吳滿鵬，羅震，李洋，劉麗華，敖三三

(1.天津大學,天津,300072；2.渤海造船廠集團有限公司,葫蘆島,125004)

0 序言

低合金高強鋼厚板因其具有良好的焊接性、冷熱加工性能以及較高的強韌性，在船舶、核電、壓力容器等方面都有廣泛應(yīng)用[1-2].傳統(tǒng)的電弧焊接方法生產(chǎn)效率低，質(zhì)量穩(wěn)定性差[3]，不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)對高強鋼厚板結(jié)構(gòu)優(yōu)質(zhì)高效焊接的工程需求.

與傳統(tǒng)弧焊方法相比，激光焊接具有能量密度高、熔深大、熱影響區(qū)小以及工藝相對簡單等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)激光焊接對裝配精度要求高，焊接時容易產(chǎn)生氣孔、未焊透、成形不良等缺陷[4-5].擺動激光焊接提高了橋接能力，抑制了氣孔和未熔合等焊接缺陷，改善了焊縫成形、組織和性能等[6-7].然而，單一的擺動激光焊接時激光能量分散[7]，熔深較小，難以實現(xiàn)大鈍邊的打底焊接.前期試驗研究發(fā)現(xiàn)，雙面擺動激光對稱同步焊接時熔池易坍塌，為此文中提出了一種雙面擺動激光錯位同步焊接新工藝，用于高強鋼厚板大鈍邊的自熔打底焊接.開展了不同激光間距下打底焊接試驗，建立了雙面激光打底焊接有限元模型，獲取不同激光間距的溫度場分布及熔池形貌，并與試驗焊縫進行對比驗證，分析了接頭粗晶區(qū)的焊接熱過程及組織演變規(guī)律，為厚板大鈍邊優(yōu)質(zhì)高效打底焊接提供新的解決途徑.

1 雙面激光打底焊接

試驗采用雙面擺動激光錯位同步焊接新工藝進行厚板大鈍邊橫位置自熔打底焊接，兩個擺動激光頭分居試板兩側(cè)，光束錯開一定距離DL，同時進行焊接，雙面焊接系統(tǒng)布局如圖1 所示，雙面焊接坡口尺寸，如圖2 所示.打底焊接時雙面焊接工藝參數(shù)相同，光束間距DL的調(diào)節(jié)范圍為10～ 90 mm，單面焊接的熱輸入約為526 J/mm，主要焊接工藝參數(shù)如表1 所示.母材為SA-738Gr.B 低合金高強鋼，化學成分如表2 所示.

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters

圖1 雙面焊接系統(tǒng)布局Fig.1 Double-sided welding system layout

圖2 雙面焊接坡口尺寸（mm）Fig.2 Double-sided welding groove dimensions

2 雙面激光打底焊有限元模型

2.1 模型簡化和假設(shè)

由于焊接結(jié)構(gòu)的對稱性特點，建模時只取1/2，有利于節(jié)約計算時間.采用Visual-mesh 建立網(wǎng)格模型，試板長度為400 mm，寬度為60 mm，厚度為22 mm，鈍邊厚度為7 mm，坡口尺寸如圖2 所示，采用八節(jié)點六面體單元進行網(wǎng)格劃分.由于焊接過程中焊縫附近的溫度梯度大，遠離焊縫區(qū)域的溫度梯度小，因此在焊縫處采用相對密集的網(wǎng)格，而遠離焊縫區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格，其中焊縫區(qū)域的最小節(jié)點間距為0.44 mm，網(wǎng)格模型如圖3 所示.

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh mode

擺動激光焊接過程是一個包含各種復雜因素影響的過程，為便于計算，特作如下假設(shè): ①材料視為各向同性，其物理化學性質(zhì)不隨方向變化；② 忽略熔池中液態(tài)金屬的流動影響；③忽略熔池中液態(tài)金屬表面張力，即焊縫金屬不發(fā)生形變；④ 忽略激光束與焊接材料相互作用過程中氣化現(xiàn)象對激光輸入能量的影響；⑤ 由于試驗中擺動頻率較大，擺動幅度較小，忽略激光擺動對能量分布規(guī)律的影響.

