鐘如濤 梁 文 張 吉

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

集裝箱用鋼SPAH的高功率光纖激光焊接

鐘如濤 梁 文 張 吉

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

采用IPG5000高功率光纖激光器研究了2mm集裝箱用鋼SPAH的激光焊接組織及性能。結(jié)果表明，最合適的焊接激光功率為1.5～3kW，熔合區(qū)和過(guò)熱區(qū)都為貝氏體；正火區(qū)組織為貝氏體+少量鐵素體；最高硬度在過(guò)熱區(qū)，為306HV0.2，比母材提高了約50%。

高功率光纖激光焊接；集裝箱用鋼SPAH；組織和性能；激光焊接

集裝箱由頂板、底板、側(cè)板和端板焊接而成，由于集裝箱用鋼的板寬較窄，不能滿足集裝箱對(duì)板寬的要求，側(cè)板和頂板一般采用鋼卷開卷——縱向下料——波紋壓型——CO2氣體保護(hù)焊拼接等工藝。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的長(zhǎng)度為40英尺(約12m多)，側(cè)板或頂板一般需要11～12塊波紋板拼焊而成，焊縫總長(zhǎng)度近30米。

若采用激光焊接技術(shù)，將集裝箱用鋼開卷后，先沿縱向拼焊，使鋼板寬度達(dá)到集裝箱頂板或側(cè)板的寬度，再整體波紋壓型，直接獲得整張頂板或側(cè)板[1]。采用此工藝的優(yōu)勢(shì)是：激光焊接速度快，一般可達(dá)到10m/min，遠(yuǎn)高于CO2氣體保護(hù)焊接速度，而且焊縫長(zhǎng)度由30m降為12m，提高了生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少環(huán)境污染。本文采用高功率光纖激光器對(duì)集裝箱用鋼進(jìn)行激光焊接，研究其焊接工藝、焊縫組織及性能。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選用IPG公司的YLR5000光纖激光器，輸出激光波長(zhǎng)1.07微米，光電轉(zhuǎn)換效率高，具有體積小，光纖傳導(dǎo)易于集成，光束質(zhì)量好等特點(diǎn)[2]。技術(shù)參數(shù)如表1所示，焊接頭焦距200mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

厚度2.0mm的集裝箱用鋼SPAH，組織為鐵素體+珠光體，屈服強(qiáng)度350MPa，抗拉480MPa，延伸率25%。母材組織如圖1所示,化學(xué)成分如表2所示。

表1 IPG5000光纖激光器技術(shù)數(shù)據(jù)

圖1 母材組織

表2 鋼化學(xué)成分(wt%)

CSiMnPSCuNiTi+V+Nb≤0．10．25～0．50．35～0．50．08～0．10≤0．0140．25～0．350．07～0．12少量

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用激光切邊，0mm間隙焊接，氬氣保護(hù)。焊后對(duì)焊縫進(jìn)行杯凸和拉伸力學(xué)性能檢測(cè)，利用VHX-100K三維視頻顯微鏡對(duì)接頭組織進(jìn)行觀察,采用AVV-502全自動(dòng)顯微硬度儀測(cè)量焊接接頭的顯微硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工藝窗口

圖2所示為激光焊接工藝窗口，最合適的焊接激光功率為1.5～3kW。當(dāng)激光功率降低時(shí)，由于激光功率密度降低，焊接工藝窗口逐漸減?。划?dāng)激光功率增加時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，可用的焊接速度范圍更寬，焊接工藝窗口更大，但對(duì)于IPG500高功率光纖激光器，由于光束質(zhì)量較好，聚焦后功率密度較高，高功率、低速度焊接時(shí)，焊縫容易焊穿；高功率、高速度焊接時(shí)，焊接小孔不穩(wěn)定，容易坍塌[3-4]，焊縫產(chǎn)生凹陷，并且焊縫表面產(chǎn)生大量焊接飛濺，因此很難獲得滿意焊縫的焊接窗口。圖3所示為激光功率3.5kW，焊接速度3～9.5m/min時(shí)的焊接形貌時(shí)(熔透焊接)，可見較低速度時(shí)焊縫有焊穿、凹陷等焊接缺陷；高速時(shí)焊縫有飛濺等缺陷，無(wú)法找到焊縫成形較好的焊接速度。

