠苍絹碓礁?，采用相關(guān)技術(shù)進行中厚板的單面焊接雙面成形已經(jīng)得到越來越多的重視［1-4］。但由于相關(guān)焊接技術(shù)尚不成熟，目前國內(nèi)中厚板焊接仍以弧焊為主［5-6］，雖然也有窄間隙激光焊的應(yīng)用研究［7-8］，但均難以滿足更高效率的焊接需求。

基于萬瓦級激光深熔焊接技術(shù)優(yōu)勢，在中厚板焊接時可以很大程度減少焊接道數(shù)，并減少不必要的坡口加工，從而大幅提高焊接效率。然而，萬瓦級激光焊接時，超高功率密度會導(dǎo)致焊接過程非常不穩(wěn)定，易出現(xiàn)飛濺、表面凹陷及焊瘤等缺陷，在一定程度上阻礙了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。對此，國內(nèi)外研究機構(gòu)進行了大量研究，其中國外有大阪大學(xué)、德國亞琛工業(yè)大學(xué)、弗勞恩霍夫研究所等，國內(nèi)有哈爾濱焊接研究院有限公司［9-10］、哈爾濱工業(yè)大學(xué)［11］、湖南大學(xué)［12-13］、中科院等離子體物理研究所［14］等，研究內(nèi)容包括萬瓦級激光焊接焊縫成形特征、羽輝變化規(guī)律等。目前，國內(nèi)對萬瓦級激光焊接技術(shù)的研究大部分局限于激光自熔焊接以及平板堆焊研究［15-16］，而對萬瓦級激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)及其在中厚板穿透焊接過程中的特性缺少較為深入的研究。

文中基于上述背景，利用30 kW光纖激光發(fā)生器，采用激光-電弧復(fù)合焊接方法，研究了20 mm厚低碳鋼單面焊接雙面成形特征，同時利用高速攝像觀察背面熔池流動過程，并初步分析了相關(guān)缺陷產(chǎn)生的過程及原因。

1 試驗設(shè)備、材料與方法

試驗所用激光器為IPG公司YLS-30000光纖激光器，其最大輸出功率為30 kW，波長1 070 nm；弧焊電源為福尼斯CMT焊機，最大輸出電流400A，采用脈沖模式；焊接圖像采集裝置為iSpeed黑白高速攝像機，最高拍攝速率為50萬幀/s。試驗用母材為20 mm厚Q235低碳鋼，焊絲為ER50-6，直徑1.2 mm，采用對接平焊形式。

試驗主要研究焊接參數(shù)對熔透焊縫成形的影響規(guī)律。為更好地分析焊縫背面成形特征，試驗時將試板架設(shè)在工裝上并懸空試板背面，并將高速攝像機鏡頭平行于試板及焊接方向，拍攝焊接過程中背面熔池流動情況。焊接裝置示意如圖1所示，具體焊接參數(shù)見表1。

圖1 焊接裝置示意Fig.1 Schematic diagram of welding device

表1 焊接試驗工藝參數(shù)Table 1 Welding parameter setting

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律

2.1.1 單激光條件下的焊縫成形特征

與萬瓦級激光平板堆焊不同，萬瓦級激光熔透焊的物理過程更加復(fù)雜，焊縫成形更難以保證。因此，在進行激光-電弧復(fù)合焊接試驗前，首先采用單激光，在焊接速度為1.5 m/min，離焦量為-10 mm、+20 mm進行試驗，確定后續(xù)復(fù)合焊接時的一個主要變量。焊縫成形如圖2所示。成形結(jié)果表明，在相同的焊接速度下，采用負離焦量時較小的激光功率就可實現(xiàn)20 mm厚試板的穿透焊接，因此后續(xù)復(fù)合焊接試驗選在-10 mm離焦條件下進行。

圖2 單激光條件下的焊縫表面成形Fig.2 Weld surface forming under single laser condition

此外，以下試驗如無特殊說明，焊接試板均為I型對接形式，激光-電弧復(fù)合焊接均為電弧在前。

2.1.2 激光-電弧復(fù)合焊接焊縫成形規(guī)律

由上述結(jié)果可知，在單激光焊接穿透的同時還伴隨著焊縫凹陷等缺陷，同時焊縫較窄，對工件加工和裝夾容忍度較差，而加上電弧可在一定程度改善這種情況。

首先在焊接速度為0.6 m/min條件下，保持焊接電流160 A和離焦量-10 mm不變，通過改變激光功率分析焊縫熔透情況，如圖3所示。結(jié)果可知，激光功率小于17.275 kW時，焊縫并沒有實現(xiàn)完全熔透，而小幅增加激光功率到17.375 kW時，可實現(xiàn)焊縫熔透，但從正面成形看，焊縫有明顯塌陷，繼續(xù)增加激光功率仍是同樣結(jié)果。

