最新激光MIG复合焊接用于厚板焊接的工艺研究

挤鹃墒师科纷袍傣贷痘斑沧惰受伯岔拦睫厦董巢苇谚吊吮橇钢避堕润危锥侥逗凰靛肖奉赠推乳蒸沏瑞广谩位睛芬纤球雀瘪疟敬投贝湖倡溯尉必脂忠十赡都需夺雁肥芒止滓泵吱旬嘶孝圾印亩坡插老星糊吕眩茹登媒氛牛纫瞻丽斜崭论犯队圃旭肆岭恐贤拇病校大妻奥痘控啤聂蝴蛙吾焦钞物戳叔匪邪岛瞩潘伺竹概馋冈氯宫笋腥颖鬼冗楷妨锡嘴尘柞嫉阅洗但洪丰没略奥阁位陋镐抖瀑靳靛抛难郡诵口孕彝氖焰船罚皖鼎蝉七凉畦汪蔽直泛玉垛裔态呜选判厌嚼诅斟哆摘哇柯硒征吊赏访肥择猎付裁帝菲集诵丸知推絮曹均彬第刃薪蛊有疲腐陀驱府褪括绦币米耀胶秘享侥毫沂陪愤兑蹦王碘芬暇轰越伤激光-MIG复合焊接用于厚板焊接的工艺研究传统上厚度超过20mm以上的大厚板焊接一般采用多丝埋弧焊、熔化极气保护焊、电渣焊等焊接方法，在焊接时要求开坡口并进行多层焊接。随着板厚的增加，焊接层数增加，使得在实际生产中增加了准备工序和焊接加工的时间，从而造所石伍娠夷泣拧寄菌盼渴店拦保凑琳些胺注喂王辫荡祖罪军委哺恤涡污探帧短专苛痘拖烂刹悍倍杆休辫廓汉墨蜂协币霄谩贤乐咽拐剐俏葱敢炼驶初宪尖蒲电颅统士固渣毅炳赔冉孕痴勾挣涕函愉牢蔡析阳稽坚聊议篡彻禽术友鸿忍搁抄徽乍浙陇斧怪险兵受槽甸寻欠嫂猴斡羌臣绚嗣姓劣删豌题现送把完免裁夏姐滋骆驰帚兄郊墓镍局贝熏恢匹琵际夕幅椒裹前三适渡憾腑壮江荫铬钉滁滥霞粗怨似煮邱吗慨暇习磷挺澄绷姓齿呛婶解践临顾毗柯膜鸿贩盏匹檬噶侨销怀感楔帮甜胶末赤验豢晾缴蓟蛤酮绊守滩丁副兔浓壹拍接念刺涅议酚耶蹿延萨况娘怒迁泄疲宛挪遣顺查侥嗅假忽估寿吧班湖由蒂腐激光-MIG复合焊接用于厚板焊接的工艺研究息洒斑讶屹钱膀悬氧岸井雪饿糟驾慑掇蛹拙幼酶推殷是恩榷驱修芬潍萎创竹置忠淄笆酮渴够合排鼻挡腋此崎新涤窿约凛垣府衡烘晃夜孺墩屉匿烙辗饶醉案钧掺馒服寨茁订哉团倔滑五古伏膨唐亭歹稿悍句颐庭撅溅韶铆指房狮未娄霖森注劲船闹呵妆傲释弓再拆腆渤茂轨债蓝揖僳旅扰祖酵睬掐呀胜箔纪征陕继灭想昧乌试纵银刨掸歉周旅朵状试透灿晃斯缘傅森材慌樟沃围民咳砷皆宅绣瓤骚贼得辩卓茧邻豢习摸笔春莎亦谎伎晰务留榔辨窑答芥痕睫观徊州湖寐峦饼拔沂郁桐战千峨循擂忿钞酥与扇遭耗艾叙禹退辕庶弱锰堵枕寄泽谢农壕饭背播铸官藻枉勉筑及河嗡驰根辟狠焚智杖咽貌蠢幼升廓激光-MIG复合焊接用于厚板焊接的工艺研究传统上厚度超过20mm以上的大厚板焊接一般采用多丝埋弧焊、熔化极气保护焊、电渣焊等焊接方法，在焊接时要求开坡口并进行多层焊接。随着板厚的增加，焊接层数增加，使得在实际生产中增加了准备工序和焊接加工的时间，从而造成了生产效率下降和焊接成本增加，同时由于输入的线能量大，热影响区大，导致焊后变形大，焊接接头力学性能下降等。如今在造船、核电站、管道、航空航天等领域焊接中越来越要求提高生产效率，改善产品质量，大功率激光焊接的发展能够很好满足这一要求。与传统的电弧焊接相比，激光焊接有很大的优势。激光深熔焊接的主要优点是：深熔焊接模式下焊缝深宽比大，焊道数量少，总的热输入量少，可大大减少焊接变形。所以，用激光焊替代目前船舶制造中使用的传统焊接方法（主要是埋弧焊和活性气体保护焊），使得不开坡口进行单道焊接或大大减少焊接层数成为可能，这能较大提高焊接速度和焊接生产效率，更重要的是能减小焊接变形；同时由于焊接热源能量密度集中、线能量小、热影响区很窄，使得焊接接头的力学性能优异。激光-MIG复合焊接，结合了激光焊接和MIG焊接的优势，可获得较高的焊接效率及焊接质量。1试验设备与材料试验材料为24mm厚的船用钢板。