韓鵬薄，黃瑞生，孫靜濤，滕 彬，曹 浩，武震東

哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

厚壁高強(qiáng)鋼廣泛應(yīng)用于艦船與潛艇制造［1-2］。傳統(tǒng)焊接方法在連接厚板時(shí)因焊速低、焊道數(shù)量多導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。在過去幾十年，由于窄間隙焊接相較于傳統(tǒng)焊接方法坡口極窄，具有能量密度集中、靈活性好、熱輸入小和焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，減少了焊材消耗，降低了殘余應(yīng)力和焊接變形，故常用于大型厚壁構(gòu)件的焊接［3-12］。T.Tsukamoto［13］采用激光窄間隙填絲焊實(shí)現(xiàn)了150 mm厚度碳鋼接頭的單道多層填充焊，曹浩［14］等也嘗試采用這種方法實(shí)現(xiàn)70 mm和120 mm厚高強(qiáng)鋼窄間隙激光擺動(dòng)填絲立向上的優(yōu)質(zhì)焊接，但是在此過程中由于特殊的窄間隙坡口，凝固裂紋極易發(fā)生。

凝固裂紋是一種嚴(yán)重的焊接缺陷，其產(chǎn)生機(jī)制極為復(fù)雜，主要由熱—力—冶金三者之間相互作用決定?；谏鲜鲆蛩?，學(xué)者們提出了各種凝固裂紋產(chǎn)生理論，如普羅霍夫理論、回流愈合理論以及RDG理論等［15-16］。在近年來激光焊接中凝固裂紋的相關(guān)報(bào)道表明焊縫幾何形狀與凝固裂紋密切相關(guān)。BAM（德國聯(lián)邦材料測試研究所）深入研究了大功率激光自熔焊中熔池內(nèi)產(chǎn)生的鼓脹區(qū)與凝固裂紋之間的關(guān)系，鼓脹區(qū)定義為焊縫中熔寬局部增加的區(qū)域，認(rèn)為鼓脹區(qū)導(dǎo)致熔池金屬凝固延遲、應(yīng)力集中以及雜質(zhì)元素偏析，三者共同作用提高了凝固裂紋敏感性［17］。類似現(xiàn)象在激光-電弧復(fù)合焊中也已被證實(shí)，其中值得注意的是提出了用鼓脹角來描述鼓脹區(qū)鼓脹程度大?。?8-19］。在窄間隙激光填絲焊中，眾多文獻(xiàn)認(rèn)為焊縫深寬比與凝固裂紋密切相關(guān)，大的深寬比提高了凝固偏析機(jī)率［20-21］。因此，通過調(diào)整工藝獲得較小的深寬比是目前避免凝固裂紋的常用方法，但存在熔敷效率低的問題，且實(shí)現(xiàn)大深寬比條件下的無凝固裂紋焊縫也是一個(gè)難題。

韓鵬?。?2］等人研究了10Ni5CrMoV鋼窄間隙激光填絲焊中的凝固裂紋的形成機(jī)制，分析了焊縫幾何形狀與凝固裂紋產(chǎn)生的關(guān)系，同樣發(fā)現(xiàn)焊縫的鼓脹區(qū)對(duì)凝固裂紋的形成有重要影響，并提出了一種基于鼓脹角β的凝固裂紋幾何判據(jù)，當(dāng)30°＜β＜60°時(shí)裂紋敏感性高、易開裂，其他情況不開裂。但是對(duì)于鼓脹區(qū)與工藝條件之間關(guān)系尚不明確，因此本研究嘗試通過調(diào)整工藝來控制鼓脹角β大小，從而實(shí)現(xiàn)大深寬比條件下無凝固裂紋焊縫。

1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)?zāi)覆臑?0Ni5CrMoV鋼，尺寸200 mm×150 mm×20 mm；采用JS-80焊絲，直徑1.2 mm。母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。為模擬窄間隙焊接，加工了深8 mm、寬3 mm、雙邊4°的坡口，坡口橫截面如圖1所示，在間隙底部進(jìn)行單層窄間隙激光填絲焊接。

