高 健，宋曉嬌，潘麗華，夏 靈，徐 杰

上海航天動力技術研究所，上海 201100

0 前言

某型號固體火箭發(fā)動機殼體采用高強度鋼30CrMnSi，通過強力旋壓及真空電子束焊焊接成形［1］，真空電子束焊接具有焊接過程穩(wěn)定、焊接速度快、焊縫純凈度高的優(yōu)點［2］，但是由于抽真空耗時較長，焊接效率較低，難以滿足日益增長的生產需求。

激光焊接是一種精密、高效的高能束焊接方法，具有能量密度高、焊接速度快、焊接變形小、焊縫質量優(yōu)等特點，被廣泛應用于汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領域［3-4］。與真空電子束焊相比，激光焊接效率高，焊接過程易于集成化、自動化、柔性化［5-6］。但是激光焊接在收弧階段，尤其是在激光深熔焊時的匙孔效應作用下，熔融金屬未回填就已凝固，在收弧位置處會形成大而深的收弧坑，而收弧坑的存在會帶來不利影響，如不滿足焊縫表面質量要求，削弱整個接頭的強度，收弧坑誘發(fā)裂紋等缺陷［7］。對于一般的焊接結構可以通過添加收弧板完全消除收弧坑，但固體火箭發(fā)動機殼體一般為環(huán)形薄壁件，受焊縫結構限制，無法添加收弧板，所以只能通過工藝手段來控制收弧坑的大小，以期減小收弧坑帶來的不利影響，滿足焊接質量要求［8］。虞鴻江［9］采用激光能量分段衰減方式有效避免了TC11鈦合金環(huán)焊縫弧坑裂紋。曹海春［10］通過調整可有效漸升與漸降功率防止焊件受到激光功率開關影響而瞬間突開、突閉導致焊縫出現氣孔和收尾弧坑問題。

本文在已有激光焊接規(guī)范上，采用單一變量法探究收弧時間、焊接速度、離焦量對收弧坑深度的影響，并分析收弧坑形成的原因，優(yōu)化焊接工藝，并對優(yōu)化后的工藝所得焊縫進行射線探傷檢測，顯微組織觀測和力學性能測試，最終獲得滿足某型號發(fā)動機殼體設計要求指標的焊接工藝參數。

1 試驗材料及設備

試驗采用TruDisk8001型激光器，最大功率為8 000 W，光束質量≤4.5 mm·mrad，波長1 030 nm，光電轉化率≥25%，焦點光斑直徑0.4 mm。激光焊接系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高功率柔性激光焊接系統(tǒng)Fig.1 High power flexible laser welding system

采用直徑200 mm、壁厚2 mm、長度80 mm的薄壁筒體作為焊接對象，材質為30CrMnSi高強度鋼，其化學成分如表1所示。

表1 30CrMnSi高強度鋼化學成分（質量分數，%）Table 1Chemical composition of 30CrMnSi high-strength steel（wt.%）

2 試驗過程及結果

2.1 收弧坑形成原因

通過前期試驗發(fā)現，改變激光焊的起弧功率和收弧功率可以控制焊縫成形。激光的輸出波形按時間可分為3個部分，如圖2所示。焊縫宏觀形貌如圖3所示，可以看出，在起弧位置出現駝峰，這是由于在激光能量上升過程中，焊縫未被完全熔透，熔池前沿的金屬不斷向后堆積凝固形成駝峰；收弧位置出現收弧坑，這是由于收弧時激光能量降低，熔池前沿熔融的金屬量減少，當激光深熔小孔消失時，即激光從深熔焊轉變成激光熱導焊時，熔池前沿熔融回填的金屬量無法完全填滿激光深熔小孔產生的孔洞，所以在收弧時出現收弧坑［11］。上述現象會使得在起收弧搭接時出現焊縫的凸起和凹陷，尤其是收弧位置的弧坑會嚴重影響焊縫質量［12-13］。

