鋁青銅水下濕法激光焊接焊縫成形與力學性能

蔡志海， 尤家玉， 秦 航， 柳 建， 劉 軍

(陸軍裝甲兵學院機械產品再制造國家工程研究中心， 北京 100072)

水下濕法激光焊接技術，是指在水下環境下不采取特殊手段排水，直接在水中應用激光進行作業的焊接技術。由于濕法焊接直接在水中操作，易受水文狀況、水深等諸多因素影響[1]，導致焊接接頭質量較差，但同時又具有成本低、操作方便、適合多種環境使用[2-4]等優點，因此提高其焊接質量是一項非常有意義的工作。目前，國內外研究者對水下濕法焊接技術的研究主要集中在合金鋼方面，而對艦船螺旋槳的主要制造材料——鋁青銅還未進行深入研究[5-6]。基于此，筆者研究了QAL9-4鋁青銅水下濕法焊接時焊接速度、水深以及在基體表面預置自蔓延材料對焊縫成形的影響，對焊縫微觀組織及力學性能進行了分析，以期對艦船快速修復具有一定的指導作用。

1 實驗方法

該實驗平臺主要由龍門式多功能焊接實驗系統、IPG YLS-6000光纖激光器及激光焊接頭、水下環境模擬裝置等組成。其中：光纖激光器是該實驗平臺的重要組成部分，其最大輸出功率為6 kW，激光波長為1.07 μm，激光經過芯徑為200 μm的光纖傳導至激光焊接頭，然后通過聚焦系統得到直徑為0.36 mm的光斑。

實驗采用材料為QAL9-4鋁青銅，其化學成分如表1所示，試樣尺寸為80 mm×80 mm×10 mm。焊接試驗分為自熔焊和對接焊，其焊接工藝參數如表2所示，其中1、2號均為自熔焊工藝參數，3號為對接焊工藝參數，且2、3號基體表面涂覆了成分為CuO和Al的高熱劑，還含有造氣、造渣成分。

表1 QAL9-4鋁青銅主要化學成分 wt%

表2 焊接工藝參數

焊接前,用粗砂紙對試樣進行打磨，以去掉氧化膜及減弱銅對激光的反射作用，然后用無水乙醇清洗去除表面油污等雜質。焊接后，采用線切割方法沿垂直于焊接方向切割試樣，經打磨、拋光后，用三氯化鐵5 g、鹽酸15 mL和水100 mL配制成腐蝕劑腐蝕試樣，備用。

采用三維形貌儀觀察試樣形貌；采用備有X射線能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對試樣的微觀組織和微區成分進行觀察與分析；采用維氏顯微硬度儀測定其顯微硬度；利用萬能試驗機對試樣進行拉伸試驗，分析斷口微觀特征，其中試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸

2 結果與分析

2.1 焊縫成形影響因素分析

2.1.1 焊接速度

在水下環境中，當激光功率為6 kW，水深h=4 mm，離焦量為-2 mm時，不同焊接速度時的焊縫宏觀形貌如圖2所示。可以看出：1)當焊接速度v=0.3、0.6 m/min時，焊縫熔寬大，表面起伏較大，有許多較大氣孔，且焊縫表面及其附近氧化嚴重，焊縫成形差；2)隨著焊接速度增大，焊縫成形變得均勻，余高減小，表面氣孔略有減少且較為細小，氧化現象也有所改善。這是因為銅的熱膨脹率很高,在與多數其他材料冶金結合時容易產生缺陷[7-10]，其中:當焊接速度低、基體吸收激光能量較多時，基體膨脹劇烈；當焊接速度增大時，基體吸收激光能量減少，導致受熱時間縮短，在水下環境中冷卻速度快的情況下，基體膨脹減弱，表現為焊縫成形趨于良好。

圖2 不同焊接速度時焊縫宏觀形貌

在水下環境中，不同焊接速度時所得到的沿垂直于焊接方向的焊縫橫截面形貌如圖3所示。可以看出：

1) 熔寬、熔深隨焊接速度的增大而總體上呈減小趨勢：當焊接速度v=0.3 m/min時，熔深最大，為3.24 mm，熔寬最大，為5.33 mm；當焊接速度v=2.4 m/min時，熔深最小，為1.24 mm，熔寬最小，為2.8 mm。