表1 母材及焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of base metal and welding wire（wt.%）

圖1 窄間隙激光填絲焊坡口形狀及尺寸Fig.1 Shape and size of groove for narrow gap laser welding with filler wire

試驗(yàn)前用砂紙打磨坡口并用酒精清理油污，試驗(yàn)過程中激光頭傾角為10°，防止激光反射損害鏡片。焊接時(shí)采用前送絲方式，并通過氬氣（氣流量15L/min）對(duì)焊縫高溫區(qū)進(jìn)行保護(hù)，焊接過程如圖2所示。在窄間隙激光填絲焊接中常采用正離焦擴(kuò)大光束作用面積，從而減少側(cè)壁未熔合的產(chǎn)生。本次激光填絲焊試驗(yàn)的離焦量為+15 mm，通過改變激光功率PL、焊接速度vw、送絲速度vf進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。

圖2 窄間隙激光填絲焊接過程示意Fig.2 Schematic Diagram of Narrow Gap Laser Filler Wire Welding Process

焊接后垂直于焊接方向取樣，進(jìn)行焊縫橫截面宏觀測試。試樣經(jīng)拋光、用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，使用光學(xué)顯微鏡拍攝焊縫橫截面，然后通過Image-Pro Plus（IPP）軟件從拍攝照片中測量焊縫鼓脹區(qū)尺寸，圖3為測量示意圖及鼓脹角定義。其中W0為坡口底部寬度，Wmax為鼓脹部分寬度，Wmin為焊縫表面寬度或者填充高度h下的坡口寬度，d為鼓脹部分到焊縫表面的距離。Wmin由焊縫填充高度h與坡口角度按式（1）計(jì)算，ΔW為鼓脹部分寬度Wmax與坡口寬度Wmin之差，本文用來代表鼓脹區(qū)寬度大小；鼓脹角β按式（2）計(jì)算。

圖3 鼓脹區(qū)尺寸測量示意及鼓脹角定義Fig.3 Schematic diagram for measurement of bulge area size and definition of bulge angle

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

焊縫形狀的幾何特征是由焊接條件直接決定的。為了解鼓脹區(qū)與凝固裂紋形成之間的相關(guān)性，采用不同激光功率PL、焊接速度vw、送絲速度vf得到了不同的焊縫幾何形狀。

2.1 激光功率對(duì)鼓脹區(qū)尺寸的影響

在vw=0.6 m/min、vf=6 m/min條件下，激光功率3～8 kW下的焊縫橫截面如圖4所示，測量焊縫鼓脹區(qū)的寬度與坡口間隙差值ΔW和其距離焊縫表面的距離d如表2所示。

表2 不同激光功率下鼓脹區(qū)的位置及尺寸Table 2 Position and size of bulging zone under different laser power

圖4 不同激光功率下焊縫截面形貌Fig.4 Weld section morphology under different laser power

圖5是焊接速度0.6 m/min、送絲速度6 m/min時(shí)，激光功率變化對(duì)鼓脹區(qū)位置及尺寸的影響?？梢钥闯?，當(dāng)激光功率增大時(shí)鼓脹部分寬度ΔW增加，距焊縫表面距離d減小。在激光功率小于4.5 kW時(shí)，激光能量較低，作用于側(cè)壁母材面積很小，ΔW＜0.5 mm導(dǎo)致鼓脹角較小，此時(shí)鼓脹角β＜30°，焊縫中無凝固延遲部分，無裂紋產(chǎn)生；激光功率為4.5～6.5 kW時(shí)，激光能量增加，作用于側(cè)壁母材面積變大，ΔW增大的同時(shí)d減小，導(dǎo)致鼓脹角增大形成梨形焊縫，此時(shí)鼓脹角30°＜β＜60°，最后凝固在焊縫內(nèi)部，易產(chǎn)生凝固裂紋；當(dāng)激光功率進(jìn)一步增大到6.5～8 kW時(shí)，一方面有更多的熱量傳導(dǎo)至側(cè)壁母材，ΔW繼續(xù)增大，另一方面是焊縫在凝固過程中液相狀態(tài)停留時(shí)間延長，側(cè)壁處與熔池溫度梯度降低，冷卻速度減慢且熔池自下而上依次進(jìn)行，最后凝固點(diǎn)在焊縫表面，此時(shí)最大熔寬接近焊縫表面，d接近0，鼓脹角進(jìn)一步增大，鼓脹角β＞60°，無凝固裂紋產(chǎn)生。由以上分析可知，激光功率較小時(shí)ΔW是影響鼓脹角大小的主要變量，激光功率較大時(shí)d是影響鼓脹角大小的主要變量。

