镍-不锈钢复合板激光深熔焊工艺研究.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.7Jul.2023第 53 卷 第 7 期2023 年7 月镍-不锈钢复合板激光深熔焊工艺研究严益，岳民杰，玉昆，王金龙中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800摘要：采用30 kW超高功率光纤激光器对总厚度20 mm的镍-不锈钢复合板开展激光深熔焊试验，分析了激光功率、焊接速度和离焦量对焊缝表面成形的影响。结果表明，在离焦量-8 mm，焊接速度2.1 m/min保持不变的情况下，随着激光功率的增加，焊缝均得以实现单面焊背面成形，但存在表面下塌、飞溅和咬边缺陷；当激光功率为26 kW时，在焊接过程稳定阶段（除起弧和收弧位置）获得了背面成形均匀、连续、根部熔透良好的焊缝；当激光功率为25 kW、离焦量为-8 mm时，焊接速度范围在1.82.4 m/min时，焊缝表面出现塌陷及底部驼峰缺陷；当焊接速度为2.4 m/min时，焊缝部分位置未焊透，且焊缝稳定性差；随着离焦量从-3 mm到-10 mm变化，焊缝均被熔透，但存在飞溅、咬边和表面下塌缺陷。本研究为后续进一步优化激光深熔焊工艺提供了试验依据。关键词：超高功率激光；镍-不锈钢复合板；激光深熔焊；厚板；焊缝成形中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）07-0046-06Study on Welding Process of Deep Penetration Laser Welding of Ni-clad Stainless Steel PlateYAN Yi,YUE Minjie,YU Kun,WANG JinlongShanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,ChinaAbstract:Deep penetration laser welding experiments were conducted on Ni-clad stainless steel plates with a total thickness of 20 mm using a 30 kW ultra-high power fiber laser.And the influences of laser power,welding speed and defocus on surface appearances of welds were investigated.The results showed that under the conditions of welding speed of 2.1 m/min,defocusing amount of-8 mm,with the increase of laser power,the welds of side welding both sides formation were obtained,but with spatter,undercut,surface undercut and root hump defects.At a laser power of 26 kW,the weld with uniform forming and continuous back,good root penetration was achieved in the stabilization stage of the welding process(except the arc generating and quenching positions).When the laser power was 25 kW,the defocusing amount was-8 mm and the welding speed range was from 1.8 m/min to 2.4 m/min,the defects of surface undercut and root hump appeared at the top and bottom surfaces respectively.At a speed of 2.4 m/min,the partial penetration welds were obtained.With the change of defocusing distance from-3 mm to-10 mm,the full