屠 艷，李國(guó)銳，謝地輝，張永康*

(1.啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226259；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

隨著對(duì)新能源需求的日益增長(zhǎng)，世界各國(guó)都在大力發(fā)展海上風(fēng)電，以至于海上風(fēng)電裝備需求量急劇上升[1-3]。其中，浮式風(fēng)機(jī)是深海風(fēng)電的常見(jiàn)裝備，但其長(zhǎng)期在惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè)，會(huì)受到風(fēng)浪的沖擊和海水的腐蝕，管類零件易產(chǎn)生疲勞裂紋、磨損、腐蝕等失效形式[4-5]。若不及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，風(fēng)機(jī)易發(fā)生損壞，甚至傾斜，從而失去發(fā)電功能[6-7]。目前，管類零件修復(fù)后的熔覆層存在較多的裂紋、氣孔等缺陷，這嚴(yán)重削弱風(fēng)電平臺(tái)的疲勞壽命[8-9]。因此，研究高性能的修復(fù)技術(shù)迫在眉睫。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)零部件的修復(fù)有較多研究。封慧等[10]采用激光熔覆技術(shù)在45#鋼板表面制備鐵基激光熔覆層，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行再制造修復(fù)，并進(jìn)行熔覆層金相組織和硬度測(cè)試，結(jié)果表明，熔覆層與基體的結(jié)合性能良好，且熔覆層硬度比基體提高2～3倍。姚喆赫等[11]在激光修復(fù)鎳基高溫合金V形槽的過(guò)程中引入超聲振動(dòng)，進(jìn)行數(shù)值模擬和金相組織分析，結(jié)果表明，超聲振動(dòng)的引入有效改善激光修復(fù)區(qū)的顯微形貌和力學(xué)性能。于群等[12]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)，研究在激光增材制造Ni45合金過(guò)程中外加磁場(chǎng)對(duì)凝固組織性能的影響，結(jié)果表明，外加磁場(chǎng)可細(xì)化合金成形體的凝固組織，提高熔覆層的硬度和摩擦磨損性能。談?lì)５萚13]采用激光電弧復(fù)合焊接對(duì)304不銹鋼板進(jìn)行單道焊接成型，分析焊接速度對(duì)焊接接頭成型的影響，結(jié)果表明，焊接速度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)產(chǎn)生底部駝峰。YANG等[14]先對(duì)5A06鋁合金進(jìn)行激光電弧復(fù)合焊接，再用超聲噴丸工藝改變焊接接頭的表面質(zhì)量，結(jié)果表明，超聲噴丸可細(xì)化晶粒，提高表面硬度和耐磨性。

電弧焊復(fù)合激光鍛造是一種新型復(fù)合修復(fù)工藝，是在電弧焊接修復(fù)的同時(shí)加入一束高能量的脈沖激光進(jìn)行沖擊鍛打，以減少熔覆層內(nèi)的裂紋、氣孔等缺陷，從而提高熔覆層的力學(xué)性能。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此技術(shù)的相關(guān)報(bào)道較少。本文以Q235鋼管為修復(fù)試樣，采用電弧焊復(fù)合激光鍛造對(duì)其表面進(jìn)行熔覆，研究激光沖擊頻率對(duì)焊道表面形貌、顯微組織和顯微硬度的影響，同時(shí)對(duì)電弧焊與電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造進(jìn)行修復(fù)性能的比較，以證明電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的有效性。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑镼235鋼管，其外徑為120 mm，內(nèi)徑為90 mm。以直徑為1.6 mm的YD998焊絲作為修復(fù)材料。母材和焊絲的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。在對(duì)鋼管進(jìn)行修復(fù)前，先用磨床打磨去除鋼管表面的銹跡和氧化膜，使熔覆層與母材具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。圖1為電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造示例。試驗(yàn)中采用的電弧焊設(shè)備為L(zhǎng)INKEN的NBC-500A型氣保焊機(jī)，激光沖擊設(shè)備為廣東鐳奔科技有限公司自主研發(fā)的波長(zhǎng)為1 064 nm、脈寬為6 ns、能量為1 J、光斑直徑為5 mm、頻率為1～10 Hz的固體激光器，通過(guò)自主研制的控制器和焊接裝置進(jìn)行復(fù)合。在修復(fù)過(guò)程中，焊槍與水平面保持15°，激光束垂直照射在鋼管表面，兩者皆固定不動(dòng)。鋼管由爪盤(pán)固定在三軸工作平臺(tái)上，由控制器控制三軸工作平臺(tái)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。電弧保護(hù)氣體為95%Ar+5%CO2，氣流量為15 L/min，保護(hù)氣體從焊槍口中噴出。電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造工藝參數(shù)如表2所示。

表2 電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造工藝參數(shù)

