蔣 寶，徐富家，楊義成，聶 鑫，宋 揚(yáng)，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(wàn)瓦級(jí)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?lái)越高，采用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行中厚板的單面焊接雙面成形已經(jīng)得到越來(lái)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(guó)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(wàn)瓦級(jí)激光深熔焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在中厚板焊接時(shí)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(wàn)瓦級(jí)激光焊接時(shí)，超高功率密度會(huì)導(dǎo)致焊接過(guò)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(duì)此，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，其中國(guó)外有大阪大學(xué)、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、弗勞恩霍夫研究所等，國(guó)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?jī)?nèi)容包括萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接焊縫成形特征、羽輝變化規(guī)律等。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)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(duì)萬(wàn)瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)及其在中厚板穿透焊接過(guò)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(shí)利用高速攝像觀察背面熔池流動(dòng)過(guò)程，并初步分析了相關(guān)缺陷產(chǎn)生的過(guò)程及原因。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

試驗(yàn)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(zhǎng)1 070 nm；弧焊電源為福尼斯CMT焊機(jī)，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(jī)，最高拍攝速率為50萬(wàn)幀/s。試驗(yàn)用母材為20 mm厚Q235低碳鋼，焊絲為ER50-6，直徑1.2 mm，采用對(duì)接平焊形式。

試驗(yàn)主要研究焊接參數(shù)對(duì)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(yàn)時(shí)將試板架設(shè)在工裝上并懸空試板背面，并將高速攝像機(jī)鏡頭平行于試板及焊接方向，拍攝焊接過(guò)程中背面熔池流動(dòng)情況。焊接裝置示意如圖1所示，具體焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

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

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)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(wàn)瓦級(jí)激光平板堆焊不同，萬(wàn)瓦級(jí)激光熔透焊的物理過(guò)程更加復(fù)雜，焊縫成形更難以保證。因此，在進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，確定后續(xù)復(fù)合焊接時(shí)的一個(gè)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(fù)離焦量時(shí)較小的激光功率就可實(shí)現(xiàn)20 mm厚試板的穿透焊接，因此后續(xù)復(fù)合焊接試驗(yàn)選在-10 mm離焦條件下進(jìn)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(yàn)如無(wú)特殊說(shuō)明，焊接試板均為I型對(duì)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(shí)還伴隨著焊縫凹陷等缺陷，同時(shí)焊縫較窄，對(duì)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(guò)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(shí)，焊縫并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全熔透，而小幅增加激光功率到17.375 kW時(shí)，可實(shí)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(shí)相應(yīng)地將焊接電流提高到280 A，離焦量-10 mm不變，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖可知，激光功率增加到20.5 kW后實(shí)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(shí)相比，焊瘤尺寸已明顯減小。

以上試驗(yàn)采用不開(kāi)坡口、電弧在前的焊接形式。為了檢驗(yàn)焊接形式對(duì)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(duì)不同焊接形式下的焊縫成形作一個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比，焊縫成形如圖5所示。由圖可知，采用激光在前時(shí)的焊縫表面成形穩(wěn)定性相對(duì)較差，因此后續(xù)試驗(yàn)仍然采用電弧在前的焊接形式。

為了進(jìn)一步研究工藝參數(shù)對(duì)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(wú)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(wàn)瓦激光-電弧復(fù)合焊進(jìn)行熔透焊接時(shí)，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(dòng)情況進(jìn)行較為深入的分析。

2.2 基于高速攝像下的熔池流動(dòng)分析

從上述焊縫表面成形結(jié)果來(lái)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(duì)于以上兩種成形缺陷，可以從背面焊接熔池的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行闡述分析。

首先，選取圖4d焊縫作為分析對(duì)象，觀察其背面焊瘤產(chǎn)生過(guò)程。從高速攝像的角度看，較為典型的背面熔池焊瘤形貌見(jiàn)圖7。圖中所示為激光穿透試板下表面過(guò)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(shí)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(duì)于背面焊瘤的產(chǎn)生，大致可以分為三個(gè)階段：起始階段、積聚階段及最終成形階段，具體過(guò)程見(jiàn)圖8～圖10。