圖2 激光輸出波形Fig.2 Waveform diagram of laser power output

圖3 激光焊接焊縫宏觀形貌Fig.3 Macro view of laser welding seam

2.2 工藝參數對收弧坑深度的影響

QJ 20659-2016《結構鋼、不銹鋼激光焊接技術要求》中對于焊縫未焊滿的情況作出了較為明確的規(guī)定。在一級焊縫標準中允許存在單個未焊滿的缺陷，未焊滿缺陷示意如圖4所示，單個未焊滿缺陷的最大深度應不大于8%δ（δ為母材厚度），局部缺陷在任何100 mm長度的焊縫上的最大累計長度應小于等于10 mm。試驗母材厚度為2 mm，根據標準要求，凹坑最大深度應小于0.16 mm。

圖4 未焊滿缺陷示意Fig.4 Schematic diagram of not fully welded

對30CrMnSi筒體進行激光焊接對接試驗，采用單一變量法探究焊接速度、收弧時間、離焦量對弧坑深度的影響。前期進行了大量激光焊接工藝試驗，獲得了焊接過程穩(wěn)定、焊縫成形較好的工藝參數：激光功率為2 400 W，離焦量+5 mm，焊接速度1.2 m/min，收弧時間2 s，保護氣為純度99.99%氬氣，保護氣流量20 L/min，保護氣氣壓為0.2 MPa，試驗后用深度百分表測試凹坑深度。工藝參數對收弧凹坑深度的影響如圖5所示。

（1）收弧時間對凹坑深度的影響。

保持離焦量為+5 mm、焊接速度為1.2 m/min不變，探究不同收弧時間（0～4 s）對凹坑深度的影響。由圖5a可知，當收弧時間為0時，收弧凹坑最大深度可達0.43 mm，不滿足標準要求。這是由于激光能量突然消失，激光深熔小孔瞬間關閉，熔融的金屬無法完全填滿孔洞，所以形成了較大的收弧坑；當收弧時間由0 s增至2 s的過程中，凹坑深度明顯減小，這是由于隨著收弧時間的增加，激光功率的衰減梯度減小，激光深熔小孔前沿熔融的金屬有更多的時間來回填激光深熔小孔，所以收弧凹坑深度減小；當收弧時間大于2 s時，收弧坑深度的變化趨于穩(wěn)定，約為0.12 mm。

（2）離焦量對凹坑深度的影響。

保持收弧時間2 s、焊接速度1.2 m/min不變，探究不同離焦量（-1～9 mm）對凹坑深度的影響。由圖5b可知，隨著離焦量的增加，凹坑深度不斷減小，這是因為離焦量增加，照射在焊縫表面的激光光斑面積增大，導致焊縫變寬，熔池變大，當激光深熔小孔消失時，小孔周圍可回填的熔融金屬量增加，使得收弧坑深度減小。

（3）焊接速度對凹坑深度的影響。

保持收弧時間2 s、離焦量+5 mm不變，探究焊接速度（0.48～1.68 m/min）對凹坑深度的影響。由圖5c可知，隨著焊接速度的增加，收弧坑深度減小，這是由于焊接速度增加，激光線能量密度降低，產生的金屬蒸汽及飛濺量降低，熔池寬度變窄但長度增加，導致收弧坑深度減小。

圖5 工藝參數對收弧凹坑深度的影響Fig.5 Influence of process parameters on the depth of arc crater

2.3 收弧坑工藝優(yōu)化

經上述分析和多次試驗可知，收弧時間對收弧坑深度影響最大，但收弧時間超過2 s后收弧坑深度變化較小，且收弧時間增加會導致焊縫重疊區(qū)增長，氣孔率增加，因此確定收弧時間為2 s。焊接速度對弧坑深度也有較大影響，考慮在收弧過程中焊接速度遞增。優(yōu)化后工藝參數如下：保護氣為純度99.99%氬氣，氣體流量20 L/min，保護氣壓0.2 MPa，激光功率2 400 W，離焦量+5 mm，收弧時間2 s，全功率段焊接速度1.2 m/min，從收弧點開始焊接速度從1.2 m/min勻速增加至2.4 m/min，在此工藝參數下可獲得較好的焊縫及較小的收弧坑。