圖1 電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造示例

表1 Q235鋼管與YD998焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

在焊接修復(fù)完成后，采用線切割在焊縫橫截面切割試樣，經(jīng)過(guò)鑲嵌、研磨、拋光制備金相試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕90 s。利用OLYMPUS OLS4100激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)焊縫截面形貌并測(cè)量熔深、熔寬和余高，用Zeiss Primotech光學(xué)顯微鏡和HITACHI TM3030臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀測(cè)焊縫形貌和微觀組織，用HVS-1000Z型數(shù)顯顯微維氏硬度儀測(cè)試焊縫截面顯微硬度。顯微硬度的測(cè)試點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 顯微硬度測(cè)試點(diǎn)位置

2 結(jié)果與分析

2.1 激光沖擊頻率對(duì)焊縫形貌的影響

激光沖擊頻率是電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的一個(gè)重要參數(shù)，決定激光產(chǎn)生的沖擊波對(duì)熔池作用的程度。圖3～圖11為不同激光頻率下焊縫的表面形貌和截面形貌。由圖3～圖11可知：當(dāng)激光沖擊頻率較小時(shí)，焊道表面相對(duì)平整，但焊道紋路分布雜亂，不夠均勻，且存在大量飛濺物，這是由于激光作用在熔池的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，在焊接速度一定時(shí)，激光搭接率很小甚至沒(méi)有，此時(shí)激光產(chǎn)生的沖擊波作用使熔池中的金屬溶液呈不規(guī)則流動(dòng)，從而造成焊縫表面紋路分布不均勻，且焊縫內(nèi)部存在較多的氣孔；隨著激光沖擊頻率的增高，焊道表面變得均勻平整，呈規(guī)則魚(yú)鱗狀，且焊縫內(nèi)部無(wú)明顯的焊接缺陷，這是由于隨著激光沖擊頻率的增高，激光作用在熔池的時(shí)間延長(zhǎng)，激光的搭接率增大，在激光沖擊波和電弧力的作用下，熔池內(nèi)的金屬液體呈規(guī)則性的流動(dòng)，從而使焊縫表面紋理分布較均勻；此外，在激光沖擊波的作用下，熔池內(nèi)金屬液體的流速會(huì)加快，促進(jìn)熔池內(nèi)氣體的排出，從而避免氣孔的產(chǎn)生。

圖3 2 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖4 3 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖5 4 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖6 5 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖7 6 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖8 7 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖9 8 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖10 9 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

圖11 10 Hz激光頻率下焊縫表面形貌與截面形貌

為進(jìn)一步研究該工藝的修復(fù)性能，通過(guò)研究焊縫的幾何尺寸描述焊道的成型質(zhì)量。圖12為焊縫截面顯微圖，定義3個(gè)焊縫幾何參數(shù)，分別為余高H、熔寬W、熔深D。熔高H主要決定修復(fù)工作的整體效率，熔深D體現(xiàn)焊道與母材的熔合深度，熔寬W決定焊道與母材的結(jié)合面積。此外，為了更直觀地表示焊道成型質(zhì)量與尺寸，引入余高因數(shù)Y，這是焊道余高與熔寬的比值，當(dāng)Y較小時(shí)，焊道與母材的結(jié)合質(zhì)量就較高。

圖12 焊縫截面顯微圖

圖13為不同激光沖擊頻率下焊縫的幾何尺寸。由圖13可知：隨激光沖擊頻率的增高，焊縫的熔寬和熔深隨之增大，余高和余高因數(shù)隨之減小。當(dāng)激光沖擊頻率較低時(shí)，余高因數(shù)較大，焊道高且窄，焊道與母材的重熔區(qū)面積較小，焊縫質(zhì)量較差。隨著激光沖擊頻率的增高，焊道變得寬且深，焊道與母材的重熔區(qū)面積增大。激光沖擊頻率對(duì)余高的影響較小，對(duì)熔寬影響較大。因此，在選擇電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造工藝參數(shù)時(shí)，盡可能選擇余高因數(shù)較小、熔寬較大的工藝參數(shù)。

圖13 不同激光沖擊頻率下焊縫幾何尺寸

2.2 激光沖擊頻率對(duì)顯微組織的影響

圖14為焊縫截面顯微組織。由圖14可知：熔合區(qū)與熱影響區(qū)存在明顯的分界，該分界區(qū)域?yàn)椴糠秩酆蠀^(qū)，母材位于熱影響區(qū)的下方，焊縫區(qū)位于熔合區(qū)的上方。

圖14 焊縫截面顯微組織

圖15為激光沖擊頻率分別為5 Hz和10 Hz時(shí)熔合區(qū)的金相組織。由圖15可知：熔合區(qū)都存在柱狀枝晶，當(dāng)激光沖擊頻率從5 Hz增高至10 Hz時(shí)，組織中的柱狀晶變得細(xì)小，且柱狀晶數(shù)量增多，晶粒得到明顯細(xì)化。