2.2 材料熱物理參數(shù)

由于SA-738Gr.B 低合金鋼的高溫性能難以測量，采用材料性能計算軟件JmatPro 獲得熱物理參數(shù)，熱導率和比熱容如表3 所示，材料密度取常數(shù)為7.68 g/cm3，熔點為1 480 ℃.

表3 SA-738Gr.B 鋼熱物理參數(shù)Table 3 Thermophysical parameters of SA-738Gr.B steel

2.3 熱源模型選擇

采用Sysweld 軟件中預(yù)置的三維錐體熱源模型，該熱源考慮到激光深熔焊接過程中的小孔效應(yīng)，熱源模擬的激光能量不僅作用于焊件表面，也考慮到小孔在焊件內(nèi)部的熱量傳遞.三維錐體熱源模型[8]如圖4 所示，熱流密度公式[9]為

圖4 三維錐體熱源模型Fig.4 Three-dimensional conical heat source model

式中：Q0為三維錐體熱源功率；η為焊接熱效率，試驗取0.82；ze，zi，re，ri為三維錐形熱源模型的形狀參數(shù)，其中ze和zi分別為焊件上、下表面的z坐標，ze-zi為錐體熱源的高度；re和ri為熱源上、下表面的熱流分布半徑，熱流分布半徑r0沿厚度方向呈線性衰減.這些數(shù)值根據(jù)實際焊縫確定.

2.4 邊界條件與初始條件的確定

焊接過程中主要發(fā)生工件與空氣的換熱，因此只考慮對流換熱和輻射散熱.由于建立的模型為實際焊接結(jié)構(gòu)的一半，焊縫縱截面為熔池內(nèi)部，模型設(shè)置時焊縫縱截面無對流和輻射.焊接初始溫度設(shè)為室溫20 ℃.

2.5 模型校核

選取單面激光焊接焊縫進行模型校核，圖5 為模擬焊縫與實際焊縫對比，模擬焊縫中的灰色區(qū)域可看作熔池，其固-液分界線與實際焊縫熔合線輪廓基本一致，測得實際焊縫寬度為5.30 mm，焊縫深度為4.15 mm，模擬熔池寬度為5.32 mm，熔池深度為4.15 mm，吻合度較高.實際焊縫中存在的凸起是由于熔池流動導致，有限元模型未考慮熔池流動，但并不影響分析其溫度場.

圖5 模擬焊縫與實際焊縫對比Fig.5 Comparison of simulated weld and actual weld

3 試驗及模擬結(jié)果

3.1 熔池及焊縫形貌

圖6 為雙面擺動激光錯位同步焊接時不同激光間距的溫度場分布及熔池形態(tài)，從圖中可以看出，激光間距為10 mm 時，前、后激光加熱形成共熔池.隨著激光間距增大，熔池逐漸分離，形成雙熔池.

圖6 不同激光間距的溫度場分布及熔池形態(tài)Fig.6 Weld pool morphologies with different laser distances.(a) DL = 10 mm; (b) DL = 50 mm; (c)DL = 70 mm; (d) DL = 90 mm

圖7 為不同激光間距下試驗焊縫及模擬焊縫橫截面形貌.從圖7a 可以看出，當激光間距為10 mm時，接頭鈍邊完全熔透，由于前后焊道共熔池，高溫停留時間長，導致熱影響區(qū)和焊縫過熱，前焊道焊縫產(chǎn)生了嚴重的咬邊.模擬焊縫與試驗焊縫形貌基本一致，前焊道對后焊道的熱作用明顯，使得后焊道熔池的寬度和深度較大.

從圖7b 可以看出，當激光間距為50 mm 時，模擬焊縫與試驗焊縫形貌基本一致，前焊道熔池較小，后焊道熔池較大，這是由于當后激光作用到前焊道對應(yīng)位置時，前焊道已經(jīng)凝固，而后焊道受前焊道預(yù)熱作用的影響高溫停留時間較長引起的.

從圖7c 和圖7d 可以看出，當激光間距分別為70 和90 mm 時，模擬焊縫與試驗焊縫形貌基本一致.由于激光間距的進一步增大，導致前焊道對后焊道的熱作用進一步減弱，使得后焊道熔池的體積逐漸減小，前后焊道的焊縫成形趨于對稱，焊縫熔透成形良好.