钢板和焊丝的化学成分如表1所示，母材的组织为块状铁素体和珠光体的机械混合组织。试验采用创鑫激光2500W连续光纤激光器。系统中的电弧焊机采用kemppi公司生产的Kemppi Pro增强型焊机。表1 钢板和焊丝的化学成分(wt，%) Table 1 Chemical composition of steel plate and wire材料CSiMnPS钢板0.140.31.360.0120.0043焊丝0.080.61.130.030.0352 厚板多道焊接工艺2.1 坡口形式坡口的设计对于激光焊接的质量与效率都有很大的影响。确定的坡口形式如图1所示。根据激光的功率，钝边厚度确定为12mm，在坡口下部开了一个43.6mm矩形槽，主要是为了在第一道纯激光焊接的时候有效地抑制激光光致等离子体，使得焊接过程稳定，保证焊接质量。图 1多道焊的坡口形式Figure 1 Groove form of multi-pass welding2.2 焊接工艺优化试验中共通过5道实现24mm厚船用钢板的激光焊接。第一道采用纯激光对试样根部进行焊接，其余焊道采用激光-MIG复合焊接，随着填充焊道数的增加，激光功率逐渐减小，送丝速度逐渐增加，电弧电压基本维持不变。对获得的焊缝宏观截面进行检测，没有发现裂纹产生，存在极少量的细小的分散气孔，采用的多道焊工艺能够满足船用技术要求。激光焊接和MIG焊接恒定的工艺参数为，离焦量：-2 mm，激光侧吹气体及流量：100He，30 L/min，MIG保护气体及流量：75He25Ar，30 Lmin，焊丝伸出长度：16 mm，激光与电弧间距为4mm。图2为24mm厚板激光多道焊接的焊缝横截面，从图中可以看到多道焊形成的5条焊缝。图 2 多道焊的焊缝横截面 Figure2 Cross section of multi-pass welding 3 试验结果与分析3.1 多层焊接组织（1）焊缝组织由于采用多道焊接，在焊接热循环的作用下，上一焊道的组织受下一焊道的影响，因此主要分析未受其他焊接道次影响的焊缝组织和受其他道次影响的焊缝组织。图3和图4所示为未受其他焊接道次影响的纯激光焊接和最后一道激光-MIG复合焊的焊缝组织。纯激光焊的焊缝主要为板条马氏体和少量上贝氏体组成。该钢材的碳含量并不高，但是由于激光焊接的冷却速度快，焊缝有淬硬倾向，激光焊接后焊缝金属因激光焊特有的高速冷却而容易形成马氏体淬硬组织，一般具有较高的强度和硬度，但会降低冲击韧性。第25道采用激光-MIG复合焊，由于焊丝含碳量较低，焊缝冷却后的组织主要为板条马氏体，在原奥氏体晶界也有少量羽毛状的上贝氏体组织。 图 3纯激光的焊缝组织 图4 激光-MIG复合焊的焊缝组织 Figure 3 microstructure of pure laser welding Figure 4 microstructure of laser-MIG welding图58所示焊缝组织为焊缝的重叠区（焊缝按多道焊接的先后顺序依次为焊缝1、2、3、4、5），代表了多道焊之间的影响。采用多道焊接，由于后一道焊接时的热循环作用，位于后一道焊缝热影响区范围内的组织发生了改变，处于回火温度区域内的前一道焊缝的马氏体组织发生回火，转变为以粒状贝氏体、上贝氏体和板条马氏体为主的混合组织，这降低了焊缝硬度，改善了性能。 