penetration welds were obtained with spatter,undercut and surface undercut defects.The research in this paper provided an experimental basis for further optimization of deep penetration laser welding process.Keywords:Ni-stainless steel clad plate;deep penetration laser welding;thick plate;weld formation引用格式：严益，岳民杰，玉昆，等.镍-不锈钢复合板激光深熔焊工艺研究 J.电焊机，2023，53（7）：46-51.Citation:YAN Yi,YUE Minjie,YU Kun,et al.Study on Welding Process of Deep Penetration Laser Welding of Ni-clad Stainless Steel PlateJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):46-51.收稿日期：2023-06-05作者简介：严益（1993），男，硕士研究生，主要从事激光焊接的研究。通讯作者：岳民杰（1986），男，学士，主要从事激光焊接、无损检测技术的研究。E-mail：。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.070 前言钍基熔盐反应堆为第四代核电堆型之一，高温熔盐（典型如氟化盐）作为一回路的燃料载体和二回路的冷却剂，保证了熔盐堆的高热效率和固有安全性，并对结构材料提出了高温强度（700）和耐熔盐腐蚀方面的苛刻要求1。20世纪5060年代美国橡树岭国家实验室（ORNL）在设计制造实验熔盐堆（MSRE）时，就同步开展了合金结构材料的研发工作，并研发出Ni-17Mo-7Cr-4Fe 基的固溶强化镍基高温合金Hastelloy N2。目前，已对Hastelloy N进行国产化开发，性能与Hastelloy N合金基本一致，且具有良好的高温稳定性3，以及具有优异的抗熔盐腐蚀性能4。同时已被应用于熔盐堆压力容器、主管道和主泵等设备的制造。然而，由于镍基高温合金中Ni、Mo含量高，导致该材料成本居高不下，严重影响熔盐堆的经济性。因此迫切需要既能满足耐熔盐腐蚀，又能在700 高温下稳定工作的合金结构材料。316H 不锈钢的许用温度可达825 5-6，纯镍的耐熔盐腐蚀性能更强7-8，且价格比镍基高温合金低。因此，兼具优良高温力学性能和耐熔盐腐蚀性的纯镍-316H不锈钢复合板有望成为熔盐堆的候选材料。焊接作为核电装备的主要连接工艺，且随着对焊接件强度要求的提高，大厚度焊接结构被广泛地应用9。对于厚板的焊接，需开大坡口进行多层多道填充焊，使得焊接时间和焊材消耗量成倍增加，从而导致生产效率低及生产成本高。此外，焊接热输入量的增加会使得试件焊后因冷却不均匀而造成较大的焊接变形，降低产品件的合格率。因此，寻求高效、变形小及热输入量低的方法焊接镍-不锈钢复合厚板是工程上亟待解决的问题。与传统电弧焊相比，激光焊接具有能量密度高、生产效率高、热影响区（HAZ）窄、残余应力小、焊接变形小、深宽比大等优点10。同时，随着板厚的增加，需增加激光功率以获得更大熔深，在很大程度上能减少焊道层数，降低层间清理次数并减少不必要的坡口加工11。但是，随着激光功率的增加，焊缝易形成飞溅、气孔、塌陷与底部驼峰等缺陷12-14。因此，研究高功率激光深熔焊工艺对厚板的高效、优质焊接具有重要意义。目前，大量研究人员已开展了高功率激光深熔焊技术研究，如Sokolov等15采用30 kW光纤激光器实现了25 mm厚S355的熔透焊接，并研究了焊缝硬度分布。Grupp等16在相同激光功率下完成了32 mm不锈钢一次焊接成形。信纪军等17采用20 kW光纤激光器焊接20 mm厚316LN奥氏体不锈钢，研究了焊接工艺参数对焊缝成形及宏观形貌的影响，并对焊接接头的显微组织和力学性能进行了分析。Katayama等14利用IPG YLR-30000光纤激光器对304不锈钢和5052铝合金进行焊接，结果表明，在高速下激光功率密度对熔深的影响较大，而在低速下只有更高的激光功率才能获得更大的熔深。焊接过程等离子体的动态行为与焊缝熔深的变化及飞溅、未熔合、气孔和驼峰等缺陷的产生密切相关。Zhang等18分析了10 kW光纤激光焊接厚板过程焊接参数对焊缝成形的影响。