圖15 5 Hz和10 Hz時(shí)焊縫熔合區(qū)金相組織

2.3 激光沖擊頻率對(duì)顯微硬度的影響

采用維氏顯微硬度儀對(duì)焊縫的熔合區(qū)、部分熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)進(jìn)行顯微硬度測(cè)量。圖16為不同激光沖擊頻率下焊縫的顯微硬度分布。由圖16可知：4個(gè)區(qū)域的硬度呈階梯狀分布，3個(gè)焊縫區(qū)域的硬度均大于母材的硬度。在激光沖擊頻率為5 Hz和10 Hz時(shí)，熔合區(qū)的平均硬度分別為528.67 HV、618.88 HV，部分熔合區(qū)的平均硬度分別為285.41 HV、339.23 HV，熱影響區(qū)的平均硬度分別為187.36 HV、213.76 HV。由此可知：當(dāng)激光頻率從5 Hz增高至10 Hz時(shí)，熔合區(qū)、部分熔合區(qū)和熱影響區(qū)的平均硬度分別提高17.10%、18.86%、14.09%。此外，熔合區(qū)和部分熔合區(qū)的顯微硬度明顯提高較大，這是因?yàn)榧す鉀_擊頻率的增高使熔合區(qū)組織中的柱狀枝晶變細(xì)小，增加阻擋位錯(cuò)變形的作用力，以至于硬度得到較大提升。

圖16 不同激光沖擊頻率下焊縫顯微硬度分布

2.4 電弧焊修復(fù)與電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造對(duì)比

為進(jìn)一步研究電弧焊接與電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的區(qū)別，分別用工藝參數(shù)為34 V、130 A、160 mm/min的電弧焊和34 V、130 A、160 mm/min、10 Hz的電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造對(duì)鋼管零件進(jìn)行修復(fù)，分析兩者的顯微組織和顯微硬度。

圖17為電弧焊和電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造獲得的熔合區(qū)金相組織。由圖17可知：電弧焊的熔合區(qū)晶粒較粗大，呈現(xiàn)出粗大的柱狀晶形狀，電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的熔合區(qū)晶粒得到明顯細(xì)化，晶粒形狀與細(xì)小的等軸晶類似。這是因?yàn)槿酆蠀^(qū)的粗壯枝晶一部分受到激光沖擊作用直接發(fā)生斷裂，一部分隨著金屬液體的流動(dòng)與之產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在金屬流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力作用下發(fā)生破壞形成細(xì)小的枝晶碎片。

圖17 電弧焊與電弧焊激光沖擊鍛造焊縫熔合區(qū)金相組織

圖18為電弧焊和電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造獲得的焊縫的顯微硬度分布。與前述一致，主要研究3個(gè)焊縫區(qū)域的顯微硬度。由圖18可知：電弧焊和電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的熔合區(qū)的平均硬度分別為560.57 HV、618.88 HV，部分熔合區(qū)的平均硬度分別為334.37 HV、339.23 HV，熱影響區(qū)的平均硬度分別為188.48 HV、213.77 HV。由此可知：與電弧焊修復(fù)相比，電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的熔合區(qū)、部分熔合區(qū)、熱影響區(qū)的平均硬度分別提高10.40%、1.45%、13.42%，且3個(gè)區(qū)域的平均顯微硬度提高9.39%。

圖18 電弧焊與電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造焊縫顯微硬度分布

圖19為電弧焊與電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的整體修復(fù)試樣。試樣通過(guò)單層單道，搭接率為50%的方式進(jìn)行焊接，并進(jìn)行磨削、車削。由圖19(a)可知：電弧焊處理后的修復(fù)件表面存在大量細(xì)小氣孔和部分微裂紋，焊接質(zhì)量有待提高。由圖19(b)可知：電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造后的修復(fù)件表面有明顯的金屬光澤，氣孔和微裂紋減少，與電弧焊修復(fù)件相比，表面質(zhì)量更優(yōu)。

圖19 電弧焊與電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的整體修復(fù)試樣

3 結(jié) 論

(1)在電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造中，當(dāng)激光沖擊頻率過(guò)低時(shí)，焊道表面紋路分布不均勻，飛濺嚴(yán)重；隨著沖擊頻率的增高，焊道表面均勻平整，焊縫內(nèi)部無(wú)明顯缺陷，且焊縫的熔寬與熔深隨之增大，余高和余高因數(shù)隨之減小。

(2)隨著激光沖擊頻率的增高，焊縫熔合區(qū)的柱狀晶尺寸變小，數(shù)量增加，晶粒得以細(xì)化；激光沖擊頻率的高低對(duì)熔合區(qū)和部分熔合區(qū)的顯微硬度影響較大，激光沖擊頻率的增高能有效提高各焊縫區(qū)域的顯微硬度。

(3)電弧焊與電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造對(duì)熔合區(qū)金相組織影響的差異較大：電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的組織晶粒比電弧焊的晶粒更加細(xì)小，呈細(xì)小的等軸晶形狀；電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造的顯微硬度明顯比電弧焊的硬度更大；電弧焊復(fù)合激光沖擊鍛造整體修復(fù)后的表面氣孔及微裂紋減少。