圖5 激光功率對(duì)鼓脹區(qū)位置及尺寸影響Fig.5 Effect of laser power on the position and size of bulging zone

2.2 焊接速度對(duì)鼓脹區(qū)尺寸的影響

在PL=6 kW、vf=6 m/min、vw=0.3～1.2 m/min的試樣橫截面如圖6所示。測量焊縫鼓脹區(qū)的寬度與坡口間隙差值ΔW及其距焊縫表面的距離d如表3所示。

圖6 不同焊接速度下焊縫截面形貌Fig.6 Weld section morphology at different welding speeds

表3 不同焊接速度下鼓脹區(qū)的位置及尺寸Table 3 Position and size of bulge zone at different welding speeds

圖7是激光功率6 kW，送絲速度6 m/min時(shí)，焊接速度變化對(duì)鼓脹區(qū)的影響?？梢钥闯觯S著焊接速度增加ΔW逐漸減小，d先增加后減小。當(dāng)焊速為0.3～0.36 m/min時(shí)，焊絲填充量很大，幾乎填滿被焊坡口，此時(shí)窄間隙坡口對(duì)焊接過程產(chǎn)生的羽輝約束大大減小，激光能量主要集中在試板表面，因此焊縫表面就成為焊縫最寬的部位，此時(shí)d接近于0，β＞60°，最后凝固點(diǎn)在焊縫表面，無凝固裂紋產(chǎn)生；當(dāng)焊速繼續(xù)增加到0.36～0.75 m/min時(shí)，激光既能完全熔化焊絲，又有能量作用于側(cè)壁母材，此時(shí)ΔW與d均較大，鼓脹角30°＜β＜60°，鼓脹部位處于焊縫內(nèi)部，最后凝固點(diǎn)在焊縫內(nèi)部，易產(chǎn)生凝固裂紋；當(dāng)焊接速度在0.75～1.2 m/min時(shí)，熱輸入降低的同時(shí)焊材和母材熔化減少，焊縫中幾乎無鼓脹區(qū)形成，焊縫寬度與坡口寬度接近且最寬位置接近焊縫表面，此時(shí)ΔW與d均較小且ΔW更為明顯，β＜30°，無凝固裂紋產(chǎn)生。綜合以上分析，焊接速度為0.30～0.36 m/min時(shí)d是影響鼓脹角大小的主要變量，焊接速度為0.75～1.2 m/min時(shí)ΔW是影響鼓脹角大小的主要變量。

圖7 焊接速度對(duì)鼓脹區(qū)位置及尺寸影響Fig.7 Effect of welding speed on position and size of bulge zone

2.3 送絲速度對(duì)鼓脹區(qū)尺寸影響

在PL=6 kW、vw=0.8 m/min、送絲速度4～8 m/min下的焊縫截面如圖8所示。不同送絲速度下鼓脹區(qū)的位置及尺寸如表4所示。

圖8 不同送絲速度下焊縫截面形貌Fig.8 Weld section morphology at different wire feeding speeds

表4 不同送絲速度下鼓脹區(qū)的位置及尺寸Table 4 Position and size of bulge zone at different wire feeding speeds

