船用薄板激光-電弧復(fù)合焊表面氣孔缺陷試驗(yàn)分析

陳智，李超，王羽澤，趙佳文

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

大型船舶建造中，采用傳統(tǒng)的焊接方式對船用薄板進(jìn)行焊接存在著諸多問題。激光-電弧復(fù)合焊具有焊縫熔深大，焊接速度快，焊接效率高，焊接電弧穩(wěn)定，熱源能量集中，焊接熱輸入低，焊接變形小，易于實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是，我國大型船舶建造起步較晚，關(guān)于船用薄板的激光-電弧復(fù)合焊接的試驗(yàn)少，缺乏系統(tǒng)性激光-電弧復(fù)合焊工藝研究，已有的研究大多集中于內(nèi)部氣孔的產(chǎn)生原因分析[2-4]，較少涉及表面氣孔缺陷。為了提高薄板焊接質(zhì)量，考慮對船用薄板AH36級6 mm板進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接試驗(yàn)，探究其焊后表面氣孔缺陷形成的原因并提出改進(jìn)措施，為后續(xù)船用薄板焊接提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)基于激光-電弧復(fù)合焊基本原理，見圖1。

圖1 激光-電弧復(fù)合焊接基本原理[5]

激光與電弧相互作用，電弧中的自由電子會(huì)對激光能量進(jìn)行吸收，電弧溫度升高；電弧溫度升高改變保護(hù)氣體黏性，電弧被冷卻和壓縮；光致等離子體為電弧提供相應(yīng)導(dǎo)電通道，電弧體積變小；弧根因陽極斑點(diǎn)而收縮靠近小孔；大量金屬蒸氣、電子從匙孔內(nèi)噴出，陽極電位勢降低。

激光-電弧復(fù)合焊的主要工藝參數(shù)為焊接電流、電弧電壓、離焦量、激光功率、焊接速度，以及光絲間距等。通過分析主要工藝參數(shù)對激光-電弧復(fù)合焊成型過程的影響，探究表面氣孔缺陷形成原因，制定相應(yīng)解決辦法，從而達(dá)到降低表面氣孔的產(chǎn)生。

2 激光-電弧復(fù)合焊接試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)采用焊接激光-復(fù)合焊接系統(tǒng)，由焊機(jī)、機(jī)器人、激光器3大部分組成。使用Fronius焊機(jī)，該焊機(jī)為全數(shù)字化微處理器監(jiān)控的逆變電源，可適用于多種焊接方法。機(jī)器人采用的是ABB導(dǎo)軌機(jī)器人，激光器采用的是Trumpf激光器，具體見圖2、3。

圖2 ABB導(dǎo)軌機(jī)器人與Fronius焊機(jī)

圖3 Trumpf激光器

試驗(yàn)中采用的板為AH36級薄板，規(guī)格為500 mm×200 mm×6 mm，采用Y型坡口，深2 mm，單邊15°，見圖4。

圖4 AH36級薄板坡口形式

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際要求，激光功率、送絲速度、焊接速度三者變動(dòng)容易操作，便于實(shí)現(xiàn)，改變這3個(gè)工藝參數(shù)，考慮單一變量對表面氣孔缺陷出現(xiàn)的影響，得出優(yōu)化參數(shù)，制定解決辦法。

3 工藝參數(shù)對表面氣孔缺陷的影響

3.1 表面氣孔形成機(jī)理

在激光-電弧復(fù)合焊中，氣孔主要有冶金型氣孔和匙孔型氣孔[6-7]。冶金型氣孔的產(chǎn)生是由于熔池的冶金反應(yīng)使得氣體的溶解度發(fā)生了變化，不溶性的氣體從熔池中溢出；而匙孔型氣孔是由于激光焊所形成的匙孔塌陷，在內(nèi)部產(chǎn)生不易溢的氣孔[8]。這一類氣孔形狀不規(guī)則、尺寸較大，內(nèi)壁也較粗糙。

