高 健，陳淑梅, 王克鴻*, 伍道亮,王 磊

(1.南京理工大學 材料科學與工程學院，南京 210094；2.招商局重工(江蘇)有限公司，海門 226116)

引 言

我國的船舶行業(yè)正面臨著難得的發(fā)展機遇，但與發(fā)達國家在技術上尚有一些差距。我國的造船業(yè)存在很大的發(fā)展空間，不少高科技、高附加值船型、包括天然氣船、大型液化石油氣船、超大型集裝箱船、豪華旅游船等尚處于開發(fā)階段。豪華游艇目前已經成為世界船舶建造業(yè)的亮點，但是我國的游艇，包括長江三峽上的星級游艇，基本上都是外購。大部分船舶企業(yè)的焊接機械化、自動化焊接主要是半自動CO2焊、埋弧自動焊等，焊接機器人幾乎等于零，因此處于自動化焊接的初級階段，與日本、韓國相比存在較大的差距，尤其在機器人焊接方面存在較大的發(fā)展空間[1-3]。

我國大部分船廠在焊接厚板時，一般先要開坡口，然后用電弧焊進行多層多道堆焊，費時費力，而且由于增加了大量的熱輸入，容易使板材發(fā)生變形，殘余應力也較大。激光焊接具有焊接速度快、穿透能力強、對環(huán)境污染小、材料變形小、易于實現(xiàn)自動化等特點，但由于純激光光束直徑較小，對接頭精度要求較高，不能有太大的間隙和錯邊量，所以在船舶行業(yè)還沒有大規(guī)模的使用。激光-熔化極惰性氣體(metal inert-gas,MIG)復合焊是將激光束和電弧熱源組合在一個工藝中，消除了兩種焊接方式的缺點并結合了兩種焊接方式的優(yōu)點[4]，既能保持較高的焊接速度、較大的深寬比，對接頭又有較高的容忍度。因此，激光-MIG復合焊被廣泛地運用于航空航天、船舶行業(yè)、汽車行業(yè)等領域[5]。

1 試驗材料及設備

試驗中采用厚度為7mm的AH36船舶鋼，具有較高的強度、良好的耐腐蝕性能、焊接性能，母材屈服強度為401MPa，抗拉強度為555MPa，伸長率為28%，化學成分如表1所示。AH36母材的顯微組織如圖1所示?？梢钥闯觯珹H36由大量鐵素體和少量珠光體組成。

Table 1 Chemical composition and content of AH36 ship steel

Fig.1 Microstructure of AH36 base metal

試驗中采用的焊絲為1.2mm的ER50-6焊絲，具有良好的剛直度、指向性，其化學成分如表2所示。

Table 2 Chemical composition and content of ER50-6 welding wire

試驗中涉及到的激光-MIG復合焊設備屬于龍門式機器人激光焊接系統(tǒng)，采用KUKA KR16型機器人，光纖激光器為IPG Photonics公司生產，型號為YLS-10000，光纖直徑為200μm，輸出激光功率最大為10kW，激光波長為1.064μm，焊機型號為TPS5000，系統(tǒng)整體圖如圖2所示。

Fig.2 Laser welding system of Gantry robot

2 試驗結果及分析

2.1 激光功率對焊縫成型的影響分析

實驗中采用單一變量法來研究激光功率對焊縫成型的影響，試驗溫度為室溫，保護氣體為Ar(質量分數(shù)為0.9999)，接頭形式為無間隙的平板對接?？刂坪附铀俾蕿?.2m/min，電流為220A，正面保護氣流量為20L/min。激光功率從4.5kW增大到7kW，每級增加500W，焊接完成后觀察焊縫的宏觀形貌特征，分析激光功率對焊縫成型的影響。不同功率的形貌圖片如圖3所示。

