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光纖激光焊接機高強度焊接接頭

發(fā)布時間：2016-08-29 | 來源：星鴻藝激光焊接運營部 | 分享：

    船舶甲板和艙壁的焊縫具有平直、長度長的特點，焊接接頭形式為平板對接和T型接頭，適合自動化焊接。隨著造船精度要求的不斷提高，而激光焊接的高效、快速、低熱輸入、小變形等特點則能適應船舶結構低變形焊接的要求。光纖激光因其比C02激光具有更好的光束質量、更大的連續(xù)輸出功率、更高的電光轉換效率以及可光纖導光等優(yōu)點引起了國內(nèi)外學者的重視，在激光焊接中也得了到越來越廣泛的使用。
    lOCrSiNiCu鋼是我國白行研制的船舶非耐壓殼體用鋼，它既具有較高的屈服強度(>400 MPa)，又具有良好的低溫(-40℃)沖擊韌性和焊接性能”l。由其構成的船舶甲板和艙壁的焊接制造目前采用的是埋弧焊、熔化極氣體保護焊等常規(guī)焊接方法，但是應用常規(guī)焊接方法產(chǎn)生的主要問題是熱輸人大、焊接變形大，給船舶制造精度的提高帶來了困難。現(xiàn)國內(nèi)船用高強鋼的光纖激光焊接機處于研究階段，尚未在下程中得到應用。楊欖生等”采用IPG YLS-5000光纖激光器白熔焊接了lOCrSiNiCu鋼三明治板T型接頭，所得的焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度均高于母材，焊縫組織為板條馬氏體，熱影響區(qū)組織主要為馬氏體、殘余奧氏體及少量析；H碳化物。賈進等采用YAG激光器研究了3.2 mm厚的E36激光白熔焊接接頭組級和性能，發(fā)現(xiàn)接頭組織以及硬度特性也隨著焊速變化而變化，當焊接速度達到70 mm/s時，焊縫區(qū)域的最高硬度達到448.9 HV，焊接速度為20—60 mm/s的拉伸試樣均斷裂在母材。低合金高強度鋼的激光白熔焊和復合焊的接頭力學性能、接頭區(qū)軟化、接頭疲勞性能等方面也得到了一定的研究”。
    由上可知，lOCrSiNiCu船用高強鋼的激光焊接機研究較少，針對其光纖激光填絲焊接接頭的組織和性能的研究尚未見報道。激光填絲焊接既具有較好的間隙容忍度，又具有比激光復合焊更低的焊接熱輸入和變形，在船用鋼結構低變形焊接制造中有應用潛力。因此，本文采用IPG-10000型光纖激光器，針對lOCrSiNi-Cu船用高強鋼對接接頭，研究激光熱輸入對接頭組織、顯微硬度、拉伸、三點彎曲、低溫沖擊性能的影響，進而確定合適的丁藝參數(shù)范圍，為后續(xù)激光填絲焊接IOCrSiNiCu船用高強鋼的丁業(yè)應用提供參考。
試驗材料及試驗方法
    試驗采用船用高強鋼lOCrSiNiCu鋼板，厚度為8 mm，激光填絲焊中所使用的焊絲是ER50-6焊絲，母材和焊絲熔敷金屬的化學成分及力學性能分別見表1和表2。如圖1所示，母材金相組織主要由塊狀鐵素體種帶狀珠光體組成，其中帶狀組織為軋制組織。
   試驗采用YLS 10000光纖激光器，其光束質量為12 mm - mrad。激光丁作頭為Precitec公司的YW52，焦距為300 mm，聚焦后焦斑直徑為0.68 mm。保護氣體采用氬氣，其流量為15 L/min。離焦量設為o。試驗發(fā)現(xiàn)，在離焦量、焊接速度、送絲速度等其他參數(shù)不變的情況下，只改變激光功率，得到熔透且成形良好的對接焊縫的激光功率窗口寬度很窄，只有50～100 w。光纖激光焊接機為了獲得明顯的不同焊接熱輸入（即焊接線能量），試驗選取1.5、1.2、0.9 m/min三個焊接速度，分別在激光功率為9100、8400、7500 w時得到剛好焊透且成形最優(yōu)的焊縫，進而開展不同焊接熱輸入下的接頭組織性能分析，具體焊接參數(shù)如表。
選用平板對接形式，焊前利用銑床對母材進行車銑，去除試樣邊緣的毛刺及表面氧化膜，保證焊接零間隙，再用丙酮清洗鋼板焊接端面，焊接試驗現(xiàn)場。