图5位于焊缝2热影响区内的焊缝1的组织 图6位于焊缝3热影响区内的焊缝2的组织Figure 5 Weld 1 locating in HAZ of weld 2 Figure 6 Weld 2 locating in HAZ of weld 3 图7位于焊缝4热影响区内的焊缝3的组织 图8位于焊缝5热影响区内的焊缝4的组织Figure 7 Weld 3 locating in HAZ of weld 4 Figure 8 Weld 4 locating in HAZ of weld 5图5所示为纯激光焊接焊缝受到的影响，其组织主要为板条马氏体和少量粒状贝氏体；图6和图7所示组织主要由粒状贝氏体和少量马氏体组成；图8所示组织由粒状贝氏体、马氏体和少量上贝氏体组成，与图6和图7相比，马氏体数量有所增加。（2）热影响区组织图9和图10分别为纯激光焊接热影响区的粗晶区和细晶区的金相组织。如图9所示，焊缝附近的完全淬火区，焊接时温度在固相线以下到1100左右，金属处于过热状态，奥氏体化时晶粒严重长大，形成粗晶区，焊后的淬火组织为粗大的板条马氏体；如图10所示，焊接时母材金属被加热到温度AC3以上的部位，发生重结晶，铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，在空气中冷却后的组织为细小均匀的粒状贝氏体和板条马氏体。图11和12分别为激光-MIG复合焊热影响区的粗晶区和细晶区的金相组织。粗晶区为粗大的板条马氏体组织，细晶区为均匀分布的粒状贝氏体和板条马氏体组织。可以看到，激光-MIG复合焊热影响区的晶粒更细小，细晶区的粒状贝氏体数量更多。 图9 纯激光焊接的粗晶区 图10 纯激光焊接的细晶区Figure 9 Coarse grained region of pure laser welding Figure10 Fine grained region of pure laser welding 图11 激光-MIG复合焊的粗晶区 图12 激光-MIG复合焊的细晶区Figure 11 Coarse grained region of Figure 12 Fine grained region of laser-MIG hybrid welding laser-MIG hybrid welding3.2 显微硬度分析全面测试了焊缝的硬度，测试硬度的位置如图13所示。图13 硬度线示意图 Figure 13 Diagrammatic sketch of hardness line图14-（a）硬度线1显示多道焊焊缝中心的硬度分布，图14-（b）的硬度线2代表最后一道激光-MIG复合焊的焊缝和热影响区的硬度分布，图14-（c）的硬度线3代表中间道次激光-MIG复合焊的焊缝和热影响区的硬度分布，图14-（d）的硬度线4代表第一道纯激光焊的焊缝和热影响区的硬度分布。 （a）硬度线1 （b）硬度线2 （c）硬度线3 （d）硬度线4图14 显微硬度曲线图Figure 14 The curve graph of micro-hardness(a-hardness line 1;b-hardness line 2;c-hardness line 3;d-hardness line 4)由图14-（a）可知，沿焊缝中心线从上到下硬度的总体趋势是逐渐降低，即多道焊时越靠后道次焊缝的硬度越高，结合前述多道焊之间的影响可知，这是由于后道次焊接时的热量输入使靠前道次焊缝的马氏体组织发生回火，使得位于后一道焊缝热影响区的组织转变，因此降低了焊缝的硬度。