章鴻

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017)

焊接是制造加氫反應(yīng)器、反應(yīng)堆壓力容器等大型能源裝備的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。其中，多道埋弧焊工藝在當(dāng)前厚壁容器的制造過程中應(yīng)用最廣泛[3]。然而，與電子束焊和激光焊相比，埋弧焊通常需要較高的熱輸入，進而產(chǎn)生較大的變形和殘余應(yīng)力[4]。此外，埋弧焊通常選用較寬的V型坡口，其需要的填充金屬量較大、焊道數(shù)量多。例如，采用多道埋弧焊工藝焊接厚度為150 mm的SA533和SA508鋼板需要2.0 kJ/mm的熱輸入以及約55 mm寬的坡口。為克服上述問題，業(yè)界也嘗試采用電子束焊進行厚壁部件的焊接——Rolls-Royce公司曾委托英國焊接研究所采用單道電子束焊工藝焊接160 mm厚的SA508鍛件試樣[5]。但是，電子束焊需要高真空環(huán)境以防止電子散射。因此，EBW 焊接設(shè)備復(fù)雜，且焊接尺寸和形狀受真空室限制。相比而言，由于激光束可以由光纖傳輸，激光焊在焊接復(fù)雜部件時具有更為靈活的優(yōu)點，已成為高能束焊接技術(shù)發(fā)展的主流[6]。JONES等[7]證明采用窄間隙多道激光焊焊接60 mm厚的鋼管時，坡口寬度可減小為 6 mm。此外，在焊接熱輸入和焊道數(shù)量方面，窄間隙多道激光焊比埋弧焊具有更為明顯的優(yōu)勢——焊接熱輸入可由埋弧焊的2.5 kJ/mm減小為激光焊的1.1 kJ/mm，焊道數(shù)量由30減小為13。ZHANG等[8]研究結(jié)果顯示，采用窄間隙激光焊焊接50 mm厚的對接鋼板時僅需8個焊道。此外，采用激光焊技術(shù)可以提高焊接速度，降低焊接殘余應(yīng)力和變形，消耗較少的填充金屬。

目前激光焊接工藝的相關(guān)研究主要針對厚壁不銹鋼，涉及到鐵素體鋼的研究較少[9-13]。但是，與不銹鋼相比，鐵素體鋼比熱高，導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)致形成焊接缺陷的風(fēng)險更大。本文針對30 mm厚的S275鐵素體鋼板開展窄間隙多道激光焊研究，旨在深入了解焊接缺陷的形成機理和影響因素，以期優(yōu)化焊接工藝，避免形成裂紋、未熔合、氣孔等缺陷。

1 實驗

選用尺寸為300 mm×135 mm×30 mm的S275鐵素體鋼板作為研究對象。選用與母材物理及化學(xué)性能匹配、型號為E5015的焊絲進行激光焊接，焊絲直徑為1.2 mm。母材及焊絲的化學(xué)成份如表1所列。采用氬氣作為保護氣體，流動速率為8 L/min。對接接頭坡口寬度為5 mm。圖1所示為窄間隙多道激光焊時的具體填絲過程。其中，本文所指光絲間距為激光斑點邊緣與焊絲尖端的距離。保護氣體的輸送模式有兩種：一種是選用直徑為3 mm管子作為吹氣裝置在坡口內(nèi)部輸送保護氣體(見圖 1)；另一種是選用直徑為15 mm的管子作為吹氣裝置在坡口頂端輸送保護氣體(見圖 2)。為除去表面污染，焊接前用丙酮清洗試樣表面。

圖1 激光焊接過程坡口內(nèi)吹氣示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser welding process with gas blowing in groove

圖2 激光焊接過程坡口外吹氣示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser welding process with gas blowing out of groove

