船用薄板激光-电弧复合焊工艺研究_罗高祥.pdf

2023年 第4期 热加工14激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic船用薄板激光-电弧复合焊工艺研究罗高祥，李超，喻军，赵立苏，周福斌上海外高桥造船有限公司 上海 200137摘要：采用激光-电弧复合焊对船用AH36级6mm薄板进行焊接工艺对比试验。在不改变其他参数的情况下，通过改变预热功率与焊接速度，分别进行试验。结果表明：当焊前预热功率为20kW、焊接速度为2300cm/min时，焊缝成形良好且检测无缺陷，硬度分布均匀，拉伸接头强度高于母材，弯曲试样表面无可见裂纹，冲击吸收能量符合标准，是最优的参数组合；当焊前预热功率为5kW、焊接速度为2100cm/min时，焊缝成形余高较高，焊缝熔合线+2mm处冲击吸收能量过低。关键词：激光-电弧复合焊；薄板；焊缝成形；无损检测；力学性能1 序言激光-电弧复合焊具有焊缝熔深大、焊接速度快、焊接效率高、焊接电弧稳定、热源能量集中、焊接热输入低、焊接变形小，以及易于实现单面焊双面成形等优点，因此其应用范围十分广泛，主要应用领域有汽车工业、船舶制造和石油化工等。当前，激光复合焊在国外造船领域的应用已经比较成熟，典型代表是德国Meyer造船厂轮船薄板的大部分焊接已经采用激光-电弧复合焊方法进行。但国内造船技术与国外仍存在明显差距，该项技术在国内处于工艺研发的起步阶段。在大型邮轮建造过程中，邮轮整体舱室需要大量使用材料厚度为410mm的薄板，与常规船舶有较大差异，采用常规焊接方法，易出现变形大、矫正困难的问题。因此，尝试采用激光-电弧复合焊工艺，在试验过程中，采用了不同的焊接参数进行焊接，并对焊接接头的力学性能、表面成形等进行了比较。通过试验结果的分析和对比，最终确定了船用AH36级6mm薄板的最佳焊接参数。本次试验的结果为船用薄板焊接提供了理论依据和实践经验，在实际生产中有着广泛的应用价值，同时也为同行业提供了借鉴和参考，促进了船用薄板焊接技术的发展。2 激光-电弧复合焊原理激光-电弧复合焊接技术是将激光热源和作为第二热源的电弧复合起来作用于母材，不仅两个热源之间存在着相互影响，而且两个熔池之间也存在着相互影响，最终会形成一种新的复合熔池。激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊缝上方因激光作用而产生的光致等离子体云对入射激光的吸收和散射，会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体将稀释光致等离子体，使激光能量传输效率提高。同时，电弧加热使母材温度升高，母材对激光的吸收率进一步提高。激光束不仅能熔化金属，为电弧提供自由电子，还能降低电弧通道的电阻，提高电弧能量的利用率，并对电弧起到聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更稳定1。光束进入匙孔内部，通过匙孔的传热，可获得较大的焊接熔深，增强激光焊对工件装配误差变化的适应性。另外，通过电弧对工件的预热以及电弧吹力等作用，也可加大焊接熔深，增强材料对激光的吸收。激光-电弧复合焊原理如图1 所示。3 激光-电弧复合焊试验材料及方法焊接试件采用船用AH36级6mm钢板，分别进行两次焊接试验。焊丝为ER70S-6，焊丝直径2023年 第4期 热加工15激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic1.2mm。焊前采用铣边方式对钢板试件开Y形坡口，如图2所示。焊接母材和焊丝的化学成分见表1。4 试验结果及分析 4.1 焊缝外观形貌两组参数下焊缝正背面宏观形貌如图3所示。由图3可知，1号试板正面局部余高较大，未见塌陷、咬边、飞溅、焊瘤及裂纹等缺陷，余高较大主要原因是由焊接速度较低、热输入较大造成的。2号试板焊缝正面光亮，未见塌陷、咬边、飞溅、焊瘤及裂纹等缺陷，余高较小，背面成形较均匀一致。