收弧段焊縫搭接效果如圖6所示，焊縫均勻飽滿，呈銀白色金屬光澤。收弧段X射線拍片如圖7所示，焊縫氣孔數量較少且無裂紋缺陷，前段亮光部分是起弧和收弧搭接位置，中段有一小段深色段是收弧坑位置，用深度百分表測得收弧坑最大深度為0.08 mm，滿足激光焊接標準QJ 20659-2016中一級焊縫要求。

圖6 收弧段焊縫搭接效果Fig.6 Welding receiving arc segment overlap effect

圖7 收弧段X射線拍片Fig.7 X-ray film of the arc-retracting section

2.4 工藝優(yōu)化后收弧段焊縫微觀組織及力學性能

工藝優(yōu)化后收弧坑處焊縫試樣截面如圖8所示。上部分半圓形淺色區(qū)域是收弧重熔區(qū)的焊縫，形成原因是收弧時激光功率逐漸降低，焊接方式由激光深熔焊轉變?yōu)榧す鉄釋Ш福幌虏糠稚钌珔^(qū)域為深熔焊區(qū)焊縫，為樹枝晶狀組織，并呈中心對稱。

圖8 收弧坑處焊縫截面Fig.8 Cross-section of the weld at the arc crater

收弧坑處焊縫微觀組織如圖9所示。圖9a為深熔焊區(qū)微觀組織，主要由貝氏體+珠光體+鐵素體的混合組織組成，顯微硬度約400 HV；圖9b為收弧重熔區(qū)微觀組織，主要由馬氏體+貝氏體+鐵素體的混合組織組成，顯微硬度約570 HV，該區(qū)域硬度高于深熔焊區(qū)的原因是焊縫經歷了激光重熔，相當于進行了一次淬火處理，使得重熔區(qū)硬度增加；圖9c熔合線附近的過熱區(qū)為粗大的貝氏體+珠光體+鐵素體組織，顯微硬度約370 HV；圖9d為熱影響區(qū)與母材交界處微觀組織，由珠光體+鐵素體組織組成，顯微硬度約240 HV，母材區(qū)鐵素體呈網狀分布，顯微硬度約200 HV。

圖9 收弧坑焊縫微觀組織Fig.9 Microstructure of the arc-receiving crater weld

為了測試工藝優(yōu)化后的焊縫收弧坑對焊接接頭拉伸強度的影響進行了焊縫拉伸試驗，試驗結果如圖10所示，其中1#、2#、3#拉伸試樣焊縫無收弧坑，4#、5#、6#拉伸試樣取自包含收弧坑的收弧段焊縫。測試結果顯示，所有拉伸試樣均斷裂在母材，拉伸強度約為1 080 MPa，這表明工藝優(yōu)化后收弧坑處的焊接接頭強度能夠達到無收弧坑處的焊接接頭強度，焊縫質量和力學性能滿足要求。

圖10 拉伸試樣拉斷Fig.10 Tensile sample breaks

3 結論

（1）焊接收弧時，激光能量降低，熔池前沿熔融回填的金屬量無法完全填滿激光深熔小孔產生的孔洞，所以在收弧時出現收弧坑。

（2）收弧時間和焊接速度對收弧坑的影響較大，當收弧時間為2 s，從收弧點開始，焊接速度從1.2 m/min勻速增加至2.4 m/min時可獲得較好的焊縫及較小的收弧坑，收弧坑深度為0.08 mm。

（3）收弧重熔焊縫微觀組織主要由馬氏體+貝氏體+鐵素體的混合組織組成，顯微硬度約570 HV，原始焊縫微觀組織主要由貝氏體+珠光體+鐵素體的混合組織組成，顯微硬度約400 HV，工藝優(yōu)化后收弧坑處的焊接接頭強度能夠達到無收弧坑處的焊接接頭強度，焊縫質量和力學性能滿足要求。