激光焊接試驗在安裝了六軸 KUKA焊接機器人的PG-YLS-16000型光纖激光器工作臺上進行。光纖芯徑為300 μm，聚焦鏡焦距為400 mm，準光距為150 mm，靶面上的激光光斑直徑為6 mm。為研究焊接熱輸入、光絲間距、送絲速度等參量對焊接質(zhì)量的影響，每個參量均進行了單因素變化的3組焊接試驗進行對比，具體如下：熱輸入依次為0.90，1.05和1.20 kJ/mm；光絲間距依次為1，3和5 mm；送絲速度依次為4，5和6 m/min。將焊接試樣的截面用5%硝酸酒精溶液腐蝕后置于光學(xué)顯微鏡下觀測截面輪廓及焊道形貌。

表1 S275鐵素體鋼及焊絲化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of S275 ferritic steel and welding wire (mass fraction, %)

對焊后無缺陷的接頭，按圖 3(a)所示垂直于焊縫取樣進行拉伸力學(xué)性能測試。采用線切割，分別制取含缺口及不含缺口試樣，其中缺口試樣的幾何尺寸如圖3(b)所示，缺口深度和寬度分別為10 mm和0.5 mm。拉伸試驗在Instron-5500R拉伸試樣機上進行，拉伸速度為1 mm/min。

圖3 接頭拉伸試樣取樣試樣及幾何尺寸Fig.3 Joint tensile sample (a) and geometric dimension (b)

2 結(jié)果與討論

2.1 熱輸入的影響

不同焊接熱輸入條件下激光焊焊接接頭的截面輪廓如圖4所示。熱輸入為0.9 kJ/mm時，焊縫中間位置產(chǎn)生了深度為2.3 mm的縱向表面裂紋(見圖4(a))。當(dāng)熱輸入增加到1.05 kJ/mm時，相同位置的縱向表面裂紋的深度降低為0.8 mm(見圖4(b))。隨著熱輸入的進一步增大到1.2 kJ/mm時，焊縫中間位置的裂紋消失，接頭處未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷(見圖4(c))。分析認為，焊縫中心的裂紋為典型的焊接冷裂紋。與電弧焊相比，激光焊的冷卻速度明顯偏高，焊縫的淬硬傾向加劇，導(dǎo)致焊接冷裂紋失效的風(fēng)險增加。而當(dāng)激光焊熱輸入增加時，焊接熔池的冷卻速度降低，焊縫的淬硬傾向削弱，使得裂紋失效的風(fēng)險降低。因此，在采用激光焊接工藝對鐵素體鋼進行加工制造時，考慮到其冷卻速度較電弧焊快的特性，采用較大的熱輸入以避免產(chǎn)生焊接冷裂紋。本文后續(xù)試驗熱輸入均采用1.2 kJ/mm作為優(yōu)化的工藝參數(shù)。

圖4 焊接熱輸入對EBW焊接效果的影響Fig.4 Influence of welding heat input on EBW welding(a) 0.9 kJ/mm; (b) 1.05 kJ/mm; (c) 1.2 kJ/mm

2.2 光絲間距的影響

圖 5所示為激光-焊絲在不同光絲間距下的焊道截面輪廓。由圖可知，當(dāng)光絲間距為1 mm時，焊縫與母材連接良好，坡口側(cè)壁未發(fā)現(xiàn)未熔合及飛濺現(xiàn)象。當(dāng)光絲間距增大為3 mm時，在坡口左側(cè)箭頭所指位置發(fā)現(xiàn)明顯的未熔合現(xiàn)象。當(dāng)光絲間距進一步增大到5 mm時，盡管在焊道處未發(fā)現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，但在坡口右上方的圓圈位置處發(fā)現(xiàn)有熔敷金屬，表明焊接過程中出現(xiàn)了明顯的飛濺現(xiàn)象。這是因為焊絲尖端在吸收激光能量后形成了液態(tài)的熔融金屬，當(dāng)光絲間距為1 mm時，熔融金屬與焊接熔池是通過接觸進而向焊接熔池內(nèi)傳輸?shù)?。?dāng)光絲間距增加到3 mm時，熔融金屬不能與焊接熔池直接接觸，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榈温涞男问絺魅氲胶附尤鄢貎?nèi)，因接觸不充分造成了側(cè)壁未熔合現(xiàn)象。當(dāng)光絲間距為5 mm時，由于焊絲尖端的熔融金屬距離焊接熔池較遠，熔融金屬滴落到焊接熔池時因慣性力作用導(dǎo)致部分飛濺至焊道上方，使得焊縫中的熔敷金屬量減少。因此，選用較小的光絲間距(本文此處選用1 mm)，可以保證熔融金屬以接觸的形式向熔池內(nèi)傳輸，避免未熔合及飛濺現(xiàn)象。