图1激光-电弧复合焊原理图2焊接坡口示意a）1号试板正面b）1号试板背面c）2号试板正面d）2号试板背面图3焊缝正反面宏观形貌表1AH36钢和焊丝的化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnPSCuCrNiAH360.180.50.91.6 0.030.030.350.20.4ER70S-60.060.150.801.151.401.850.025 0.0350.50.08 0.10本试验设计了两组焊接参数，通过改变预热功率与焊接速度进行对比试验，其他参数不变，具体焊接参数见表2。焊后观察两块试板焊缝正背面成形是否较均匀一致且无明显缺陷。将两组焊接接头试板分别截取尺寸为2000mm300mm6mm的试样进行射线检测和磁粉检测，查看焊缝内部是否存在缺陷；之后将试板加工成宏观试样，观察焊缝横断面的形貌；再从试板上取硬度、弯曲、拉伸等试样，检测焊接接头的各项力学性能是否满足Rules for the Manufacture Testing and Certification of Materials与Guideline for Qualification and Approval of Hybrid Laser-arc Welding in Shipbuilding英国劳氏船级社激光复合焊标准要求。表2激光-电弧复合焊焊接参数试板编号激光输出功率/kW焊接电流/A电弧电压/V预热功率/kW焊接速度/（cm/min）送丝速度/（m/min）16.811017.4521009.826.811017.52023009.84.2 无损检测对两组试板分别进行射线检测和磁粉检测。射线检测设备型号为250EC-S3 GR0018-2，1号试板发现1mm气孔，2号试板未见缺陷，均符合ISO 12932：2013焊接 钢、镍及镍合金的激光-电弧复合焊 缺陷质量分级的检测要求。磁粉检测仪器型号为MY-2，采用湿式连续磁轭法进行检测，两组试板经磁粉检测未见缺陷，均符合ISO 12932：2013的要求。4.3 宏观检测经宏观腐蚀试验后，焊缝宏观形貌如图4所示。由图4a、b可知，在两组试板的焊缝、熔合线、热影响区均未发现裂纹、未熔合、气孔及夹渣等焊接缺陷。2号试板的宏观截面正面余高较为平缓，背面熔合良好，整体成形较佳。激光-电弧复合焊焊缝呈典型的酒杯状，可划分为两个区域，即电弧热影响区（电弧热源作用为主、激光热源作用为辅）和激光热影响区（激光热源作用为主、电弧热源作用为辅）2。板厚中心以上为电弧热影响区，板厚中心以下为激光热影响区，1号试板焊缝热影响区与主焊缝分界较为清晰，2号试板焊缝热影响区与主焊缝熔合较好。由图4c、d可知，两组试板在焊缝、熔合线、热影响区均未发现裂纹、未熔合、气孔及夹渣等焊接缺陷。2023年 第4期 热加工16激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic4.4 硬度检测硬度检测设备型号为FLC-50MV/ARS9000，检测标准为CB/T 33802013船用钢材焊接接头宏观组织及缺欠酸蚀试验方法与CB/T 37702013船用钢材焊接接头维氏硬度试验方法。两组激光复合焊接头硬度测试位置分布与硬度数据对比如图5、图6所示。焊接接头的硬度以焊缝为中心呈对称分布，母材的平均硬度值为177HV。1号试板电弧热影响区平均硬度值为346HV，激光热影响区平均硬度值为315HV，焊缝平均硬度值为279HV。2号试板电弧热影响区平均硬度值为300HV，激光热影响区平均硬度值为270HV，焊缝硬度值平均261HV。d）2号试板纵截面图4焊缝宏观形貌图5接头硬度测试位置分布图6硬度数据对比a）1号试板横截面 b）2号试板横截面c）1号试板纵截面焊缝区硬度值取决于焊接材料成分，焊接材料的硬度值和性能标准比母材要高3。1号试板5kW预热的焊缝热影响区平均硬度值为330HV，2号试板30kW预热焊缝的热影响区平均硬度值为308HV，内部热影响区硬度值两者差距较为明显。焊接预热对于焊缝内部热影响区硬度值有一定影响，接头硬度值随预热温度升高而降低，焊缝边界高于焊缝中心4，5。