苗雨，王克鴻，王天馳，沈洋

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

激光功率、送絲速度是激光填絲焊接中的重要工藝參數(shù)，填絲焊是通過激光熱源提供能量將焊絲進(jìn)行熔化。另外，在激光填絲焊中，光絲距離影響著焊絲的熔化方式，甚至于關(guān)系到能否熔化[1-3]的問題。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

采用9mm厚的Q345鋼板進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所選用的焊絲為H08Mn2SiA，其力學(xué)性能稍高于母材，焊絲直徑φ1.2mm，具有良好的指向性、送絲穩(wěn)定性和較高的屈服強(qiáng)度，并且還有較好的剛直度[4]。選取TPS5000焊接電源，水冷焊槍、KUKA的KR16機(jī)器人系統(tǒng)， Precitec公司的YW52焊接頭[5-6]。

2 Q345激光填絲焊工藝研究

2.1 激光功率的影響

保持其他參數(shù)不變，送絲速度6m/min，光絲距離為0.2mm，送絲方式為前送絲，激光功率以千瓦為遞增單位，從3 000W到6 000W逐漸遞增。

如圖1所示，焊縫熔深熔寬隨著激光功率的增大而逐漸增加。原因?yàn)榧す夤β试黾訉?dǎo)致功率密度增加，從而熔深增大；熔寬變化幅度不如熔深變化大。

圖1 激光功率與熔深熔寬的關(guān)系

2.2 光絲距的影響

激光填絲焊工藝中的光絲距離DLA是一個(gè)非常重要的參數(shù)。華中科技大學(xué)的余陽(yáng)春認(rèn)為在做激光填絲焊時(shí)，光絲距離在-0.35mm≤DLA≤ 0.65mm時(shí)，焊絲與激光有著最佳能量匹配關(guān)系。因此本實(shí)驗(yàn)在其理論基礎(chǔ)上，采用了-2mm，-1mm，0mm，+1mm，+2mm這5個(gè)不同的光絲距離來研究光絲距與焊接過程穩(wěn)定性之間的關(guān)系。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，功率為8kW，送絲速度為6m/min。

當(dāng)光絲距為+2mm時(shí)，激光與焊絲作用距離較遠(yuǎn)。原因是送絲速度較快，由于焊絲沒能及時(shí)熔化，其頂?shù)胶赴逯笏徒z方向發(fā)生偏離，并對(duì)送絲系統(tǒng)形成一個(gè)反作用力，影響送絲系統(tǒng)的精度和使用壽命，并進(jìn)一步導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，整個(gè)過程焊絲并沒有熔化，或者熔化很少。如圖2所示。

圖2 DLA=+2 mm時(shí)絲未熔化圖

當(dāng)光絲距為-2mm時(shí)，焊絲完全遮擋住激光，因?yàn)榧す庵苯幼饔糜诤附z，焊絲熔化的快，飛濺量特別大，焊絲大部分飛濺，只有少部分進(jìn)入了熔池。如圖3所示。

圖3 DLA=-2 mm時(shí)的斷絲

當(dāng)光絲距為-1mm～1mm時(shí)，焊接過程相對(duì)穩(wěn)定，焊絲得到了穩(wěn)定的熔化，因此在DLA處于-1mm～+1mm之間時(shí)，能得到成型良好的焊縫。原因是光絲距合適，這3種能量才能共同作用于焊絲，形成了成型良好的焊縫。

圖4 DLA=0 mm時(shí)的熔池形貌

2.3 送絲速度的影響

保持其他參數(shù)不變，激光功率為5 000W，光絲距離為0mm，送絲方式為前送絲。送絲速度以2m/min為遞增單位，從2m/min～8m/min逐漸遞增。

圖5為送絲速度與工件熔深熔寬之間的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著送絲速度的增大，熔深熔寬都減小。原因是激光功率不變，當(dāng)送絲速度加快，即同一時(shí)間內(nèi)有更多的焊絲進(jìn)入熔池，激光在能量分配的時(shí)候，更多一部分能量用來熔化焊絲，因此工件熔深熔寬隨著送絲速度的增大而減小。

圖5 送絲速度與熔深熔寬的關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過工藝試驗(yàn)，得出最佳工藝參數(shù)：激光功率8 000W，光絲距0mm，送絲速度5.6m/min。在最佳參數(shù)下，9mm厚Q345船舶鋼板在不開坡口的前提下能一次性焊透，成型良好。但焊縫缺陷及成分的變化會(huì)導(dǎo)致焊接件力學(xué)性能的下降。

3.1 Q345船舶鋼激光填絲焊接頭顯微組織分析

圖6為Q345船舶鋼激光填絲焊接頭200倍、500倍光學(xué)顯微鏡下的組織形貌。由圖可見，焊縫區(qū)組織沿著垂直于熔合金屬交界線的方向成長(zhǎng)。組織成分為貝氏體和少量馬氏體組織。熔融金屬在焊縫冷卻的過程中，會(huì)沿著熱擴(kuò)散的方向形成結(jié)晶，即為柱狀晶。