圖9是在激光功率6 kW，焊接速度0.8 m/min時(shí)，送絲速度變化對(duì)鼓脹區(qū)的影響?？梢钥闯?，隨著送絲速度增加，ΔW與d先增加后減小。不同送絲量決定了激光能量作用于焊絲和母材的比例，送絲速度為4～6 m/min時(shí)激光能量不僅能熔化焊絲，還作用于母材側(cè)壁使熔化量增加，ΔW和d增加；送絲速度在6～8 m/min之間時(shí)，激光能量更多地用來熔化焊絲，用于熔化側(cè)壁的能量較少，因此ΔW和d減小。由于此組焊接參數(shù)焊接速度較快，導(dǎo)致ΔW均小于0.5 mm，β＜30°，無凝固裂紋產(chǎn)生，但是可以推斷送絲速度大時(shí)d是影響鼓脹角大小的主要變量。

圖9 送絲速度對(duì)鼓脹區(qū)位置及尺寸影響Fig.9 Effect of wire feeding speed on position and size of bulge zone

以上研究表明焊絲與母材吸收激光能量的比例對(duì)鼓脹區(qū)的大小有重要影響，減小激光功率、增加焊速和送絲速度均能減小鼓脹區(qū)。綜合以上影響因素，確定不同β角大小的工藝區(qū)間，如表5所示。激光功率3.8～4.5 kW，焊速0.36～0.6 m/min，送絲速度6.2～7.5 m/min，激光能量大部分作用于焊絲，ΔW＜0.5 mm且d＞0.55 mm，β＜30°不易產(chǎn)生凝固裂紋；當(dāng)激光功率為6.5～8 kW，焊速0.75～1.0 m/min，送絲速度6.2～8m/min，ΔW＜0.5mm且d接近0.55mm，β＜30°也不易產(chǎn)生凝固裂紋；當(dāng)激光功率為6.5～8kW，焊速0.6～0.75 m/min，送絲速度4～5.5 m/min時(shí)，ΔW＞0.5 mm且d接近0，β＞60°，不產(chǎn)生凝固裂紋。

表5 不同β角大小工藝區(qū)間Table 5 β Process section of different angle

圖10為激光功率4 kW，焊接速度0.54 m/min，送絲速度7.5 m/min，離焦量+15 mm下的焊縫成形、截面形貌、X射線探傷圖片，無裂紋產(chǎn)生。經(jīng)過測量ΔW=0.41 mm，d=0.73 mm，可得到鼓脹角β=15.6°＜30°，深寬比值為2.1。因此，減小鼓脹角β是獲得大深寬比條件下無凝固裂紋焊縫的有效方法。

圖10 焊縫成形與探傷Fig.10 Weld formation and flaw detection diagram

3 結(jié)論及展望

研究了工藝參數(shù)對(duì)高強(qiáng)鋼填絲激光窄間隙焊中焊縫鼓脹區(qū)尺寸影響。主要得出以下結(jié)論：

（1）焊絲與母材吸收激光能量的比例對(duì)鼓脹區(qū)的大小有重要影響，減小激光功率、增加焊接速度和送絲速度能夠減小鼓脹區(qū)。

（2）確定不同鼓脹角β大小的工藝區(qū)間。β＜30°工藝區(qū)間為：激光功率3.8～4.5 kW，焊速0.36～0.6 m/min，送絲速度6.2～7.5 m/min或激光功率6.5～8 kW，焊速0.75～1.0 m/min，送絲速度6.2～8 m/min，β＞60°的工藝區(qū)間為：激光功率6.5～8 kW，焊速0.6～0.75 m/min，送絲速度4～5.5 m/min。

（3）減小鼓脹角β是獲得大深寬比條件下無凝固裂紋焊縫的有效方法。

（4）未來需要進(jìn)一步將數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合，闡明不同工藝條件下激光能量在匙孔方向的分布，以幫助深入了解鼓脹區(qū)的形成。