圖5 光絲間距對EBW焊接效果的影響Fig.5 Effects of laser-wire distance on EBW welding(a) 1 mm; (b) 3 mm; (c) 5 mm

2.3 保護氣體輸送模式的影響

圖6所示為不同保護氣體輸送模式下的焊道截面輪廓。圖6(a)為在圖1所示保護氣體輸送模式下的截面輪廓，當(dāng)在坡口內(nèi)部輸送保護氣體時，箭頭所指位置存在尺寸約為1.5 mm的氣孔。在坡口頂端輸送保護氣體時，焊道截面上未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷(見圖 6(b))。這是因為，在坡口內(nèi)部選用直徑較小的管道吹氣時，保護氣體會在熔池內(nèi)引發(fā)湍流，部分保護氣體未在焊縫金屬凝固前逸出。與之相比，當(dāng)保護氣體由坡口頂端緩慢的填充到坡口內(nèi)部時，既能阻止了氧氣和空氣進入坡口，又避免了保護氣體本身湍流引起的氣孔現(xiàn)象。

圖6 保護氣體輸送模式對激光焊焊接效果的影響Fig.6 Influence of shielding gas transport mode on laser welding(a) Inter gas transport mode; (b) Outer gas transport mode

2.4 送絲速度的影響

不同送絲速度下獲取的接頭焊道形貌如圖 7所示?？梢钥闯?，當(dāng)送絲速度由4 m/min增加到6 m/min時，焊道的數(shù)量由12道減少為8道。這是由于隨送絲速度增大，單個焊道的熔融金屬填充量增加，焊道深度變大。需要注意的是，僅從截面形貌看，三種送絲速度下雖均未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷，但是，隨焊道數(shù)量增加，必然會影響焊接接頭的整體力學(xué)性能。

圖7 送絲速度對EBW焊接效果的影響Fig.7 Influence of wire feeding speed on EBW welding(a) 4 m/min; (b) 5 m/min; (c) 6 m/min

2.5 接頭拉伸行為表征

圖8 含缺口及不含缺口接頭試樣的拉伸曲線Fig.8 Tensile curves of specimens with and without notches

圖8所示為含缺口及不含缺口試樣的拉伸曲線對比。由圖可以看出，8道焊及12道焊接頭不含缺口時，斷裂均發(fā)生在母材位置。其中8道焊不含缺口接頭試樣的抗拉強度和屈服強度分別為 490 MPa和 350 MPa；12道焊不含缺口接頭試樣的抗拉強度和屈服強度分別為500 MPa和350 MPa。二者無明顯差別，且二者的拉伸曲線也吻合良好。這是因為對于不含缺口的接頭試樣，拉伸曲線主要反映了母材的力學(xué)性能。與之相比，當(dāng)接頭試樣含缺口時，8道焊與12道焊接頭的拉伸曲線有較為明顯的差別——8道焊含缺口試樣的抗拉強度和屈服強度分別為 580 MPa和 490 MPa，12道焊含缺口試樣的抗拉強度和屈服強度分別為550 MPa和480 MPa。即12道焊含缺口試樣的強度略低于8道焊含缺口試樣的強度。但12道焊缺口試樣的延展性強于8道焊含缺口試樣。這是因為12道焊接頭經(jīng)受的焊接熱循環(huán)次數(shù)多，焊縫中的回火區(qū)總面積較大，導(dǎo)致焊縫的強度降低而延展性增加。圖9所示為含缺口接頭試樣的斷裂路徑。由圖可知，對于含缺口的拉伸試樣，裂紋萌生于焊縫然后向母材區(qū)擴展。印證了含缺口試樣的力學(xué)性能主要反映了焊縫的力學(xué)性能。裂紋向母材偏轉(zhuǎn)則表明焊縫的強度大于母材，與不含缺口的接頭試樣斷裂產(chǎn)生于母材的現(xiàn)象相吻合。綜上所述，采用較高的送絲速度，即 6 m/min，可以獲得較好力學(xué)性能的焊接接頭。