圖6 激光填絲接頭不同倍數(shù)下的組織圖

焊接過程中熱輸入量較大，晶粒顯著粗化，微觀組織含有大量粗大過熱魏氏體和貝氏體。熱影響區(qū)窄，晶粒比母材大，交錯(cuò)排布。這是由于熔池在高能量作用下，停留時(shí)間短，溫度梯度大，熱影響區(qū)溫度梯度小，因此在溫度差異及成分差異的共同作用下，焊縫內(nèi)部及熱影響區(qū)表現(xiàn)為不同的組織形貌。

圖7(a)、圖7(b)為Q345船舶鋼激光填絲焊熔合線附近區(qū)域以及熱影響區(qū)100倍、500倍光學(xué)顯微鏡下的組織形貌。Q345熱影響區(qū)中靠近焊縫區(qū)，由于此區(qū)間溫度較高加之冷卻速度較快，得到了一定的淬硬組織，可觀察到明顯的羽毛狀上貝氏體和板條馬氏體；還可以看出，因?yàn)槿鄢刂挥屑す獾淖饔?，沒有電弧的耦合，與母材相鄰的柱狀晶的取向與母材基本一致。

圖7 激光填絲接頭不同倍數(shù)下的組織圖

圖8為Q345熱影響區(qū)中的不完全結(jié)晶區(qū)，由于此區(qū)間溫度在合金的重結(jié)晶溫度范圍，因此有在晶界處重新形核長(zhǎng)大的趨勢(shì)。

圖8 不完全重結(jié)晶區(qū)200倍

3.2 焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試

1) 硬度

由圖9可知，填絲接頭焊縫寬度為1.8mm。從圖9中可以看出，焊縫的硬度最大，達(dá)到340HV左右，熱影響區(qū)次之，母材的硬度最小。

圖9 激光填絲焊接頭硬度曲線

2) 拉伸性能

焊接接頭拉伸試樣根據(jù)金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010，拉伸樣均斷裂于母材，說明焊件抗拉性能良好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過使用光纖IPG YLS-10000多模激光器以及福尼斯TPS5000焊機(jī)對(duì)9 mm厚的Q345船舶鋼進(jìn)行了激光填絲焊接工藝試驗(yàn)的研究。

研究了工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成型及熔深熔寬規(guī)律及焊縫質(zhì)量的影響，并進(jìn)一步研究了焊接接頭的一些相關(guān)組織和影響力學(xué)性能的一些因素，得出以下結(jié)論：

1) 激焊縫熔深受激光功率的影響較大。功率增大，熔深呈線性規(guī)律增加。在6 000W～8 000W之間，熱源耦合效果較好，焊縫成型最佳。

2) 光絲距>+2mm時(shí)，激光對(duì)焊絲的作用微弱，成型效果類似于激光自熔焊。當(dāng)激光束和焊絲重疊，并且重疊的部分達(dá)到-2mm時(shí)，因?yàn)榧す庵苯幼饔糜诤附z，焊絲熔化的快，焊絲大部分飛濺，只有少部分進(jìn)入了熔池。只有光絲距DLA處于-1mm～+1mm之間時(shí)，才能得到成型良好的焊縫。

3) 激光填絲焊接中隨著送絲速度的增加，熔深熔寬呈現(xiàn)減小的規(guī)律。因?yàn)榧す庠谀芰糠峙涞臅r(shí)候，更多一部分能量用來熔化焊絲，造成了熔深熔寬減小。

[1] 杜漢斌,胡倫驥,胡席遠(yuǎn). 激光填絲焊技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù)，2002(11):60-63.

[2] Sun Z, Salminen A S. Current Status of Laser Welding with Wire Feed[J]. Materials and Manufacturing Processes, 1997, 12(5):759-777.

[3] 劉建華, 胡倫驥, 駱紅. 薄板激光填絲焊工藝研究[J]. 汽車技術(shù), 1997, 18(3):40-44.

[4] 王文政, 張永康, 姜福銀, 等. 20鋼光纖激光填絲焊工藝與焊縫組織的研究[J]. 熱加工工藝, 2013, 42(19):26-29.

[5] M.J. Zhang, G.Y. Chen, Y.Zhou, S.C. Li, H. Deng. Observation of spatter formation mechanisms in high-power fiber laser welding of thick plate [J]. Applied Surface Science, 2013, 280: 868- 875.

[6] G. Sierra, P. Peyre, F. Deschaux-Beaume, D. Stuart,G. Fras. Steel to aluminum key-hole laser welding[J]. Materials Science and Engineering A , 2007, 447: 197-20.