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光纖激光焊接機高強度焊接接頭

發布時間：2016-08-29 | 來源：星鴻藝激光焊接運營部 | 分享：

    船舶甲板和艙壁的焊縫具有平直、長度長的特點，焊接接頭形式為平板對接和T型接頭，適合自動化焊接。隨著造船精度要求的不斷提高，而激光焊接的高效、快速、低熱輸入、小變形等特點則能適應船舶結構低變形焊接的要求。光纖激光因其比C02激光具有更好的光束質量、更大的連續輸出功率、更高的電光轉換效率以及可光纖導光等優點引起了國內外學者的重視，在激光焊接中也得了到越來越廣泛的使用。
    lOCrSiNiCu鋼是我國白行研制的船舶非耐壓殼體用鋼，它既具有較高的屈服強度(>400 MPa)，又具有良好的低溫(-40℃)沖擊韌性和焊接性能”l。由其構成的船舶甲板和艙壁的焊接制造目前采用的是埋弧焊、熔化極氣體保護焊等常規焊接方法，但是應用常規焊接方法產生的主要問題是熱輸人大、焊接變形大，給船舶制造精度的提高帶來了困難。現國內船用高強鋼的光纖激光焊接機處于研究階段，尚未在下程中得到應用。楊欖生等”采用IPG YLS-5000光纖激光器白熔焊接了lOCrSiNiCu鋼三明治板T型接頭，所得的焊縫和熱影響區的顯微硬度均高于母材，焊縫組織為板條馬氏體，熱影響區組織主要為馬氏體、殘余奧氏體及少量析；H碳化物。賈進等采用YAG激光器研究了3.2 mm厚的E36激光白熔焊接接頭組級和性能，發現接頭組織以及硬度特性也隨著焊速變化而變化，當焊接速度達到70 mm/s時，焊縫區域的最高硬度達到448.9 HV，焊接速度為20—60 mm/s的拉伸試樣均斷裂在母材。低合金高強度鋼的激光白熔焊和復合焊的接頭力學性能、接頭區軟化、接頭疲勞性能等方面也得到了一定的研究”。
    由上可知，lOCrSiNiCu船用高強鋼的激光焊接機研究較少，針對其光纖激光填絲焊接接頭的組織和性能的研究尚未見報道。激光填絲焊接既具有較好的間隙容忍度，又具有比激光復合焊更低的焊接熱輸入和變形，在船用鋼結構低變形焊接制造中有應用潛力。因此，本文采用IPG-10000型光纖激光器，針對lOCrSiNi-Cu船用高強鋼對接接頭，研究激光熱輸入對接頭組織、顯微硬度、拉伸、三點彎曲、低溫沖擊性能的影響，進而確定合適的丁藝參數范圍，為后續激光填絲焊接IOCrSiNiCu船用高強鋼的丁業應用提供參考。
試驗材料及試驗方法
    試驗采用船用高強鋼lOCrSiNiCu鋼板，厚度為8 mm，激光填絲焊中所使用的焊絲是ER50-6焊絲，母材和焊絲熔敷金屬的化學成分及力學性能分別見表1和表2。如圖1所示，母材金相組織主要由塊狀鐵素體種帶狀珠光體組成，其中帶狀組織為軋制組織。
   試驗采用YLS 10000光纖激光器，其光束質量為12 mm - mrad。激光丁作頭為Precitec公司的YW52，焦距為300 mm，聚焦后焦斑直徑為0.68 mm。保護氣體采用氬氣，其流量為15 L/min。離焦量設為o。試驗發現，在離焦量、焊接速度、送絲速度等其他參數不變的情況下，只改變激光功率，得到熔透且成形良好的對接焊縫的激光功率窗口寬度很窄，只有50～100 w。光纖激光焊接機為了獲得明顯的不同焊接熱輸入（即焊接線能量），試驗選取1.5、1.2、0.9 m/min三個焊接速度，分別在激光功率為9100、8400、7500 w時得到剛好焊透且成形最優的焊縫，進而開展不同焊接熱輸入下的接頭組織性能分析，具體焊接參數如表。
選用平板對接形式，焊前利用銑床對母材進行車銑，去除試樣邊緣的毛刺及表面氧化膜，保證焊接零間隙，再用丙酮清洗鋼板焊接端面，焊接試驗現場。