表面氣孔主要為冶金型氣孔，是由于焊接過程中的溫度變化和冶金反應(yīng)所產(chǎn)生。當(dāng)這些氣體到達(dá)焊縫表面時(shí)，焊縫凝固，來不及溢出，這便形成了表面氣孔，見圖5。

圖5 表面氣孔形成機(jī)理

3.2 激光功率的影響

保持其他工藝參數(shù)不變，設(shè)計(jì)4組激光功率參數(shù)，探究激光功率對表面氣孔缺陷的影響，見表1。

表1 不同激光功率的焊接參數(shù)

圖6 不同激光功率下表面氣孔缺陷出現(xiàn)情況

按照表1設(shè)計(jì)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

從圖6可以看出，在5、9、11 kW這三種功率下，焊縫表面都出現(xiàn)了不同程度的氣孔，7 kW效果良好。

激光功率為5、9 kW時(shí)，在焊縫起始端出現(xiàn)了表面氣孔，這是由于當(dāng)激光功率過小時(shí)，焊接一開始熔池所吸收的能量過小，所形成的攪拌作用低，內(nèi)部氣體上升速度慢，來到熔池表面剛溢出時(shí)熔池凝固，而隨后隨著激光功率的積累，能量逐漸變多，攪拌作用增強(qiáng)，內(nèi)部氣體上升速度加快，熔池凝固時(shí)表面無氣體溢出，無氣孔產(chǎn)生；當(dāng)激光功率過大時(shí)，焊接一開始的熔深大，部分氣體溢出所需路徑變長，因而溢出時(shí)間長，在熔池凝固前來來不及排出，在表面形成氣孔，但隨著焊接進(jìn)行，能量增多，攪拌作用力增強(qiáng)，氣體溢出更加容易，不易在表面形成氣孔。

激光功率為11 kW時(shí)，焊接開始熔深大，但足夠大的功率提供了足夠的能量，攪拌作用強(qiáng)，但隨著焊接進(jìn)行，過大的功率造成焊接過程不穩(wěn)定，小孔坍塌現(xiàn)象嚴(yán)重，因此熔深存在起伏波動(dòng)，當(dāng)熔深變大，熔池所得能量形成的攪拌作用不足以將冶金型氣孔迅速拋出，溢出到表面時(shí)焊縫凝固形成氣孔。

激光功率為7 kW時(shí)，在焊接一開始，熔深與所得能量形成的攪拌作用能得到一個(gè)很好的平衡；同時(shí)與11 kW相比，也不會(huì)有功率過大所導(dǎo)致的焊接過程不穩(wěn)定等問題。

因此激光功率為7 kW時(shí)，該工藝參數(shù)較好，所得焊后表面無氣孔，符合工藝要求。

3.3 送絲速度的影響

鑒于前述所得結(jié)果，保持激光功率為7 kW不變，設(shè)定焊接速度為40 mm/s，其他工藝參數(shù)不變，設(shè)計(jì)4組送絲速度，見表2。

表2 不同送絲速度的焊接參數(shù)

按照表2設(shè)計(jì)參數(shù)所得結(jié)果見圖7。

圖7 不同送絲速度下表面氣孔缺陷出現(xiàn)情況

由圖7可見，在送絲速度3.5 m/min時(shí)，焊縫表面無明顯氣孔，外觀形態(tài)良好，而當(dāng)送速度增大時(shí)，焊縫表面都出現(xiàn)了不同程度的氣孔缺陷。

在送絲速度為4.5、5.5 m/min時(shí)，氣孔集中于起始和末尾端，這是由于起始端溫度低，金屬凝固速度快，氣孔不易排除，易集結(jié)；在中間段整塊板溫度上升，金屬流動(dòng)性好，氣孔不易形成；在末尾端的金屬熔化后自然凝固，無外界熱源的持續(xù)加熱，金屬流動(dòng)性差，氣孔不易排出，易于產(chǎn)生。