两组试板均符合英国劳氏船级社激光复合焊标准要求规定的硬度值不超过380HV的要求。4.5 拉伸与弯曲试验按GB/T 26512008焊接接头拉伸试验方法对两组试板取样进行室温拉伸试验。每组试板进行两个拉伸试验，1号试板两个试样抗拉强度的均值为547MPa，2号试板两个试样抗拉强度的均值为545MPa。4个试样断裂位置均在母材，属于塑性断裂。符合英国劳氏船级社激光复合焊标准要求的抗拉强度为490630MPa，说明两组试板拉伸试验均满足要求。按GB/T 26502008焊接接头弯曲试验方法对两组试板取样进行正反弯曲试验，每组试板正弯、反弯试样各两个，在压头直径4t、弯曲角度180的情况下，1号试板与2号试板所有弯曲试样表面均无肉眼可见的裂纹，符合英国劳氏船级社激光复合焊标准规定的用肉眼或5倍放大镜检查无裂纹或分层缺陷的要求。4.6 冲击试验按GB/T 26532008焊接接头冲击试验方法规定，对两组试板进行了0夏比冲击试验，结果见表3。1号试板焊缝中心平均冲击吸收能量为56J，焊缝熔合线平均冲击吸收能量为43J，焊缝熔合线2mm处平均冲击吸收能量为22J，根据Rules for the Manufacture Testing and Certification of Materials要求，夏比冲击试验验收值为35J，当试样尺寸为10mm5mm时，最小冲击吸收能量值降低为要求的2/3（约23J）验收，因此1号试板冲击吸收能量不满足标准要求。主要原因是1号试板采用5kW预热功率，相对较低，焊缝在较高冷却速度下，在粗晶区形成马氏体，硬度显著增大，冲击吸收能量也大幅降低6。2号试板焊缝中心平均冲击吸收能量为47J，焊缝熔合线平均冲击吸收能量为49J，焊缝熔合线+2mm平均冲击吸收能量为50J，两组试板热影响区硬度值与母材硬度值相比较有显著提高，热影响区的硬度值与焊缝中心硬度值均高于母材。在焊接过程中产生的高温，使热影响区相当于进行了一次热处理，因此硬度值较高，而2023年 第4期 热加工17激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic较为均衡，满足英国劳氏船级社激光复合焊标准要求。表3冲击试验结果试板编号温度/冲击吸收能量/J缺口位置1058、55、55焊缝中心044、41、46焊缝熔合线023、21、21焊缝熔合线2mm2052、46、45焊缝中心046、55、46焊缝熔合线050、49、50焊缝熔合线2mm5 结束语1）激光-电弧复合焊在两种焊接速度下的表面成形尚可，但焊接速度降低至2100cm/min时，随着热输入增加，焊丝的熔敷量增加，使焊缝余高增加。2）激光-电弧复合焊预热功率和焊接速度提升，对于接头的抗拉强度及弯曲性能影响不大。3）通常焊缝预热及焊接速度对硬度影响都较大。2号试板随着焊接速度的提升硬度处于升高的趋势，然而随着预热温度的增加，会减缓焊缝冷却速度，也会使得接头的硬度明显下降。4）焊接速度提高、热输入的减少，会提升冲击性能。此次试验2号试板随着焊接速度及预热温度的提升，在熔合线2mm处冲击吸收能量有显著提升，因此提升焊接速度及预热温度对接头的韧性有一定的改善效果。5）通过一系列试验分析得到较优的焊接参数：激光输出功率6.8kW、焊接电流275A、电弧电压24V、送丝速度9.8m/min、预热功率20kW、焊接速度2300m/min，以上参数能满足船级社规范并可应用于实际生产。参考文献：1 王治宇，王春明，胡伦骥，等激光-电弧复合焊接的应用J电焊机，2006，36（2）：38-412 韩丽梅中厚板304不锈钢激光-MIG复合焊工艺研究D沈阳：沈阳工业大学，20183 井志成，张国瑜，王子健，等高效激光-MAG复合焊接船用高强钢的性能J中国激光，2019（8）：1-74 刘亚伟，李兆霞，黄琼等垂直气电焊工艺在客滚船建造中的应用探索J金属加工（热加工），2022（12）：45-49.5 彭春涛激光-MAG复合热源焊焊接钢裂纹敏感性研究J金属加工（热加工），2020（3）：19-21.6 曹睿，朱万超，毛高军，等冷却速度对贝氏体焊缝金属硬度及冲击韧性的影响J焊接，2016（10），6-1