Fig.3 Front and back of weld under different laser powers

由圖3可知，在激光功率為4.5kW時，正面焊縫出現(xiàn)了不均勻塌陷，背面焊縫出現(xiàn)了焊瘤缺陷，焊瘤的分布和焊瘤大小都不均勻，這是由于在焊接過程中，激光功率不足以完全焊穿7mm的板材，激光和電弧帶來的能量使板材不均勻熔透，板材底部在熔透時， 熔池在自身重力下下落，并凝固形成焊瘤，正面焊縫由于填充金屬不足而出現(xiàn)塌陷；在激光功率為5kW時,可以看到，正面焊縫也是有塌陷的現(xiàn)象，且伴有咬邊缺陷，背部出現(xiàn)大小均勻的焊瘤[6]，且焊瘤間的間距也是幾乎相同的，這是因為在焊接過程中，激光能量剛好能夠穿透板材，使板材處于適度熔透狀態(tài)，激光和電弧帶來的能量使板材周期性的被熔透，當板材被熔透時，熔池在自身重力的作用下下落，形成周期性的焊瘤；當激光功率為5.5kW時，可以看到，焊縫正面沒有了塌陷的缺陷，正面成型較好，背部沒有了大焊瘤，只有兩個小突起，這是因為此時，激光能量能夠完全穿透板材，小孔處于打開狀態(tài)，隨后，小孔在金屬溶液表面張力的作用下迅速關閉，襯托住了上面的熔池，所以熔池沒有下榻，產生小焊瘤的原因可能是因為激光與電弧能量沒有匹配好，導致焊接過程不穩(wěn)定，在某一點低于穿透板材的能量閾值，形成小焊瘤；當激光功率達到6kW時，激光與電弧能量匹配較好，焊縫正面和背面均無明顯缺陷；當激光功率為6.5kW～7kW時，可以看到，焊縫背部有出現(xiàn)焊瘤的傾向，這是由于隨著激光功率的增大，熱輸入量增加，熔融的金屬量增加，熔池底部金屬的表面張力不足以完全拖住上面熔池的重量，所以出現(xiàn)了焊瘤的傾向。

2.2 宏觀形貌分析

通過系統(tǒng)的工藝試驗，得出7mm AH36船舶鋼的最優(yōu)工藝參量為：激光功率6kW，焊接速率1.2m/min，電流220A。最佳工藝參量時，7mm AH36船舶鋼在不開坡口的情況下能一次性焊透，完成單面焊雙面成型，且焊縫成型良好，無咬邊、未熔合等缺陷，焊縫紋理清晰，焊縫成型如圖4所示。

Fig.4 Front and back weld seam diagram of AH36 laser-MIG hybrid welding a—front b—back

試樣表面經硝酸酒精(質量分數(shù)為0.03)腐蝕后，得到清晰的AH36對接焊縫橫截面圖片，如圖5所示。

Fig.5 Cross section of AH36 butt weld

可以明顯地看出激光-MIG復合焊的典型焊縫特征，上部寬大，呈現(xiàn)倒三角形，下部窄而長，其原因是焊縫上半部區(qū)域是在電弧的影響下形成的，電弧的能量比較分散，作用范圍較大，所以形成的熔池較寬，焊縫下半部分區(qū)域是在激光作用下形成的，激光的能量密度大，通過小孔傳遞能量，所以形成的焊縫寬度較小。

2.3 微觀組織分析

激光電弧復合焊焊接接頭主要分為母材(base metal，BM)、熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)、焊縫(weld metal,WM)3個區(qū)域，圖6為焊接接頭放大25倍金相圖。圖6a為對接接頭下半部分激光作用區(qū),圖6b為對接接頭上半部分電弧作用區(qū)。從兩圖中可以發(fā)現(xiàn),焊縫區(qū)組織成長方向是兩側是對稱的，對稱中心線為焊縫中心，大致與熔合線垂直，這是因為液態(tài)金屬冷卻時會沿著溫度梯度最大的方向結晶，形成柱狀晶，所以會與熔合線垂直；對比兩圖可以發(fā)現(xiàn),圖6a中的熱影響區(qū)明顯大于圖6b中的熱影響區(qū)，這是因為激光作用區(qū)的接頭處是以激光能量為主，電弧能量為輔，激光的線能量密度比電弧大得多，在焊接過程中實際的熱輸入量要比以電弧為主激光為輔的電弧作用區(qū)要小得多，所以熱影響區(qū)也體現(xiàn)出上寬下窄的現(xiàn)象。

Fig.6 25× weld image

圖7為焊縫區(qū)放大1000倍顯微組織圖?？梢钥闯?電弧作用區(qū)的焊縫組織由大量板條狀馬氏體、少量貝氏體、少量塊狀鐵素體組成，激光作用區(qū)的焊縫組織由大量板條狀馬氏體、少量貝氏體、微量鐵素體組成。電弧作用區(qū)的板條狀馬氏體組織少于激光作用區(qū)的板條狀馬氏體組織，貝氏體和鐵素體含量多于激光作用區(qū)的。在焊接過程中，電弧作用區(qū)主要是依靠電弧能量融化金屬，電弧作用范圍較廣，熱輸入量較大，使得液態(tài)金屬在高溫相變點上停留時間較長，容易形成粗大的奧氏體組織[7]。在冷卻過程中，冷卻速度較慢，粗大的奧氏體組織形成板條狀馬氏體、貝氏體和少量鐵素體組織；激光作用區(qū)主要是依靠高能量密度的激光融化金屬，熱輸入量較少，液態(tài)金屬在高溫相變點上停留時間較短，奧氏體組織來不及長大[8]。該區(qū)在冷卻過程中，溫度梯度較大，冷卻速度快，形成的馬氏體、貝氏體、鐵素體組織細小。