圖7 不同激光間距下試驗焊縫及模擬焊縫橫截面形貌Fig.7 Cross section morphology of test weld and simulated weld with different laser distances.(a)DL = 10 mm; (b) DL=50 mm; (c) DL = 70 mm; (d)DL = 90 mm

3.2 焊接熱過程及組織演變分析

由于熱影響區(qū)中的粗晶區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，因此提取不同激光間距下板厚中心粗晶區(qū)典型節(jié)點的熱循環(huán)曲線分析其熱過程，典型節(jié)點提取位置如圖8 所示.

圖8 典型節(jié)點的提取位置Fig.8 Extraction location of typical nodes

圖9 為不同激光間距下粗晶區(qū)的熱循環(huán)曲線.從圖中可以看出，當激光間距為10 mm 時熱循環(huán)曲線呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，這是由于前后焊道共熔池，前激光加熱后未來得及冷卻后激光已經(jīng)開始作用.當激光間距不低于50 mm 時，熱循環(huán)曲線呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，由于前激光的預(yù)熱作用使得后激光加熱引起的峰值溫度Tp2高于前激光加熱引起的峰值溫度Tp1.

圖9 不同激光間距下粗晶區(qū)的熱循環(huán)曲線Fig.9 Thermal cycle curves of coarse-grained regions with different laser distances

表4 為典型的熱循環(huán)參數(shù).從表中可以看出，當激光間距為10 mm 時，該位置的t8/5和t8/3為單面激光的2 倍左右，冷卻速度明顯降低.當激光間距不低于50 mm 時，兩峰值之間的波谷溫度Tt均低于AC1，后激光加熱引起的峰值溫度Tp2均高于AC3，其中AC3=896 ℃，AC1=725 ℃，Ms=473 ℃[10].此時該位置發(fā)生重新奧氏體化，使得后激光作用下的Tp2成為主要影響因素，相應(yīng)地，表中所列的t8/5和t8/3為后激光作用下的冷卻時間.與單面激光焊接相比，冷卻時間t8/5和t8/3均有不同程度的延長.

表4 熱循環(huán)參數(shù)Table 4 Thermal cycle parameters

圖10 為不同焊接條件下粗晶區(qū)的微觀組織，其中LM 表示板條馬氏體，LB 表示板條貝氏體.單面擺動激光焊接粗晶區(qū)的組織為板條馬氏體.這是因為單面激光焊接時冷卻速度過快，奧氏體轉(zhuǎn)變形成的馬氏體來不及進行自回火處理或馬氏體分解不充分形成的，其性能較差[11].雙面擺動激光焊接時，粗晶區(qū)含有板條馬氏體和板條貝氏體，而且隨著激光間距的縮短，冷卻速度逐漸減慢，板條貝氏體含量逐漸增加.同時由于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的冷卻速度變慢，有利于馬氏體的“自回火”[12].而前激光對后焊道的預(yù)熱作用，也有利于擴散氫的逸出，降低了高強鋼焊接時的冷裂傾向.

圖10 粗晶區(qū)微觀組織Fig.10 Microstructure in coarse grained zones.(a) single laser; (b) DL = 10 mm; (c) DL = 70 mm; (d) DL =90 mm

4 結(jié)論

(1) 提出了一種雙面擺動激光錯位同步焊接新工藝，用于厚板大鈍邊的自熔打底焊接，開展了不同激光間距下打底焊接試驗.結(jié)果表明，當激光間距為70～ 90 mm 時，打底焊縫熔透成形良好.

(2) 建立了雙面激光打底焊接有限元模型，采用三維錐體熱源模型得到的熔池尺寸與實際焊縫相近.激光間距為10 mm 時，前后焊道共熔池，隨著激光間距增大，熔池逐漸分離，形成雙熔池.

(3) 與單面激光打底焊接相比，雙面激光打底焊接粗晶區(qū)的t8/5和t8/3增大.當激光間距不低于50 mm 時，粗晶區(qū)發(fā)生重新奧氏體化.

(4) 單面擺動激光焊接粗晶區(qū)的顯微組織為板條馬氏體，雙面擺動激光焊接粗晶區(qū)的顯微組織為板條馬氏體和板條貝氏體，而且隨著激光間距的縮短，板條貝氏體含量逐漸增加.雙面擺動激光錯位同步焊接利于改善接頭性能，降低冷裂傾向.