试验发现，采用特殊的侧吹保护，在激光功率为10 kW、焊接速度为0.3 m/min时，可以使得焊缝熔深从18.2 mm增大到24.5 mm。随后开设双面Y型坡口，采用激光自熔焊对接打底，然后进行激光填丝焊，实现了50 mm不锈钢板的焊接。Avilov等19采用15 kW光纤激光对30 mm厚铝合金进行了焊接，采用电磁场熔池辅助系统对平焊焊接过程进行研究。Kawahito等20采用10 kW光纤激光焊接8 mm和20 mm厚不锈钢，对超高功率光纤激光器不锈钢厚板焊接的试验现象及常见缺陷进行了试验观测，并对光致等离子体特性及其对焊接熔深的影响进行了研究。Katayama等21利用100 kW光纤激光器实现70 mm厚304不锈钢双面单道焊接成形且焊缝质量良好。因此，高功率激光深熔焊为厚板优质高效地焊接提供了有效解决办法。但关于总厚度为20 mm及以上复合板的高功率激光焊研究鲜有报道。本文采用30 kW高功率光纤激光器对总厚度为20 mm厚的镍-不锈钢复合板进行激光深熔焊，分析不同焊接工艺参数对焊缝表面成形的影响。该研究对后期优化镍-不锈钢复合板激光深熔焊工艺具有重要借鉴意义。第 7 期严益，等：镍-不锈钢复合板激光深熔焊工艺研究0 前言钍基熔盐反应堆为第四代核电堆型之一，高温熔盐（典型如氟化盐）作为一回路的燃料载体和二回路的冷却剂，保证了熔盐堆的高热效率和固有安全性，并对结构材料提出了高温强度（700）和耐熔盐腐蚀方面的苛刻要求1。20世纪5060年代美国橡树岭国家实验室（ORNL）在设计制造实验熔盐堆（MSRE）时，就同步开展了合金结构材料的研发工作，并研发出Ni-17Mo-7Cr-4Fe 基的固溶强化镍基高温合金Hastelloy N2。目前，已对Hastelloy N进行国产化开发，性能与Hastelloy N合金基本一致，且具有良好的高温稳定性3，以及具有优异的抗熔盐腐蚀性能4。同时已被应用于熔盐堆压力容器、主管道和主泵等设备的制造。然而，由于镍基高温合金中Ni、Mo含量高，导致该材料成本居高不下，严重影响熔盐堆的经济性。因此迫切需要既能满足耐熔盐腐蚀，又能在700 高温下稳定工作的合金结构材料。316H 不锈钢的许用温度可达825 5-6，纯镍的耐熔盐腐蚀性能更强7-8，且价格比镍基高温合金低。因此，兼具优良高温力学性能和耐熔盐腐蚀性的纯镍-316H不锈钢复合板有望成为熔盐堆的候选材料。焊接作为核电装备的主要连接工艺，且随着对焊接件强度要求的提高，大厚度焊接结构被广泛地应用9。对于厚板的焊接，需开大坡口进行多层多道填充焊，使得焊接时间和焊材消耗量成倍增加，从而导致生产效率低及生产成本高。此外，焊接热输入量的增加会使得试件焊后因冷却不均匀而造成较大的焊接变形，降低产品件的合格率。因此，寻求高效、变形小及热输入量低的方法焊接镍-不锈钢复合厚板是工程上亟待解决的问题。与传统电弧焊相比，激光焊接具有能量密度高、生产效率高、热影响区（HAZ）窄、残余应力小、焊接变形小、深宽比大等优点10。同时，随着板厚的增加，需增加激光功率以获得更大熔深，在很大程度上能减少焊道层数，降低层间清理次数并减少不必要的坡口加工11。但是，随着激光功率的增加，焊缝易形成飞溅、气孔、塌陷与底部驼峰等缺陷12-14。因此，研究高功率激光深熔焊工艺对厚板的高效、优质焊接具有重要意义。目前，大量研究人员已开展了高功率激光深熔焊技术研究，如Sokolov等15采用30 kW光纤激光器实现了25 mm厚S355的熔透焊接，并研究了焊缝硬度分布。Grupp等16在相同激光功率下完成了32 mm不锈钢一次焊接成形。信纪军等17采用20 kW光纤激光器焊接20 mm厚316LN奥氏体不锈钢，研究了焊接工艺参数对焊缝成形及宏观形貌的影响，并对焊接接头的显微组织和力学性能进行了分析。Katayama等14利用IPG YLR-30000光纤激光器对304不锈钢和5052铝合金进行焊接，结果表明，在高速下激光功率密度对熔深的影响较大，而在低速下只有更高的激光功率才能获得更大的熔深。焊接过程等离子体的动态行为与焊缝熔深的变化及飞溅、未熔合、气孔和驼峰等缺陷的产生密切相关。Zhang等18分析了10 kW光纤激光焊接厚板过程焊接参数对焊缝成形的影响。试验发现，采用特殊的侧吹保护，在激光功率为10 kW、焊接速度为0.3 m/min时，可以使得焊缝熔深从18.2 mm增大到24.5 mm。随后开设双面Y型坡口，采用激光自熔焊对接打底，然后进行激光填丝焊，实现了50 mm不锈钢板的焊接。Avilov等19采用15 kW光纤激光对30 mm厚铝合金进行了焊接，采用电磁场熔池辅助系统对平焊焊接过程进行研究。