圖9 含缺口接頭試樣的斷裂路徑Fig.9 Fracture path of notched joint specimen

表2 激光焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量影響規(guī)律匯總表Table 2 Summary of influence of laser welding process parameters on welding quality

表2所列為焊接熱輸入、光絲間距、送絲速度、保護氣體輸送模式等對激光焊接接頭質(zhì)量的影響規(guī)律總結(jié)。結(jié)果顯示：依據(jù)缺陷的危害程度(裂紋＞未熔合/飛濺＞氣孔)，各工藝參數(shù)對激光焊接接頭質(zhì)量的作用如下：焊接熱輸入＞光絲間距＞保護氣體輸送模式＞送絲速度。當(dāng)焊接熱輸入偏低時，焊接熔池冷卻速度過高，焊縫的淬硬傾向加劇，焊縫中間位置產(chǎn)生縱向表面冷裂紋的風(fēng)險增大；隨光絲間距增大，熔融金屬向焊接熔池傳輸模式由接觸模式轉(zhuǎn)變?yōu)榈温淠Ｊ?，進而導(dǎo)致側(cè)壁因接觸不充分產(chǎn)生未熔合現(xiàn)象，同時熔融金屬滴落到焊接熔池中時因慣性力作用導(dǎo)致部分飛濺至焊道上方；采用小口徑管道在坡口內(nèi)部吹氣時，會因保護氣體湍流誘發(fā)部分氣體未能在焊縫金屬凝固前逸出，進而產(chǎn)生氣孔；送絲速度的變化不會誘發(fā)明顯的激光焊接缺陷，但隨送絲速度增加，焊道數(shù)量減少。在此情況下，由于熱循環(huán)次數(shù)減少，局部焊縫經(jīng)受的回火區(qū)總面積較小，有利于提升焊縫本身的力學(xué)性能。綜上所述，從減少激光焊接缺陷，提升激光焊接接頭力學(xué)性能的角度考慮，推薦選用表3所示的優(yōu)化參數(shù)對S275鐵素體鋼板進行窄間隙激光焊。

表3 優(yōu)化后S275鐵素體鋼激光焊接工藝參數(shù)Table 3 Optimized welding parameters of S275 ferritic steel

3 結(jié)論

1) 裂紋、未熔合、氣孔是厚壁S275鐵素體鋼窄間隙激光焊過程中最主要的潛在缺陷，此類缺陷可以通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)避免。調(diào)整熱輸入?yún)?shù)和光絲間距可以分別用來控制裂紋和側(cè)壁未熔合缺陷，在坡口外側(cè)緩慢地輸送保護氣體可以抑制氣孔產(chǎn)生。

2) 激光焊接頭中焊縫強度明顯大于母材強度。且與8道焊接頭的拉伸強度相比，12道焊接頭的拉伸強度略低，因為12道焊接頭經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)較多，焊縫中的回火區(qū)面積更大，導(dǎo)致其強度降低而延展性增大。

3) 30 mm厚的S275鐵素體鋼板優(yōu)化的激光焊工藝參數(shù)為：熱輸入1.2 kJ/mm，光絲間距1 mm，在坡口外側(cè)選用直徑為15 mm的管道輸送保護氣體，送絲速度為6 m/min。

4) 依據(jù)缺陷的危害程度(裂紋＞未熔合/飛濺＞氣孔)，各工藝參數(shù)對激光焊接頭質(zhì)量的提升作用如下：焊接熱輸入＞光絲間距＞保護氣體輸送模式＞送絲速度。