    焊后試樣用侵蝕液為體積分數(shù)4%的硝酸酒精腐蝕，采用Zeiss金相顯微鏡觀察焊接接頭微觀組織形貌；采用ZwickZH舢HD型全自動硬度計，200 g載荷保壓15 s下測定焊接接頭的顯微硬度；用刨床加丁力學性能測試試樣至厚度6 mm，以去除焊后變形和焊縫余高，并采用Zwick/Roell多功能材料試驗機在室溫條件下進行拉伸試驗和三點彎曲試驗；采用擺錘式?jīng)_擊試驗機，在-40℃條件下進行沖擊試驗，非標試樣尺寸為55 mmX10 mmx6 mm，分別在焊縫中心和熔合線(FL)上板厚一半處開v型缺口，并測量沖擊斷口側膨脹值；采用NOVA NanoSEM230場發(fā)射低真空超高分辨掃描電鏡對沖擊試樣斷后缺口表面形貌進行觀察。
試驗結果及分析
激光焊接機接頭微觀組織形貌
    試驗得到的焊接試樣均焊縫成形良好、變形小、有少量飛濺，圖3是熱輸人為4.20 kj/cm(焊接速度1.2 m/min)時的焊縫正反面照片。經(jīng)過x射線檢測，焊接接頭未發(fā)現(xiàn)裂紋，焊縫中均勻分布有少量的小氣孔。
    不同焊接速度下獲得的熔透焊縫橫截面宏觀形貌。可以看出，隨著焊接熱輸入增加，接頭熱影響區(qū)和焊縫的寬度均不斷增加。當焊接熱輸入由3.64 kj/cm依次增加到4.20 kj/cm和5.00 kj/cm時，接頭中部熱影響區(qū)寬度由0.62 mm依次增大到0.69 mm和0.96 mm，焊縫寬度則由1.30 mm依次增大至1.32 mm和1.63 mm。在熱輸人為5.00 kj/cm時因焊縫熔池溫度較高和高溫停留時間過長，熔化金屬在重力作用下下淌嚴重，焊縫上表面jLH現(xiàn)了凹陷。綜合而言，熱輸人為4.20 kj/cm時的焊縫成形最優(yōu)，焊縫無凹陷，背面成形飽滿，上下熔寬接近。
焊接接頭力學性能最薄弱的區(qū)域往往是熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。不同焊接熱輸入下接頭熱影響區(qū)的粗晶區(qū)和細晶區(qū)的微觀組織形貌。不同熱輸入下粗晶區(qū)微觀金相，其組織比較復雜．主要為板條馬氏體+塊狀鐵素體+粒狀貝氏體。該區(qū)域金屬處于過熱狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴重長大，冷卻后得到粗大的組織，晶粒形狀逐漸正多邊形化。不同熱輸入下的粗晶區(qū)組織相似，只是晶粒尺寸和組織含量上稍有區(qū)別，隨著焊接熱輸入增加，馬氏體和貝氏體含量增加，鐵素體含量減少。不同熱輸入下細晶區(qū)位置金相圖，其組織主要為細小的鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體組織，兼有少量馬氏體，珠光體類組織呈無序分布。一般細晶區(qū)相當于熱處理時的正火組織，其塑性和韌性都比較好；但由于激光焊接速度較快，造成冷卻速度較大，試驗中焊接接頭細晶區(qū)產(chǎn)生了粒狀貝氏體，并在低熱輸入下出現(xiàn)了極少量馬氏體。隨著熱輸入增大，細晶區(qū)中的珠光體含量減少，鐵素體和粒狀貝氏體含量增加。
結論
    1)采用ER50-6焊絲的lOCrSiNiCu鋼激光填絲焊焊縫區(qū)組織為M+F+B，粗晶區(qū)主要為塊狀F+粒狀B+M，細晶區(qū)組織主要為細小的F+P+粒狀B，兼有少量M。隨著焊接熱輸入的增加，焊縫區(qū)和粗晶區(qū)的組織尺寸變大，微觀組織中M含量減少，F(xiàn)含量增加；
    2)焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)的硬度均高于母材，最高硬度jLH現(xiàn)在焊縫中心。焊縫區(qū)平均硬度值隨著熱輸入的升高而可降低至HV350以下。焊縫和熱影響區(qū)的寬度隨著熱輸入的增大明顯增大；
    3)焊接熱輸入對接頭抗拉強度影響不大，熱輸入過小時接頭塑性變形能力大大降低，彎曲性能也隨著熱輸入增大而改善，低溫沖擊功隨著熱輸入的增加先增加后減小，在E=4.20 J/cm時熔合線和焊縫區(qū)的沖擊功最高，且沖擊試樣斷口呈韌性斷裂特征。

光纖激光焊接機高強度焊接接頭

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