Kawahito等20采用10 kW光纤激光焊接8 mm和20 mm厚不锈钢，对超高功率光纤激光器不锈钢厚板焊接的试验现象及常见缺陷进行了试验观测，并对光致等离子体特性及其对焊接熔深的影响进行了研究。Katayama等21利用100 kW光纤激光器实现70 mm厚304不锈钢双面单道焊接成形且焊缝质量良好。因此，高功率激光深熔焊为厚板优质高效地焊接提供了有效解决办法。但关于总厚度为20 mm及以上复合板的高功率激光焊研究鲜有报道。本文采用30 kW高功率光纤激光器对总厚度为20 mm厚的镍-不锈钢复合板进行激光深熔焊，分析不同焊接工艺参数对焊缝表面成形的影响。该研究对后期优化镍-不锈钢复合板激光深熔焊工艺具有重要借鉴意义。472023 年1 试验材料、设备与方法试验材料为经轧制工艺形成的镍-不锈钢复合板，基层使用 16 mm 厚的 316H 不锈钢，覆层使用4 mm厚的N6纯镍板材，其基层与覆层的化学成分分别见表1、表2。复合板尺寸为150 mm123 mm20 mm。采用德国IPG公司生产的光纤激光器，型号为YLS-30000，最大输出功率为30 kW，并利用双龙门机器人焊接研发平台进行平焊位置激光深熔焊，试验平台如图1所示。焊接过程激光倾角为0，试件正面和背面的保护气体为Ar（99.99%），且气流量均为25 L/min。此外，采用单因素试验方法分别研究激光功率、焊接速度和离焦量对焊缝成形特征的影响，其焊接参数如表3所示。同时，为保证焊接接头的质量，在试验前使用丙酮清除试板上的油污和氧化膜，待丙酮挥发后用酒精擦拭，并用压缩空气吹干试件表面。2 试验结果及分析2.1 激光功率对焊缝成形的影响激光功率是激光焊接中最主要的参量之一，是衡量激光器能量的指标。在激光焊接过程中，激光直接作用于材料表面，激光功率直接决定了激光熔化材料的能力。激光功率对焊缝成形最大的影响在于对焊缝的穿透能力，即熔深的影响。当其他焊接工艺参数不变时，随着激光功率的增大，焊接热输入提高。激光功率对焊缝表面成形的影响变化如图2所示。可以看出，在保持离焦量为-8 mm，焊接速度为2.1 m/min的不变情况下，随着激光功率的增加，焊缝均得以实现单面焊背面成形，但焊缝存在表面下塌、飞溅和咬边缺陷；当激光功率为25 kW时，焊缝表面飞溅相对较少；当激光功率为25 kW和28 kW时，在焊缝不同位置出现底部驼峰；当激光功率为26 kW时，焊缝背面无驼峰产生，且在焊接过程稳定阶段（除起弧和收弧位置），焊缝背面成形相较于其他工艺参数下的焊缝，其焊缝背面成形更稳定、均匀且连续。表1N6化学成分（质量分数，%）Table 1Chemical composition of N6（wt.%）C0.018Mn0.004Fe0.017S0.001Si0.009Mg0.004Ni+Co100.27Cu0.020表2316H化学成分（质量分数，%）Table 2Chemical composition of 316H（wt.%）C0.05Si0.47Mn1.22P0.029S0.001Cr16.9Ni10.1Mo2.05图1焊接工作平台Fig.1Welding work platform表3激光深熔焊工艺参数Table 3Welding processing parameters of deep penetration laser welding激光功率/kW25，26，28焊接速度/（m min-1）1.8，2.1，2.4离焦量/mm-10，-8，-5，-3（a）25 kW（b）26 kW（c）28 kW图2激光功率对焊缝表面成形的影响Fig.2Effect of laser power on surface appearances of welds48第 7 期严益，等：镍-不锈钢复合板激光深熔焊工艺研究2.2 焊接速度对焊缝成形的影响激光焊接相对传统焊接方法，焊接速度是激光焊接的主要优势，且激光功率与焊接速度之比为焊接线能量，焊接线能量大小决定了焊接热输入大小，直接影响焊缝成形。因此，在激光功率和材料一定的情况下，单一改变焊接速度，焊缝成形亦会随之发生变化。当激光功率为25 kW和离焦量为-8 mm时，不同焊接速度对焊缝表面成形的影响如图3所示。可以发现，焊接速度对焊缝背面成形影响较大，焊缝表面均出现了飞溅、咬边、表面下塌和底部驼峰缺陷；当焊接速度为1.8 m/min和2.1 m/min时，焊缝均实现了熔透焊接；当焊接速度由1.8 m/min提升至2.1 m/min时，焊缝底部驼峰缺陷有所改善；当焊接速度为2.4 m/min时，有部分未熔透情况，且焊缝成形有不稳定性、不均匀且不连续的情况。