激光MIG复合焊接用于厚板焊接的工艺研究.doc

激光-MIG复合焊接用于厚板焊接工艺研究

传统上厚度超出20mm以上大厚板焊接通常采取多丝埋弧焊、 熔化极气保护焊、 电渣焊等焊接方法, 在焊接时要求开坡口并进行多层焊接。伴随板厚增加, 焊接层数增加, 使得在实际生产中增加了准备工序和焊接加工时间, 从而造成了生产效率下降和焊接成本增加, 同时因为输入线能量大, 热影响区大, 造成焊后变形大, 焊接接头力学性能下降等。现在在造船、 核电站、 管道、 航空航天等领域焊接中越来越要求提升生产效率, 改善产品质量, 大功率激光焊接发展能够很好满足这一要求。
与传统电弧焊接相比, 激光焊接有很大优势。激光深熔焊接关键优点是: 深熔焊接模式下焊缝深宽比大, 焊道数量少, 总热输入量少, 可大大降低焊接变形。所以, 用激光焊替换现在船舶制造中使用传统焊接方法（关键是埋弧焊和活性气体保护焊）, 使得不开坡口进行单道焊接或大大降低焊接层数成为可能, 这能较大提升焊接速度和焊接生产效率, 更关键是能减小焊接变形; 同时因为焊接热源能量密度集中、 线能量小、 热影响区很窄, 使得焊接接头力学性能优异。激光-MIG复合焊接, 结合了激光焊接和MIG焊接优势, 可取得较高焊接效率及焊接质量。
1试验设备与材料
试验材料为24mm厚船用钢板。钢板和焊丝化学成份如表1所表示, 母材组织为块状铁素体和珠光体机械混合组织。试验采取创鑫激光2500W连续光纤激光器。系统中电弧焊机采取kemppi企业生产Kemppi Pro增强型焊机。
表1 钢板和焊丝化学成份(wt, %) Table 1 Chemical composition of steel plate and wire
材料
C
Si
Mn
P
S
钢板
0.14
0.3
1.36
0.012
0.0043
焊丝
0.08
0.6
1.13
0.03
0.035
2 厚板多道焊接工艺
2.1 坡口形式
坡口设计对于激光焊接质量与效率都有很大影响。确定坡口形式如图1所表示。依据激光功率, 钝边厚度确定为12mm, 在坡口下部开了一个4×3.6mm矩形槽, 关键是为了在第一道纯激光焊接时候有效地抑制激光光致等离子体, 使得焊接过程稳定, 确保焊接质量。

图 1多道焊坡口形式
Figure 1 Groove form of multi-pass welding
2.2 焊接工艺优化
试验中共经过5道实现24mm厚船用钢板激光焊接。第一道采取纯激光对试样根部进行焊接, 其它焊道采取激光-MIG复合焊接, 伴随填充焊道数增加, 激光功率逐步减小, 送丝速度逐步增加, 电弧电压基础维持不变。对取得焊缝宏观截面进行检测, 没有发觉裂纹产生, 存在极少许细小分散气孔, 采取多道焊工艺能够满足船用技术要求。
激光焊接和MIG焊接恒定工艺参数为, 离焦量: -2 mm, 激光侧吹气体及流量: 100％He, 30 L/min, MIG保护气体及流量: 75％He＋25％Ar, 30 L／min, 焊丝伸出长度: 16 mm, 激光与电弧间距为4mm。
图2为24mm厚板激光多道焊接焊缝横截面, 从图中能够看到多道焊形成5条焊缝。

图 2 多道焊焊缝横截面
Figure2 Cross section of multi-pass welding
3 试验结果与分析
3.1 多层焊接组织
（1）焊缝组织
因为采取多道焊接, 在焊接热循环作用下, 上一焊道组织受下一焊道影响, 所以关键分析未受其她焊接道次影响焊缝组织和受其她道次影响焊缝组织。图3和图4所表示为未受其她焊接道次影响纯激光焊接和最终一道激光-MIG复合焊焊缝组织。纯激光焊焊缝关键为板条马氏体和少许上贝氏体组成。该钢材碳含量并不高, 不过因为激光焊接冷却速度快, 焊缝有淬硬倾向, 激光焊接后焊缝金属因激光焊特有高速冷却而轻易形成马氏体淬硬组织, 通常含有较高强度和硬度, 但会降低冲击韧性。第2~5道采取激光-MIG复合焊, 因为焊丝含碳量较低, 焊缝冷却后组织关键为板条马氏体, 在原奥氏体晶界也有少许羽毛状上贝氏体组织。

图 3纯激光焊缝组织 图4 激光-MIG复合焊焊缝组织
Figure 3 microstructure of pure laser welding Figure 4 microstructure of laser-MIG welding
图5~8所表示焊缝组织为焊缝重合区（焊缝按多道焊接前后次序依次为焊缝1、 2、 3、 4、 5）, 代表了多道焊之间影响。采取多道焊接, 因为后一道焊接时热循环作用, 位于后一道焊缝热影响区范围内组织发生了改变, 处于回火温度区域内前一道焊缝马氏体组织发生回火, 转变为以粒状贝氏体、 上贝氏体和板条马氏体为主混合组织, 这降低了焊缝硬度, 改善了性能。