在送絲速度為6.5 m/min時(shí)，可以看出起始段表面依舊存在著氣孔缺陷，而末尾段沒有，這是由于送絲速度足夠大時(shí)，堆覆在母材表面的熔化金屬多，內(nèi)部產(chǎn)生的氣體不易排出，在表面產(chǎn)生氣孔的可能性小。

綜上所述，當(dāng)送絲速度為3.5 m/min時(shí)，所得焊縫表面無氣孔缺陷，效果好。如若送絲速度再小，會(huì)影響到焊縫表面成型，因此為滿足工藝要求，同時(shí)避免焊縫表面氣孔缺陷，設(shè)定送絲速度為3.5 m/min。

3.4 焊接速度的影響

焊接速度是影響焊接效率的重要因素，過快的焊接速度將無法保證質(zhì)量，過慢的焊接速度往往會(huì)制約生產(chǎn)。同樣，表面缺陷的產(chǎn)生與焊接速度的調(diào)整密不可分，為探究焊接速度對表面氣孔缺陷產(chǎn)生的影響，鑒于前述所得送絲速度與激光功率參數(shù)的結(jié)論，制定激光功率為7 kW，送絲速度為3.5 m/min，設(shè)計(jì)四組焊接速度，具體見表3。

表3 不同焊接速度的焊接參數(shù)

按照表3設(shè)計(jì)參數(shù)所得結(jié)果見圖8。

由圖8可見，在焊接速度為30、50 mm/s時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)了氣孔缺陷，且都集中偏向于起始段，這是由于焊接起始段母材溫度低，相對凝固速度快，氣體溢至金屬表面液態(tài)金屬凝固，形成表面氣孔。

在焊速為60 mm/s時(shí)，雖然表面無明顯氣孔缺陷，但是表面熔覆金屬過少，已形成不了焊縫覆蓋，易于出現(xiàn)缺陷。而焊速為40 mm/s時(shí)，表面無明顯缺陷，焊縫覆蓋良好，符合要求。

因此，焊速為40 mm/s時(shí)效果最好。

同時(shí)，從圖6b)和圖8b)中分析發(fā)現(xiàn)，這2組試驗(yàn)結(jié)果焊縫表面均無氣孔缺陷，表面成型效果良好。這2組試驗(yàn)結(jié)果激光功率一樣，送絲速度與焊接速度的比值在1.5左右，一個(gè)為1.46，一個(gè)為1.51。這是由于激光功率不變，金屬所獲能量不變，所產(chǎn)生的攪拌作用力不變，當(dāng)送絲速度與焊接速度達(dá)到一個(gè)良好的比值時(shí)，單位時(shí)間單位距離內(nèi)熔化的金屬量不變，氣體從內(nèi)部溢出至金屬表面的阻力不變，因此如果尋找到一個(gè)恰當(dāng)?shù)谋戎?，在一定激光功率下以此比值設(shè)定送絲速度與焊接速度，會(huì)得到同樣良好結(jié)果。

4 結(jié)論

1)激光功率、送絲速度，以及焊接速度對表面氣孔缺陷形成有著重要影響。通過改變這三個(gè)工藝參數(shù)，可以達(dá)到減少甚至避免表面氣孔產(chǎn)生。

2)當(dāng)激光功率設(shè)定好定值時(shí)，尋找到送絲速度和焊接速度的良好比值，在此比值下無表面氣孔缺陷，以此比值來改變送絲速度和焊接速度，可提高生產(chǎn)效率，應(yīng)對不同生產(chǎn)情況。

3)試驗(yàn)僅對激光功率、送絲速度，以及焊接速度3個(gè)工藝參數(shù)對表面氣孔產(chǎn)生的影響進(jìn)行了試驗(yàn)分析，由于激光-電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)眾多，還需考慮其他參數(shù)的影響，從而達(dá)到進(jìn)一步降低表面氣孔的產(chǎn)生。