2) 從橫截面看，焊縫缺陷現象并沒有因為焊接速度的變化而有所改善。這說明：圖1中焊縫表面缺陷隨著焊接速度的增大逐漸變小，只是焊縫宏觀形貌的改善，而內部缺陷并沒有減少。

圖3 不同焊接速度時沿垂直于焊接方向的焊縫橫截面形貌

2.1.2 水深

當激光功率為6 kW，焊接速度為1.8 m/min，離焦量為-2 mm時，不同水深時的焊縫宏觀形貌如圖4所示。可以看出，焊縫表面熔寬隨水深的增大略有增大，但焊縫均勻性未受到影響：

1) 當h=1,2 mm時，焊縫表面成形良好，無明顯缺陷。這是因為：當水深較小時，高能量的激光使焊接區域及其附近在短時間內達到高溫，水分被蒸發或排開，形成局部干燥條件。

2) 當h=3 mm時，焊縫表面明顯有氣孔出現，焊縫余高明顯較大，且隨著水深增大，氣孔由細小逐漸變大。這是因為：水深的增大，一方面增大了焊接區域的水壓，另一方面焊接區域附近水量增多，激光在焊接過程的短時間內無法使水全部蒸發或排開，焊接過程中就會有水分侵入到熔池中，進而形成氣孔，而當內部氣孔較多時，就會表現為焊縫余高較大。

3) 當h≥6 mm時，激光無法在基體表面形成焊縫。一般情況下,當水深h≥30 mm時，約70%的激光能量可以順利透過水介質到達工件表面；當水深h<10 mm時，可使90%以上的激光能量到達工件表面。即在水深h<10 mm情況下，激光能量到達基體表面后損失很少，從理論上講完全可以繼續進行焊接，這與實驗結果不符。造成這種現象的原因為：(1)當激光光束與工件相互作用時，工件表面溫度急劇上升，使得周圍水分迅速蒸發，從而在水中產生大量的氣泡，氣泡沿著激光光束傳輸路徑逆向上浮，對激光光束產生嚴重的散射、折射和吸收作用，使得光束傳輸方向發生改變，增加了水體對激光光束的衰減作用[11]；(2)當水深h≥3 mm時，一種激光誘導產生的等離子體會對入射激光束產生強烈的屏蔽作用[12]。因此，如何減少激光在傳輸過程中的阻礙因素，是提高激光利用率的重要途徑。

圖4 不同水深時焊縫宏觀形貌

圖5為不同水深時所得到的沿垂直于焊接方向的焊縫橫截面形貌。可以看出：

1) 熔寬、熔深隨水深的增大變化較小：(1)當h=1 mm時最大熔寬為3.95 mm，而h=2 mm時最小熔寬為3.23 mm，即熔寬約為3.5 mm；(2)當h=2 mm時最大熔深為2.66 mm，而h=5 mm時最小熔深為1.56 mm，即熔深約為2 mm。

2) 從橫截面看，焊縫內部存在較多氣孔，且隨水深增大而增多，同時余高也逐漸增大。這說明：在水下焊接過程中有水分進入熔池，而在焊接時水介質與激光作用產生的氣體大部分未逸出，這樣水深增大會導致侵入熔池的水量增多，同時也增加了氣體逸出的難度，進而使缺陷隨水深的增大逐漸增多。

圖5 不同水深時沿垂直于焊接方向的焊縫橫截面形貌

2.1.3 基體表面預值自蔓延材料

當激光功率為4 kW、水深為4 mm、離焦量為-2 mm時，在基體表面預置自蔓延粉末(主要組成為高熱劑(CuO+Al)、造氣劑(GaCO3)和造渣劑(GaF2))后，不同焊接速度時得到的焊縫宏觀形貌如圖6所示。可以看出：在不同焊接速度下均能形成連續均勻、無明顯缺陷的焊縫,這說明在基體表面預置自蔓延粉末能夠有效改善焊縫成形。