圖8 背面焊瘤形成過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中，背面的熔融金屬液體在金屬蒸氣的反沖作用力下會(huì)不斷向后方流淌，如果此時(shí)新產(chǎn)生的熔融金屬液體距離凝固區(qū)較遠(yuǎn)，金屬液體向后流動(dòng)時(shí)即使出現(xiàn)下淌也會(huì)及時(shí)向后流動(dòng)并鋪展開(kāi)來(lái)；但隨著凝固區(qū)的不斷向前推進(jìn)，金屬液體向后流動(dòng)時(shí)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(lái)，隨后熔融金屬便開(kāi)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(jìn)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(lái)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(guò)來(lái)重力作用也沒(méi)有使金屬液體脫離熔池；此過(guò)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(huì)繼續(xù)向后流動(dòng)而不會(huì)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(guò)程繼續(xù)向前推進(jìn)，隨著熱源的遠(yuǎn)離，流向積聚位置的液態(tài)金屬液體越來(lái)越少，當(dāng)焊瘤前沿的金屬液體也開(kāi)始凝固時(shí)，沒(méi)有了新的金屬液體補(bǔ)充，焊瘤開(kāi)始凝固成形；而在凝固區(qū)向前推進(jìn)的同時(shí)，又有新的焊瘤開(kāi)始產(chǎn)生，此時(shí)一個(gè)焊瘤產(chǎn)生的過(guò)程便最終完成了。

對(duì)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(guò)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(guò)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(shí)會(huì)形成細(xì)長(zhǎng)的金屬液柱，這種細(xì)長(zhǎng)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(guò)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(guò)程2—直接噴射而出Fig.12 Back splash formation process 2-direct ejection

對(duì)于以上焊瘤和飛濺的大量產(chǎn)生，背面羽輝的波動(dòng)變化可以在一定程度上反映其特征。首先，對(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)。假使焊接過(guò)程中激光能保持穩(wěn)定穿透，F(xiàn)f1’就會(huì)持續(xù)穩(wěn)定存在，熔融金屬液體也就會(huì)穩(wěn)定均勻向后流動(dòng)，其向一點(diǎn)積聚成焊瘤的概率也就會(huì)有所降低；同時(shí)向下的沖擊力Ff2’也會(huì)保持穩(wěn)定，產(chǎn)生飛濺的概率也會(huì)減小。

但實(shí)際情況卻截然相反，激光熔透過(guò)程中，羽輝變化非常不穩(wěn)定，如圖14所示。其波動(dòng)變化一定程度上可以反映出激光并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定穿透，結(jié)果就會(huì)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(shí)刻（t0+0 ms）受到的沖擊力很小，但下一時(shí)刻又會(huì)突然受到一股強(qiáng)大的沖擊力將其強(qiáng)力向后推動(dòng)，最后致使穿透位置的金屬液體全部向后流動(dòng)積聚，或是直接被沖擊出熔池形成飛濺。

圖14 某時(shí)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(duì)于中厚板的焊接，在大多數(shù)焊接場(chǎng)合只能進(jìn)行單面焊接雙面成形，而常規(guī)弧焊等方法常需要進(jìn)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(lái)采用萬(wàn)瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合焊接，可以在不開(kāi)坡口的情況下，至少實(shí)現(xiàn)20 mm厚試板的一次穿透焊接，且能夠達(dá)到較高的焊接速度，對(duì)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(jià)值。

鑒于中厚板萬(wàn)瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的重要性，國(guó)內(nèi)外對(duì)萬(wàn)瓦激光及激光-電弧復(fù)合焊接方法進(jìn)行了持續(xù)深入的研究。相關(guān)研究表明，采用萬(wàn)瓦級(jí)激光及激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行中厚板的單面焊接雙面成形，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外焊接領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，未來(lái)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(huì)越來(lái)越多，對(duì)焊接技術(shù)的發(fā)展也會(huì)有明顯的推動(dòng)作用。

3 結(jié)論

（1）采用萬(wàn)瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合焊接方法進(jìn)行20 mm厚低碳鋼單面焊接雙面成形時(shí)，焊縫容易出現(xiàn)表面凹陷、背面焊瘤等缺陷，且單純通過(guò)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(guò)程中背面熔池金屬液體的實(shí)時(shí)變化，分析了背面飛濺和焊瘤的產(chǎn)生過(guò)程。表面焊瘤產(chǎn)生過(guò)程主要有三個(gè)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(guò)程中，羽輝的波動(dòng)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。