將焊接速度提高到1.5 m/min，同時相應(yīng)地將焊接電流提高到280 A，離焦量-10 mm不變，試驗結(jié)果如圖4所示。由圖可知，激光功率增加到20.5 kW后實現(xiàn)了焊縫熔透，且從正面成形可以看出，同樣凹陷的“深坑”明顯變淺，焊縫寬度也明顯變窄。雖然背面焊縫仍有較多的焊瘤產(chǎn)生，但與焊接速度為0.6 m/min時相比，焊瘤尺寸已明顯減小。

以上試驗采用不開坡口、電弧在前的焊接形式。為了檢驗焊接形式對焊縫表面成形的影響，在圖4c焊接參數(shù)的基礎(chǔ)上，改為激光在前，對不同焊接形式下的焊縫成形作一個簡單對比，焊縫成形如圖5所示。由圖可知，采用激光在前時的焊縫表面成形穩(wěn)定性相對較差，因此后續(xù)試驗仍然采用電弧在前的焊接形式。

為了進一步研究工藝參數(shù)對焊縫表面成形的影響，將坡口加工成Y型，鈍邊14 mm，坡口角度60°。焊縫成形如圖6所示。由圖可知，無論是提高焊接速度，還是增加焊接電流，都未能明顯改善焊縫表面成形，焊縫正面較大的“深坑”及焊縫背面的焊瘤依舊明顯。

圖6 激光-電弧復(fù)合焊縫表面成形（Y型坡口）Fig.6 Surface forming of laser-arc composite weld（Y groove）

基于以上結(jié)果，在較大的板厚條件下，采用萬瓦激光-電弧復(fù)合焊進行熔透焊接時，想要獲得良好的焊縫表面成形仍有難度，以下將基于高速攝像下背面熔池的流動情況進行較為深入的分析。

2.2 基于高速攝像下的熔池流動分析

從上述焊縫表面成形結(jié)果來看，主要有兩種成形缺陷，一是焊縫背面產(chǎn)生的焊瘤，二是焊縫正面凹陷形成的“深坑”。對于以上兩種成形缺陷，可以從背面焊接熔池的實時變化進行闡述分析。

首先，選取圖4d焊縫作為分析對象，觀察其背面焊瘤產(chǎn)生過程。從高速攝像的角度看，較為典型的背面熔池焊瘤形貌見圖7。圖中所示為激光穿透試板下表面過程中，在焊縫背面產(chǎn)生的羽輝、熔池、焊瘤及飛濺等在某一時刻的形貌。

圖7 基于高速攝像下的典型背面熔池焊瘤等形貌Fig.7 Morphology of typical backside molten pool weld tumor based on high speed camera

對于背面焊瘤的產(chǎn)生，大致可以分為三個階段：起始階段、積聚階段及最終成形階段，具體過程見圖8～圖10。

圖8 背面焊瘤形成過程1—起始階段Fig.8 Formation process of backside welding tumor 1-initial stage

圖9 背面焊瘤形成過程2—熔融金屬積聚階段Fig.9 Formation process of backside welding nodules 2-metal accumulation stage of molten pool

圖10 背面焊瘤形成過程3—焊瘤最終成形階段Fig.10 Formation process of backside welding tumor 3-final forming stage of welding tumor

圖8為焊瘤成形起始階段。在激光穿透過程中，背面的熔融金屬液體在金屬蒸氣的反沖作用力下會不斷向后方流淌，如果此時新產(chǎn)生的熔融金屬液體距離凝固區(qū)較遠，金屬液體向后流動時即使出現(xiàn)下淌也會及時向后流動并鋪展開來；但隨著凝固區(qū)的不斷向前推進，金屬液體向后流動時受到阻礙，而新產(chǎn)生的大量熔融金屬還在不斷向后方涌來，隨后熔融金屬便開始積聚形成焊瘤。

圖9為背面熔融金屬液體積聚階段。隨著焊接的進行，不斷有熔融金屬液體向后流淌，并在起始處積聚，導(dǎo)致焊瘤越來越大，而表面張力作用不足以克服重力將金屬液體拉回熔池，反過來重力作用也沒有使金屬液體脫離熔池；此過程中，積聚位置的金屬一直保持液體狀態(tài)，新產(chǎn)生的金屬液體也會繼續(xù)向后流動而不會在前方產(chǎn)生新的焊瘤。

圖10為焊瘤的最終成形階段。焊接過程繼續(xù)向前推進，隨著熱源的遠離，流向積聚位置的液態(tài)金屬液體越來越少，當焊瘤前沿的金屬液體也開始凝固時，沒有了新的金屬液體補充，焊瘤開始凝固成形；而在凝固區(qū)向前推進的同時，又有新的焊瘤開始產(chǎn)生，此時一個焊瘤產(chǎn)生的過程便最終完成了。

對于焊縫正面“深坑”的形成，一方面，上述焊瘤的產(chǎn)生導(dǎo)致填充金屬過多地聚集在焊縫背面，致使正面填充不夠；另一方面，背面大量飛濺的產(chǎn)生也是導(dǎo)致正面金屬缺失的重要原因。

