光纤激光焊接机高强度焊接接头-星鸿艺激光焊接机

光纤激光焊接机高强度焊接接头

发布时间：2016-08-29 | 来源：星鸿艺激光焊接运营部 | 分享：

    船舶甲板和舱壁的焊缝具有平直、长度长的特点，焊接接头形式为平板对接和T型接头，适合自动化焊接。随着造船精度要求的不断提高，而激光焊接的高效、快速、低热输入、小变形等特点则能适应船舶结构低变形焊接的要求。光纤激光因其比C02激光具有更好的光束质量、更大的连续输出功率、更高的电光转换效率以及可光纤导光等优点引起了国内外学者的重视，在激光焊接中也得了到越来越广泛的使用。
    lOCrSiNiCu钢是我国白行研制的船舶非耐压壳体用钢，它既具有较高的屈服强度(>400 MPa)，又具有良好的低温(-40℃)冲击韧性和焊接性能”l。由其构成的船舶甲板和舱壁的焊接制造目前采用的是埋弧焊、熔化极气体保护焊等常规焊接方法，但是应用常规焊接方法产生的主要问题是热输人大、焊接变形大，给船舶制造精度的提高带来了困难。现国内船用高强钢的光纤激光焊接机处于研究阶段，尚未在下程中得到应用。杨榄生等”采用IPG YLS-5000光纤激光器白熔焊接了lOCrSiNiCu钢三明治板T型接头，所得的焊缝和热影响区的显微硬度均高于母材，焊缝组织为板条马氏体，热影响区组织主要为马氏体、残余奥氏体及少量析；H碳化物。贾进等采用YAG激光器研究了3.2 mm厚的E36激光白熔焊接接头组级和性能，发现接头组织以及硬度特性也随着焊速变化而变化，当焊接速度达到70 mm/s时，焊缝区域的最高硬度达到448.9 HV，焊接速度为20—60 mm/s的拉伸试样均断裂在母材。低合金高强度钢的激光白熔焊和复合焊的接头力学性能、接头区软化、接头疲劳性能等方面也得到了一定的研究”。
    由上可知，lOCrSiNiCu船用高强钢的激光焊接机研究较少，针对其光纤激光填丝焊接接头的组织和性能的研究尚未见报道。激光填丝焊接既具有较好的间隙容忍度，又具有比激光复合焊更低的焊接热输入和变形，在船用钢结构低变形焊接制造中有应用潜力。因此，本文采用IPG-10000型光纤激光器，针对lOCrSiNi-Cu船用高强钢对接接头，研究激光热输入对接头组织、显微硬度、拉伸、三点弯曲、低温冲击性能的影响，进而确定合适的丁艺参数范围，为后续激光填丝焊接IOCrSiNiCu船用高强钢的丁业应用提供参考。
试验材料及试验方法
    试验采用船用高强钢lOCrSiNiCu钢板，厚度为8 mm，激光填丝焊中所使用的焊丝是ER50-6焊丝，母材和焊丝熔敷金属的化学成分及力学性能分别见表1和表2。如图1所示，母材金相组织主要由块状铁素体种带状珠光体组成，其中带状组织为轧制组织。
   试验采用YLS 10000光纤激光器，其光束质量为12 mm - mrad。激光丁作头为Precitec公司的YW52，焦距为300 mm，聚焦后焦斑直径为0.68 mm。保护气体采用氩气，其流量为15 L/min。离焦量设为o。试验发现，在离焦量、焊接速度、送丝速度等其他参数不变的情况下，只改变激光功率，得到熔透且成形良好的对接焊缝的激光功率窗口宽度很窄，只有50～100 w。光纤激光焊接机为了获得明显的不同焊接热输入（即焊接线能量），试验选取1.5、1.2、0.9 m/min三个焊接速度，分别在激光功率为9100、8400、7500 w时得到刚好焊透且成形最优的焊缝，进而开展不同焊接热输入下的接头组织性能分析，具体焊接参数如表。
选用平板对接形式，焊前利用铣床对母材进行车铣，去除试样边缘的毛刺及表面氧化膜，保证焊接零间隙，再用丙酮清洗钢板焊接端面，焊接试验现场。