图5位于焊缝2热影响区内焊缝1组织 图6位于焊缝3热影响区内焊缝2组织
Figure 5 Weld 1 locating in HAZ of weld 2 Figure 6 Weld 2 locating in HAZ of weld 3

图7位于焊缝4热影响区内焊缝3组织 图8位于焊缝5热影响区内焊缝4组织
Figure 7 Weld 3 locating in HAZ of weld 4 Figure 8 Weld 4 locating in HAZ of weld 5
图5所表示为纯激光焊接焊缝受到影响, 其组织关键为板条马氏体和少许粒状贝氏体; 图6和图7所表示组织关键由粒状贝氏体和少许马氏体组成; 图8所表示组织由粒状贝氏体、 马氏体和少许上贝氏体组成, 与图6和图7相比, 马氏体数量有所增加。
（2）热影响区组织
图9和图10分别为纯激光焊接热影响区粗晶区和细晶区金相组织。如图9所表示, 焊缝周围完全淬火区, 焊接时温度在固相线以下到1100℃左右, 金属处于过热状态, 奥氏体化时晶粒严重长大, 形成粗晶区, 焊后淬火组织为粗大板条马氏体; 如图10所表示, 焊接时母材金属被加热到温度AC3以上部位, 发生重结晶, 铁素体和珠光体全部转变为奥氏体, 在空气中冷却后组织为细小均匀粒状贝氏体和板条马氏体。图11和12分别为激光-MIG复合焊热影响区粗晶区和细晶区金相组织。粗晶区为粗大板条马氏体组织, 细晶区为均匀分布粒状贝氏体和板条马氏体组织。能够看到, 激光-MIG复合焊热影响区晶粒更细小, 细晶区粒状贝氏体数量更多。

图9 纯激光焊接粗晶区 图10 纯激光焊接细晶区
Figure 9 Coarse grained region of pure laser welding Figure10 Fine grained region of pure laser welding

图11 激光-MIG复合焊粗晶区 图12 激光-MIG复合焊细晶区
Figure 11 Coarse grained region of Figure 12 Fine grained region of
laser-MIG hybrid welding laser-MIG hybrid welding
3.2 显微硬度分析
全方面测试了焊缝硬度, 测试硬度位置如图13所表示。

图13 硬度线示意图 Figure 13 Diagrammatic sketch of hardness line
图14-（a）硬度线1显示多道焊焊缝中心硬度分布, 图14-（b）硬度线2代表最终一道激光-MIG复合焊焊缝和热影响区硬度分布, 图14-（c）硬度线3代表中间道次激光-MIG复合焊焊缝和热影响区硬度分布, 图14-（d）硬度线4代表第一道纯激光焊焊缝和热影响区硬度分布。

（a）硬度线1 （b）硬度线2

（c）硬度线3 （d）硬度线4
图14 显微硬度曲线图
Figure 14 The curve graph of micro-hardness(a-hardness line 1;b-hardness line 2;c-hardness line 3;d-hardness line 4)
由图14-（a）可知, 沿焊缝中心线从上到下硬度总体趋势是逐步降低, 即多道焊时越靠后道次焊缝硬度越高, 结合前述多道焊之间影响可知, 这是因为后道次焊接时热量输入使靠前道次焊缝马氏体组织发生回火, 使得位于后一道焊缝热影响区组织转变, 所以降低了焊缝硬度。由图14-（b）、 14-（c）和14-（d）可知, 母材硬度最低, 在焊接接头热影响区细晶区硬度最大, 在焊缝区又降低, 出现一个近似平台区, 这是因为焊缝区关键为粗大板条马氏体和少许贝氏体, 硬度较高; 细晶区一样为马氏体, 但马氏体更细小, 所以硬度更大; 而且硬度线峰值大小关系是: 硬度线2＞硬度线3＞硬度线4, 这也印证了图14-（a）硬度改变趋势。 总而言之, 多道焊接头最大硬度为370HV左右, 小于380HV, 满足使用要求。
4 结论
（1）依据激光焊接特点, 设计了24mm船用厚板坡口, 采取优化焊接工艺, 用5道焊接实现了24mm船用厚板激光焊接, 其中第1道为纯激光焊接, 第2~5道采取激光-MIG复合焊接。取得焊缝经过宏观截面检测, 存在少许分散气孔, 没有裂纹, 能够满足船用技术要求。
（2）纯激光焊缝为关键为板条马氏体和上贝氏体混合组织; 激光-MIG复合焊焊缝组织关键为板条马氏体; 多道焊接时道次之间存在影响, 焊缝重合区域组织关键为粒状贝氏体和板条马氏体; 焊缝热影响区粗晶区组织关键为粗大板条马氏体, 细晶区组织关键为均匀细小粒状贝氏体和板条马氏体组织。
（3）沿焊缝中心线从上到下硬度总体趋势是逐步降低; 硬度值从母材逐步增大, 在焊缝热影响区细晶区达成最大, 在焊缝区又降低, 出现一个近似平台区。焊接接头硬度最大值为370HV左右, 小于380HV, 满足使用要求。