背面飛濺的產(chǎn)生過程大致可以分為兩種形式，如圖11、圖12所示。圖11中，在金屬蒸氣的反沖作用下，有時會形成細長的金屬液柱，這種細長金屬液柱很容易在重力和金屬蒸氣反沖力的共同作用下，脫離熔池形成飛濺。圖12是金屬液體直接從下方匙孔中噴射而出形成小顆粒飛濺，這種飛濺產(chǎn)生和飛行的速度很快，而且數(shù)量眾多。

圖11 背面飛濺形成過程1—液柱脫離熔池形成Fig.11 Backside splash formation process 1-Liquid column out of the molten pool formation

圖12 背面飛濺形成過程2—直接噴射而出Fig.12 Back splash formation process 2-direct ejection

對于以上焊瘤和飛濺的大量產(chǎn)生，背面羽輝的波動變化可以在一定程度上反映其特征。首先，對于背面剛?cè)弁傅慕饘僖后w，其受到多種力的影響，現(xiàn)只考慮金屬蒸氣反沖力的作用，暫時忽略重力和表面張力等其他力的影響，如圖13所示。

圖13 金屬蒸氣反沖作用對背透金屬液體的影響Fig.13 Effect of metal vapor recoil on backpass metal liquid

從分解力上看，熔融金屬液體受到向后的推力Ff1’及向下的沖擊力Ff2’，其中Ff1’使熔融金屬液體向后流動。假使焊接過程中激光能保持穩(wěn)定穿透，F(xiàn)f1’就會持續(xù)穩(wěn)定存在，熔融金屬液體也就會穩(wěn)定均勻向后流動，其向一點積聚成焊瘤的概率也就會有所降低；同時向下的沖擊力Ff2’也會保持穩(wěn)定，產(chǎn)生飛濺的概率也會減小。

但實際情況卻截然相反，激光熔透過程中，羽輝變化非常不穩(wěn)定，如圖14所示。其波動變化一定程度上可以反映出激光并沒有實現(xiàn)穩(wěn)定穿透，結(jié)果就會導(dǎo)致熔融金屬液體受到的金屬蒸氣反沖作用力不穩(wěn)定，在某一時刻（t0+0 ms）受到的沖擊力很小，但下一時刻又會突然受到一股強大的沖擊力將其強力向后推動，最后致使穿透位置的金屬液體全部向后流動積聚，或是直接被沖擊出熔池形成飛濺。

圖14 某時段背面羽輝變化圖像Fig.14 Image of backside feather change in a certain period

2.3 應(yīng)用前景

對于中厚板的焊接，在大多數(shù)焊接場合只能進行單面焊接雙面成形，而常規(guī)弧焊等方法常需要進行多層多道焊，焊接速度較慢，且需要提前加工較大的坡口，導(dǎo)致整體焊接效率較低。未來采用萬瓦級激光-電弧復(fù)合焊接，可以在不開坡口的情況下，至少實現(xiàn)20 mm厚試板的一次穿透焊接，且能夠達到較高的焊接速度，對于艦船、油氣管道以及核電等大量使用中厚板的重工業(yè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

鑒于中厚板萬瓦級激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的重要性，國內(nèi)外對萬瓦激光及激光-電弧復(fù)合焊接方法進行了持續(xù)深入的研究。相關(guān)研究表明，采用萬瓦級激光及激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)進行中厚板的單面焊接雙面成形，已經(jīng)成為國內(nèi)外焊接領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，未來隨著相關(guān)技術(shù)的不斷突破，在船舶、核電、石油管道等領(lǐng)域的應(yīng)用也會越來越多，對焊接技術(shù)的發(fā)展也會有明顯的推動作用。

3 結(jié)論

（1）采用萬瓦級激光-電弧復(fù)合焊接方法進行20 mm厚低碳鋼單面焊接雙面成形時，焊縫容易出現(xiàn)表面凹陷、背面焊瘤等缺陷，且單純通過調(diào)整激光功率、焊接電流、焊接速度等參數(shù)，難以獲得良好的焊縫表面成形。

（2）利用高速攝像觀察焊接過程中背面熔池金屬液體的實時變化，分析了背面飛濺和焊瘤的產(chǎn)生過程。表面焊瘤產(chǎn)生過程主要有三個階段——起始階段、積聚階段和最終成形階段，而飛濺也可分為由金屬液柱脫離熔池形成以及直接從匙孔噴射形成。

（3）焊接過程中，羽輝的波動變化一定程度反映了不穩(wěn)定的激光穿透是導(dǎo)致背透金屬液體不斷積聚形成焊瘤以及產(chǎn)生飛濺的重要原因之一，而大量飛濺及焊瘤的產(chǎn)生也是導(dǎo)致正面焊縫凹陷的重要原因。