Fig.7 1000× weld microstructure

2.4 AH36激光-MIG復合焊接頭力學性能分析

焊接接頭拉伸試樣根據(jù)金屬材料室溫拉伸國家標準，拉伸試樣均斷裂于母材，說明焊縫金屬的抗拉強度高于母材的抗拉強度，測得抗拉強度為545MPa，接近AH36船舶鋼抗拉強度的上限值，拉伸性能滿足國家標準和中國船級社規(guī)范要求。

拉伸焊接接頭拉伸試樣的斷口形貌如圖8所示。斷口處頸縮明顯，斷口表面分布著大部分的等軸韌窩(見圖8a)，小部分孔洞為母材原始缺陷，斷口表現(xiàn)為韌性斷裂(見圖8b)。

Fig.8 Fracture profile of joint tensile specimen

為了進一步了解焊縫性能特征，測試了焊縫的顯微硬度。試驗中取焊縫上部區(qū)域距離上表面2mm和焊縫下部區(qū)域距離下表面2mm處各取了21個點，取點硬度示意圖如圖9所示。獲得了母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)硬度，其硬度測試值如圖10所示。

Fig.9 Schematic diagram of hardness

由圖10可知，熔合線上顯微硬度約為393HV，熱影響區(qū)顯微硬度約為382HV，焊縫硬度約為385HV，母材硬度約為174HV。AH36激光-MIG復合焊所得焊接接頭下方區(qū)域的硬度值整體高于上方對應區(qū)域的硬度值；其原因一為焊縫下部與金屬工件臺接觸，散熱快于焊縫上部，過冷度大，使得晶粒細化，強度硬度提高；原因二為焊縫上部分區(qū)域為電弧作用區(qū)，以電弧能量為主激光能量為輔，在電弧熱源的影響下，相當于對焊縫上部分區(qū)域做了一次回火熱處理[9]。而電弧熱源對焊縫下部分區(qū)域影響很小，所以對焊縫下部分區(qū)域沒有回火作用，回火會導致焊縫硬度降低而塑韌性提高。從微觀組織來看，焊縫上部分區(qū)域的鐵素體含量要大于焊縫下部分區(qū)域，鐵素體具有良好的塑形和韌性，而強度和硬度較低，所以焊縫上部分區(qū)域的硬度低于焊縫下部分區(qū)域的硬度。

Fig.10 Upper and lower area hardness values of AH36 laser-MIG composite welded butt joint

還可以發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)的硬度略高于焊縫區(qū)硬度，這是因為在熔池邊界處有較大的溫度梯度，液態(tài)金屬冷卻速率較快，會析出細小的碳化物彌散在基體上[10]，使得熱影響區(qū)的顯微硬度增加。

焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度均大于母材區(qū)，由上述微觀組織分析可知，焊縫區(qū)由大量板條狀馬氏體[11]，少量貝氏體，少量鐵素體組成，而母材是由大量鐵素體和珠光體組成，馬氏體加貝氏體組織比鐵素體加珠光體組織具有更高的強度和硬度[12]，所以拉伸試驗中斷裂位置在母材，且焊縫區(qū)硬度比母材硬度高。

3 結 論

激光-MIG復合焊以其超高的優(yōu)越性成為了我國高質量船舶制造進程中的必備焊接工藝，是我國從船舶制造大國向制造強國轉變的必經之路。

通過使用萬瓦級光纖激光器及福尼斯TPS5000焊機對7mm AH36進行了激光-MIG復合焊工藝試驗研究，著重分析了激光功率對焊縫成型的影響，并對對接接頭進行了力學性能測試。

(1)背部焊瘤產生的原因是激光的不完全熔透，導致熔池金屬在重力作用下突破底部熔池的表面張力，并冷凝產生了焊瘤。正面焊縫由于金屬溶液的下落，導致正面塌陷。

(2)得出7mm AH36船舶鋼的最優(yōu)工藝參量如下：激光功率6kW，焊接速率1.2m/min，電流220A，在此工藝下焊縫成型良好，無咬邊、塌陷等缺陷。

(3)激光-MIG復合焊對焊接接頭的宏觀形貌呈上寬下窄的特征，電弧作用區(qū)焊縫寬大成倒三角形，微觀組織由大量板條狀馬氏體，少量貝氏體和少量塊狀鐵素體組成，激光作用區(qū)焊縫細小而狹長，其中馬氏體含量大于電弧作用區(qū)，所以顯微硬度激光作用區(qū)要高于電弧作用區(qū)。

(4)測得抗拉強度為545MPa，斷裂于母材處，頸縮明顯，其斷口由大量等軸韌窩組成，為韌性斷裂。