圖2 焊接工藝窗口

圖3 激光功率為3.5kW，焊接速度3～9.5m/min時(shí)的焊接表面形貌

2.2 焊縫組織

圖4所示為激光功率3kW，焊接速度6m/min時(shí)的焊縫宏觀斷面形貌，可以看出，焊縫區(qū)寬度約1.4mm，熱影響區(qū)窄，焊縫外觀平整、光滑，上表面略有凹陷，整體成形較好。

圖5所示為焊縫區(qū)組織，整個(gè)焊縫區(qū)組織較為細(xì)小，熔合區(qū)和過(guò)熱區(qū)都為為貝氏體，但過(guò)熱區(qū)的組織較為粗大；正火區(qū)組織為貝氏體+少量鐵素體，組織明顯較過(guò)熱區(qū)細(xì)??；

圖4 焊縫宏觀

圖5 焊縫區(qū)組織

2.3 力學(xué)性能

圖6所示為焊縫顯微硬度分布，最高硬度在過(guò)熱區(qū)，為306HV，比母材提高了約50%。圖7所示為焊縫杯凸檢測(cè)，可見為環(huán)形破裂，杯凸值為13mm，與母材相似。圖8所示為焊縫拉伸檢測(cè)，斷裂位置為母材，可見焊縫強(qiáng)度及韌性都較好。

圖6 焊縫顯微硬度分布

圖7 焊縫杯凸檢測(cè)

圖8 焊縫拉伸檢測(cè)

3 結(jié)論

本文采用IPG5000高功率光纖激光器對(duì)2mm的集裝箱用鋼SPAH進(jìn)行了激光焊接研究，結(jié)果表明，最合適的激光焊接功率范圍為1.5～3kW；焊縫熔合區(qū)和過(guò)熱區(qū)都為貝氏體；正火區(qū)組織為貝氏體+少量鐵素體；最高硬度在過(guò)熱區(qū)，為306HV，比母材提高了約50%。

[1] 集裝箱側(cè)壁結(jié)構(gòu)及其加工方法：中國(guó)，CN1465512[P].2004-01-07.

[2] 鐘如濤，王玉濤，黃治軍. 高功率激光器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].激光雜志，2011，32(2)：4-8.

[3] Remy Fabbro，Sonia Slimani，Ivan Doudet. Experimental study of the dynamical coupling between the induced vapour plume and the melt pool for Nd-Yag CW laser welding[J]. J.Phys.D:Appl.Phys, 2006,39(2):394-400.

[4] Fabbro R and Chouf K. Dynamical description of the keyhole in deep penetration laser welding[J]. Journal of laser Applications,2000,12(4):142148.

(責(zé)任編輯：李文英)

High Power Optical Fiber Laser Welding of Container Steel SPAH

ZHONG Rutao LIANG Wen ZHANG Ji

(Research and Development Center of WICSO, Wuhan 430080, Hubei)

The laser welding microstructure and properties of 2mm container steel plate SPAH were studied with the help of IPG5000 high power optical fiber lasers. The results show that the most suitable laser welding power is 1.5～3 kW，both of the microstructure of fusion zone area and overheat zone are bainite，and the microstructure of normalized zone is bainite with a small amount of ferrite，and that the highest hardness of the welding is 306HV，which is about 50% higher than that of the base metal.

high power optical fibre laser welding; container steel plate SPAH; microstructure and properties；Laser welding

2015-01-21

鐘如濤(1967～)，男，博士，高級(jí)工程師.E-mail:zrt67@sina.com

TG456.7

A

1671-3524(2015)02-0001-03