    焊后试样用侵蚀液为体积分数4%的硝酸酒精腐蚀，采用Zeiss金相显微镜观察焊接接头微观组织形貌；采用ZwickZH舢HD型全自动硬度计，200 g载荷保压15 s下测定焊接接头的显微硬度；用刨床加丁力学性能测试试样至厚度6 mm，以去除焊后变形和焊缝余高，并采用Zwick/Roell多功能材料试验机在室温条件下进行拉伸试验和三点弯曲试验；采用摆锤式冲击试验机，在-40℃条件下进行冲击试验，非标试样尺寸为55 mmX10 mmx6 mm，分别在焊缝中心和熔合线(FL)上板厚一半处开v型缺口，并测量冲击断口侧膨胀值；采用NOVA NanoSEM230场发射低真空超高分辨扫描电镜对冲击试样断后缺口表面形貌进行观察。
试验结果及分析
激光焊接机接头微观组织形貌
    试验得到的焊接试样均焊缝成形良好、变形小、有少量飞溅，图3是热输人为4.20 kj/cm(焊接速度1.2 m/min)时的焊缝正反面照片。经过x射线检测，焊接接头未发现裂纹，焊缝中均匀分布有少量的小气孔。
    不同焊接速度下获得的熔透焊缝横截面宏观形貌。可以看出，随着焊接热输入增加，接头热影响区和焊缝的宽度均不断增加。当焊接热输入由3.64 kj/cm依次增加到4.20 kj/cm和5.00 kj/cm时，接头中部热影响区宽度由0.62 mm依次增大到0.69 mm和0.96 mm，焊缝宽度则由1.30 mm依次增大至1.32 mm和1.63 mm。在热输人为5.00 kj/cm时因焊缝熔池温度较高和高温停留时间过长，熔化金属在重力作用下下淌严重，焊缝上表面jLH现了凹陷。综合而言，热输人为4.20 kj/cm时的焊缝成形最优，焊缝无凹陷，背面成形饱满，上下熔宽接近。
焊接接头力学性能最薄弱的区域往往是热影响区的粗晶区。不同焊接热输入下接头热影响区的粗晶区和细晶区的微观组织形貌。不同热输入下粗晶区微观金相，其组织比较复杂．主要为板条马氏体+块状铁素体+粒状贝氏体。该区域金属处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重长大，冷却后得到粗大的组织，晶粒形状逐渐正多边形化。不同热输入下的粗晶区组织相似，只是晶粒尺寸和组织含量上稍有区别，随着焊接热输入增加，马氏体和贝氏体含量增加，铁素体含量减少。不同热输入下细晶区位置金相图，其组织主要为细小的铁素体+珠光体+粒状贝氏体组织，兼有少量马氏体，珠光体类组织呈无序分布。一般细晶区相当于热处理时的正火组织，其塑性和韧性都比较好；但由于激光焊接速度较快，造成冷却速度较大，试验中焊接接头细晶区产生了粒状贝氏体，并在低热输入下出现了极少量马氏体。随着热输入增大，细晶区中的珠光体含量减少，铁素体和粒状贝氏体含量增加。
结论
    1)采用ER50-6焊丝的lOCrSiNiCu钢激光填丝焊焊缝区组织为M+F+B，粗晶区主要为块状F+粒状B+M，细晶区组织主要为细小的F+P+粒状B，兼有少量M。随着焊接热输入的增加，焊缝区和粗晶区的组织尺寸变大，微观组织中M含量减少，F含量增加；
    2)焊接接头焊缝和热影响区的硬度均高于母材，最高硬度jLH现在焊缝中心。焊缝区平均硬度值随着热输入的升高而可降低至HV350以下。焊缝和热影响区的宽度随着热输入的增大明显增大；
    3)焊接热输入对接头抗拉强度影响不大，热输入过小时接头塑性变形能力大大降低，弯曲性能也随着热输入增大而改善，低温冲击功随着热输入的增加先增加后减小，在E=4.20 J/cm时熔合线和焊缝区的冲击功最高，且冲击试样断口呈韧性断裂特征。

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