这是因为随着焊接速度的增大，激光停留时间短，焊接线能量减小，从而导致焊缝熔深降低，造成焊缝部分未熔透。试验结果表明，对于万瓦级光纤激光深熔焊接厚板，仅仅通过改变焊接速度难以获得临界焊透的焊缝。2.3 离焦量对焊缝成形的影响离焦量是指激光焦平面与待焊工件上表面的距离，当焦平面位于工件上表面以上时为正离焦，焦平面位于工件上表面以下时为负离焦，焦平面位于工件上表面时离焦量为零。离焦量作为激光焊接的重要参数之一，从光学角度考虑，改变激光焊接的离焦量实质上是改变了激光束作用光斑面积从而改变了激光功率密度，且离焦量的细微变化（毫米级别）将在很大程度上影响焊缝成形。在固定焊接速度1.8 m/min、激光功率29.5 kW的情况下，改变离焦量对总厚度为20 mm厚的镍-不锈钢复合板进行试验。离焦量在-3 mm、-5 mm、-8 mm和-10 mm情况下焊缝成形的变化规律，如图4所示。由图可知，离焦量为-3 mm、-5 mm、-8 mm和-10 mm的焊缝成形分别对应图中焊缝编号1114。当离焦量从-3 mm变化到-8 mm，焊缝均被焊透，但焊缝上表面依然存在飞溅、咬边和表面下塌缺陷。此外，不同离焦量下的焊缝表面也出现了不同程度的下塌。当离焦量为-10 mm时，可以发现焊缝出现底部驼峰，同时也进一步说明，焊缝出现底部驼峰情况下，也会伴随着表面下塌。当离焦量为-8 mm 时，焊缝背面成形相较于其他焊接参数，焊缝成形相对均匀且连续。此外，此次试验均采用负离焦进行激光深熔焊，这是因为负离焦的焦点在材料内部，激光容易传递到材料内部，更有利于穿透工件获得全熔透焊缝。（a）正面成形（b）背面成形图4离焦量对焊缝表面成形的影响Fig.4Effect of defocus on surface appearances of welds图5为不同离焦量下的焊缝横截面形貌。由图（a）1.8 m/min（b）2.1 m/min（c）2.4 m/min图3焊接速度对焊缝表面成形的影响Fig.3Effect of welding speed on surface appearances of welds492023 年5可以看出，在不同离焦量下，焊缝内部都出现了横向裂纹和气孔缺陷。当离焦量为-3 mm和-5 mm时，焊缝有纵向裂纹。当离焦量由-3 mm 变化至-10 mm时，焊缝的熔宽降低近36.4%，表面下塌深度表现为先增加后降低的变化规律，如图6所示。3 结论及展望采用30 kW高功率光纤激光器对总厚度20 mm的镍-不锈钢复合板进行激光深熔焊试验，研究了焊接工艺参数对焊缝成形的影响，得到以下结论：（1）当离焦量-8 mm，焊接速度保持2.1 m/min不变时，激光功率为25 kW和28 kW的焊缝在不同位置出现了底部驼峰缺陷。（2）由焊接速度对焊缝表面成形的影响结果可知，焊接速度对焊缝背面成形影响较大，在焊缝表面均出现了飞溅、咬边、表面下塌和底部驼峰缺陷；当焊接速度在1.82.1 m/min范围内，焊缝未出现未熔透情况。试验结果表明，对于万瓦级光纤激光深熔焊接厚板，仅仅通过改变焊接速度难以获得临界焊透的焊缝。（3）当焊接速度1.8 m/min，激光功率29.5 kW，离焦量范围为-3-10 mm时，可以发现，焊缝均被焊透且焊缝表面出现下塌缺陷；当离焦量为-10 mm时，出现底部驼峰缺陷；由焊缝横截面形貌可知，焊缝内部都出现了横向裂纹和气孔缺陷，当离焦量为-3 mm、-5 mm时，焊缝有纵向裂纹。本研究仅从工艺角度探索了镍-不锈钢复合板激光深熔焊工艺参数对焊缝成形的影响，但对焊缝成形的作用机理尚不明确，未来研究方向应进一步优化焊接工艺参数，从宏观和微观形貌细致分析焊缝成形规律；分析万瓦级光纤激光深熔焊接厚板飞溅、表面塌陷与底部驼峰等缺陷产生机理及抑制措施，并建立焊接工艺窗口；针对万瓦级光纤激光深熔焊接镍-不锈钢复合板焊接接头显微组织和材料力学性能进行检测分析，建立工艺形貌组织性能变化关系。参考文献：1 Lei T，Jiang L，Ye X X，et al.Effect of W/Mo ratio on the as-cast microstructure of Nb-modified Hastelloy N alloysJ.Materials Characterization，2021，175：111075.2 Chen S，Zhao L，Wang J，et al.Microstructure evolution and mechanical properties of simulated HAZ in a Ni-17Mo-7Cr 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