    焊后試樣用侵蝕液為體積分數4%的硝酸酒精腐蝕，采用Zeiss金相顯微鏡觀察焊接接頭微觀組織形貌；采用ZwickZH舢HD型全自動硬度計，200 g載荷保壓15 s下測定焊接接頭的顯微硬度；用刨床加丁力學性能測試試樣至厚度6 mm，以去除焊后變形和焊縫余高，并采用Zwick/Roell多功能材料試驗機在室溫條件下進行拉伸試驗和三點彎曲試驗；采用擺錘式沖擊試驗機，在-40℃條件下進行沖擊試驗，非標試樣尺寸為55 mmX10 mmx6 mm，分別在焊縫中心和熔合線(FL)上板厚一半處開v型缺口，并測量沖擊斷口側膨脹值；采用NOVA NanoSEM230場發射低真空超高分辨掃描電鏡對沖擊試樣斷后缺口表面形貌進行觀察。
試驗結果及分析
激光焊接機接頭微觀組織形貌
    試驗得到的焊接試樣均焊縫成形良好、變形小、有少量飛濺，圖3是熱輸人為4.20 kj/cm(焊接速度1.2 m/min)時的焊縫正反面照片。經過x射線檢測，焊接接頭未發現裂紋，焊縫中均勻分布有少量的小氣孔。
    不同焊接速度下獲得的熔透焊縫橫截面宏觀形貌。可以看出，隨著焊接熱輸入增加，接頭熱影響區和焊縫的寬度均不斷增加。當焊接熱輸入由3.64 kj/cm依次增加到4.20 kj/cm和5.00 kj/cm時，接頭中部熱影響區寬度由0.62 mm依次增大到0.69 mm和0.96 mm，焊縫寬度則由1.30 mm依次增大至1.32 mm和1.63 mm。在熱輸人為5.00 kj/cm時因焊縫熔池溫度較高和高溫停留時間過長，熔化金屬在重力作用下下淌嚴重，焊縫上表面jLH現了凹陷。綜合而言，熱輸人為4.20 kj/cm時的焊縫成形最優，焊縫無凹陷，背面成形飽滿，上下熔寬接近。
焊接接頭力學性能最薄弱的區域往往是熱影響區的粗晶區。不同焊接熱輸入下接頭熱影響區的粗晶區和細晶區的微觀組織形貌。不同熱輸入下粗晶區微觀金相，其組織比較復雜．主要為板條馬氏體+塊狀鐵素體+粒狀貝氏體。該區域金屬處于過熱狀態，奧氏體晶粒發生嚴重長大，冷卻后得到粗大的組織，晶粒形狀逐漸正多邊形化。不同熱輸入下的粗晶區組織相似，只是晶粒尺寸和組織含量上稍有區別，隨著焊接熱輸入增加，馬氏體和貝氏體含量增加，鐵素體含量減少。不同熱輸入下細晶區位置金相圖，其組織主要為細小的鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體組織，兼有少量馬氏體，珠光體類組織呈無序分布。一般細晶區相當于熱處理時的正火組織，其塑性和韌性都比較好；但由于激光焊接速度較快，造成冷卻速度較大，試驗中焊接接頭細晶區產生了粒狀貝氏體，并在低熱輸入下出現了極少量馬氏體。隨著熱輸入增大，細晶區中的珠光體含量減少，鐵素體和粒狀貝氏體含量增加。
結論
    1)采用ER50-6焊絲的lOCrSiNiCu鋼激光填絲焊焊縫區組織為M+F+B，粗晶區主要為塊狀F+粒狀B+M，細晶區組織主要為細小的F+P+粒狀B，兼有少量M。隨著焊接熱輸入的增加，焊縫區和粗晶區的組織尺寸變大，微觀組織中M含量減少，F含量增加；
    2)焊接接頭焊縫和熱影響區的硬度均高于母材，最高硬度jLH現在焊縫中心。焊縫區平均硬度值隨著熱輸入的升高而可降低至HV350以下。焊縫和熱影響區的寬度隨著熱輸入的增大明顯增大；
    3)焊接熱輸入對接頭抗拉強度影響不大，熱輸入過小時接頭塑性變形能力大大降低，彎曲性能也隨著熱輸入增大而改善，低溫沖擊功隨著熱輸入的增加先增加后減小，在E=4.20 J/cm時熔合線和焊縫區的沖擊功最高，且沖擊試樣斷口呈韌性斷裂特征。

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