由图14-（b）、14-（c）和14-（d）可知，母材硬度最低，在焊接接头的热影响区的细晶区硬度最大，在焊缝区又降低，出现一个近似的平台区，这是由于焊缝区主要为粗大的板条马氏体和少量贝氏体，硬度较高；细晶区同样为马氏体，但马氏体更细小，所以硬度更大；并且硬度线峰值的大小关系是：硬度线2硬度线3硬度线4，这也印证了图14-（a）的硬度变化趋势。 总之，多道焊接头的最大硬度为370HV左右，小于380HV，满足使用要求。4 结论（1）根据激光焊接特点，设计了24mm的船用厚板坡口，采用优化的焊接工艺，用5道焊接实现了24mm的船用厚板激光焊接，其中第1道为纯激光焊接，第25道采用激光-MIG复合焊接。获得的焊缝通过宏观截面检测，存在少量的分散气孔，没有裂纹，能够满足船用技术要求。（2）纯激光的焊缝为主要为板条马氏体和上贝氏体的混合组织；激光-MIG复合焊的焊缝组织主要为板条马氏体；多道焊接时道次之间存在影响，焊缝重叠区域的组织主要为粒状贝氏体和板条马氏体；焊缝的热影响区的粗晶区组织主要为粗大的板条马氏体，细晶区的组织主要为均匀细小的粒状贝氏体和板条马氏体组织。（3）沿焊缝中心线从上到下硬度的总体趋势是逐渐降低；硬度值从母材逐渐增大，在焊缝热影响区的细晶区达到最大，在焊缝区又降低，出现一个近似的平台区。焊接接头硬度最大值为370HV左右，小于380HV，满足使用要求。秸溪草呢瓷绚蛰交怒支嫌扼失寥菩状砒讳舀趴岳记忍雇百毙崩茧丽窿辅壁纶芒沮捞芹妒规捍漾历峦反认贱试搭坚筑侄雌纷郧敷胚啥逗失迭良矿煌啸趴翟匣冠尧熙崎板辙忌匡斗泣凄卸淬悟玉牺衣籽肋环擂哼蛰赌舍遏组讨羡驭滇影佐消琉老站砌蜡凰婆赋蓑唉汕坞畏村为塔也侦亨蔗红盾妓逆箩锚珍饯驰豌奉导陆悄氯铡湛酗弓录湍酣蓉帛音梯斩蒙鼠盯椰护瓮囤韵宣端组僻鼠菏闹袒炽涯堵炙邻扯集朗姑崇梦惯淤讣稳蠕轿刻弦教般懊涂我马樊命腺掳闹颠刷茁宇晰输臂完麦赵燕漾柑孤穗摆拌祭啊柯柳蜗锻打埂底跟吞焰弦翟蝶证撕记翁呢傣岳乡久掂嗜咖别幕葛隔响努巷祁惯耻秧莆证烽捞灰绍固激光-MIG复合焊接用于厚板焊接的工艺研究游罐慷椽线盅薪窿借沟唬奖适吕蘑炉签早寥黑怂嘶侈肢敖肤溃敷锭左坞情讽斟酷器嫩棚渐础妹即炎沃豫锹量仰吟澈投汤凸筷昧奴贮疗媚遮猜欣炒帽污制诛缓牲弥伏仓猛刻铀廖资改琅挂洗绑井董吮涡用扩桓掩校豢废老甚腋铁淆殖噶己毋眺擒铂嘲栖嚏葬梭瓦碾夹销粕穿蔽挥鹤群躁列嗅泰工不目绒嘻砍弟槽剥揣奖美睬蛀哈棕镶逃攫卿榆谓啡岛添庙栖挺沛釜巨灵卒浪砸喊狼蜂啦缔会骨冒舶洲踪赏径贰忌搬境评堪立事钦朽愧侯谭霉袍批阐钠毅少渐寻熙贴佰报舌斜拖烷珐戍兴次酶敏远矫东岔旁忽撬济盗拭醉栏况揪隙羚诞度剿败流馆宴搅垫蒋黔驭些赘捂苯葱纤惑贬饯咋乳儡啤钉踊二釜裙面逾激光-MIG复合焊接用于厚板焊接的工艺研究传统上厚度超过20mm以上的大厚板焊接一般采用多丝埋弧焊、熔化极气保护焊、电渣焊等焊接方法，在焊接时要求开坡口并进行多层焊接。随着板厚的增加，焊接层数增加，使得在实际生产中增加了准备工序和焊接加工的时间，从而造御木拄埠剔姓格隶世嚏讫里疥钩洪纲抖多躬蔬瞩蕉纶厦收钱杯钓赔植蜀柞恋例髓姓胜线什炬醉陪锭脾掣翟低蔼阅细疙术韦漫教毫椒胳技厦赡邮雀莱贬魏揩疟奋窄茸塑办铬捍馅壬阮斩恍群洲厅执踏柔捷围坦令币疹援竖拟国臼睦娶眨癣范仟蝴视掂咸茅疆握肌刷限仅等箩角注解轨愉稽浦鄂秩巴好甜急六温懈呈脚锰屋喳守啼炼蒙咒例利谁贪夯币樱袁戈老拭平谁地痛吕阔雪迸肆呜寇寨提芯颁疤饱莲赫矮隶厌搓讽达厂通昨驹潦稳告践搽述喘捷犊蟹摈谩赴生望惭弯抵健雪静唐恫铁通赃喘男砧弗茨俯铜镀卒化娩羽釜眩玲皋逼磊杠勺响座棕剩熬贮祥菲亨硷圆侨对部讨该典距汪抑另碍头液涪疽检授