圖6 不同焊接速度時得到的焊縫宏觀形貌

在基體表面預置自蔓延粉末后，不同焊接速度時得到的沿垂直于焊接方向的焊縫橫截面形貌如圖7所示。可以看出：與2.1.1,2.1.2中未預置粉末的一般濕法焊接相比，基體表面預置自蔓延粉末后焊縫內部的氣孔缺陷有所減少，且在焊接速度較大時焊縫內氣孔減少明顯。分析其原因為：1)在焊接過程中，氧化銅和鋁粉發生劇烈的鋁熱反應，持續燃燒的火焰在焊縫正上方形成了穩定通道，阻止了水對熔池的入侵；2)造氣劑碳酸鈣在反應過程中放出的惰性氣體二氧化碳，在熔池處營造出了局部干燥空間；3)粉末中的GaF2能夠有效除去水與激光作用產生的氫，從而使氣孔大量減少。

圖7 基體表面預置自蔓延材料后的不同焊接速度時的焊縫橫截面形貌

2.2 微觀組織與成分分析

圖8為鋁青銅水下預置自蔓延粉末焊縫的中上部和底部顯微組織照片。可以看出：焊縫中上部組織主要為胞狀晶，而焊縫底部組織存在較多樹枝晶，枝干生長很發達,且具有一定的方向性。

分析其原因為：根據激光快速凝固的相關理論[13]可知，熔池不同區域的凝固速度受凝固方向角的影響,其角度越小,凝固速度越快；由于焊縫中上部在凝固時凝固角度小,其生長速率大,因此生長成胞狀晶；焊縫底部的散熱方式主要是熱傳導,晶體生長速率隨著凝固方向角的增大而降低,當速率降到胞枝轉變臨界速率時,晶體就以樹枝狀生長，而鋁青銅基體垂直面上的溫度梯度最大,則樹枝晶生長總體上具有方向性。

圖8 鋁青銅水下預置自蔓延粉末焊縫顯微組織照片

圖9、10分別為焊縫面的掃描試樣及元素分布圖和掃描成分，可知：焊縫的元素組成主要有Cu、Al、Fe、O，與基體相比無明顯差別，其中焊縫含有少量O可能是在焊接過程中Al發生了氧化；O和Fe有明顯的偏析，且主要分布在晶胞上，晶間存在較少。

圖9 焊縫面掃描試樣及元素分布圖

圖10 焊縫面掃描成分

2.3 力學性能分析

圖11為焊接接頭從焊縫中心到基體一側的硬度變化曲線。可以看出：基體和熱影響區硬度約為160 HV，焊縫硬度約為240 HV,與基體相比平均硬度提高了50%。

圖11 焊縫硬度變化曲線

在功率為4 kW、焊接速度為0.9 m/min、水深4 mm、離焦量為-2 mm、基體表面預置自蔓延粉末后制得的拉伸試樣，其斷裂位置如圖12所示。可知：斷裂位置均處于焊縫處，其中基體抗拉強度為540 MPa，試樣平均抗拉強度為235 MPa，為基體的43%。

圖12 拉伸試樣斷裂位置

圖13為拉伸試樣微觀斷口形貌，可以看出：斷口中存在少量韌窩，屬于解理范疇，說明試樣為脆性斷裂。

圖13 拉伸試樣微觀斷口形貌

3 結論

通過觀察濕法激光焊接后QAL9-4鋁青銅焊縫表面和橫截面形貌，并對焊縫力學性能進行了測試，得出如下結論：鋁青銅進行水下濕法焊接會產生大量氣孔，提高焊接速度能夠改善焊縫成形質量，但無法減少焊縫內部氣孔；水深增加會導致氣孔增多，當水深增加到6 mm以上時，焊接已經無法正常進行；在基體表面預置自蔓延材料能使氣孔大量減少,與基體相比，焊縫的平均硬度提高了50%，平均拉伸強度為基體的43%。

下一步,將研究預置自蔓延材料成分和預置粉末厚度對焊縫質量的影響規律，探索減少焊縫氣孔缺陷、提高濕法焊接質量的工藝方法。