淺析厚壁金屬材料窄間隙激光填絲焊存在的問題

徐亦楠，馬青軍，武鵬博，黃瑞生，楊悅，方乃文

1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150040

2.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

3.天津市特種設備監督檢驗技術研究院 天津 300192

1 序言

隨著科學技術的發展，現代工程機械及國防裝備逐漸向大型化、高參數化發展，厚壁金屬材料的應用越來越廣泛，尤其是核電設備、坦克裝甲、海洋工程及船舶艦艇等重點制造領域。焊接厚壁金屬材料常用窄間隙焊接技術，該技術是由Battelle研究所發明，其以現有焊接方法為基礎，結合特殊焊接工藝可實現厚壁金屬材料的高效焊接。窄間隙焊接主要是以弧焊為基礎，尤其是埋弧焊（SAW）、熔化極活性氣體保護電弧焊（MAG）及熔化極惰性氣體保護電弧焊（MIG）等。因此，日本壓力容器研究委員會將其定義為：窄間隙焊接是將30mm以上厚鋼板，按小于板厚的間隙相對放置開坡口，再進行自動化或非自動化弧焊的方法（當板厚＜200mm時，間隙＜20m m；當板厚＞200m m時，間隙＜30mm）[1，2]。隨著厚壁金屬材料呈現多樣化趨勢，以弧焊為基礎的窄間隙焊接技術在新材料上的應用受到了一定的限制。

激光具有能量密度高、指向性強的優勢，近年來逐漸作為窄間隙焊接工藝的優質熱源而受到廣泛關注。特別是窄間隙激光填絲焊技術（NG-LW），可滿足對加工和裝配精度要求苛刻構件的焊接應用，同時通過焊絲的填充，可對焊縫進行冶金調控，細化組織晶粒，并且可利用低功率激光實現中厚板的焊接，從而降低對高功率激光器的依賴[3]。近年來，窄間隙激光填絲焊技術發展迅猛，然而其在厚板材料的實際應用中仍然存在熔合不良、焊接氣孔、焊接變形及應力大和焊接接頭塑韌性差等不足。

2 熔合不良

厚板窄間隙激光填絲焊過程中的未熔合缺陷主要是側壁未熔合。MATSUMOTO T等[4]使用窄間隙激光填絲焊技術焊接板厚為60mm的SA-516鋼板發現的側壁未熔合缺陷如圖1所示。對于厚板材料的窄間隙坡口形式而言，側壁未熔合缺陷不僅會大幅降低焊接接頭的承載能力，還會產生應力集中現象。另外，當構件承受動載荷時，其會成為疲勞裂紋的起裂源。因此，在焊接過程中，應該完全杜絕側壁未熔合缺陷的產生。

張國偉[5]使用超窄間隙激光在開有槽形坡口的20mm厚不銹鋼板上進行焊接，在焊接第5道時出現了圖2a所示的側壁未熔合缺陷，其微觀形貌如圖2b所示。由圖2可知，該缺陷出現在熔合線上，呈現出未熔合和焊接氣孔兩種特征，對缺陷進行能譜分析發現氧含量（質量分數）高達4.95%，因此該側壁未熔合可能是由于前一道焊縫表面被氧化導致潤濕性降低或焊接保護不好所造成的。

圖1 側壁未熔合缺陷

圖2 氧化導致的側壁未熔合缺陷

另外，坡口角度過大會導致側壁發生未熔合現象。李若楊等[6]通過對比不同坡口角度的低碳鋼窄間隙激光填絲焊試驗，發現坡口角度過大時，會導致側壁之間間隙過大，作用于側壁母材的激光能量會減少，導致熔化的焊絲與側壁母材金屬未能形成良好的冶金結合（見圖3）。從圖3可發現，當坡口角度減小至6°時，側壁未熔合缺陷消失，但仍有少量夾雜和氣孔缺陷存在。

圖3 李若楊等研究的坡口角度對焊接缺陷的影響

SHI等[7]通過試驗研究（見圖4）也發現，坡口角度過大是導致側壁未熔合產生的直接原因。由圖4可看出，當坡口角度減小到5°后，側壁未熔合缺陷消失，但出現了氣孔缺陷。HUANG等[8]研究了激光能量在窄間隙坡口中焊接熔池、匙孔、焊絲及坡口側壁母材的分配對焊接缺陷的影響規律，發現激光功率和光斑直徑與側壁未熔合缺陷密切相關，通過增大激光光斑直徑，將激光能量直接作用于坡口側壁母材，有利于解決坡口側壁熔合不良缺陷。

圖4 SHI等研究的坡口角度對焊接缺陷的影響

ELMESALAMY[9]與LIU等[10]研究發現，采用激光填熱絲焊技術可減少激光能量的損耗，降低等離子體的強度，從而增加熔深，并可顯著改善焊接過程的穩定性，避免產生側壁未熔合缺陷。但是，當焊絲加熱溫度過高時，會造成飛濺的產生，并引起等離子體的波動，從而導致焊接過程不穩定。HUANG等[11]研究發現，離焦量是影響9Ni鋼激光填絲焊接過程中激光匙孔穩定性的直接因素，從而可間接決定側壁熔合情況和焊縫成形。

側壁未熔合缺陷主要是由于坡口角度及間隙過大、激光能量不夠、聚焦光斑作用范圍小、惰性氣體保護不良，以及液態熔池金屬流動鋪展性較差等因素導致的。雖然通過采取小坡口角度及間隙、組合光斑和光束振蕩等方法可提高光斑作用范圍，解決側壁未熔合缺陷，但同時也會增加焊接變形，提高焊接成本。同時，激光功率過低、焊接速度過快、激光光束指向偏斜、坡口側壁有銹蝕及焊道層間清渣不徹底等因素，都會導致側壁未熔合缺陷產生。

除側壁未熔合外，窄間隙激光填絲焊時，還會因根部熔池容易滴落而導致焊縫根部形成未熔合缺陷。齊毅[12]研究了電磁輔助對窄間隙激光焊接厚板根部缺陷抑制行為的影響，其裝置和原理如圖5所示。該研究首次提出了外加電流和磁場產生的向上電磁力解決熔池根部的駝峰缺陷和滴落造成的焊縫未熔合缺陷。研究表明，電磁力的存在可以維持熔池根部不被擊穿，同時電磁力和熔池根部的表面張力使凸起位置的熔池重新流回到焊縫區域來避免出現根部未熔合，其過程如圖6所示。

圖5 電磁輔助激光焊接方法裝置和原理

3 焊接氣孔

厚板窄間隙激光填絲焊接過程中產生的氣孔主要是由于深熔匙孔的不穩定、氣體無法規律性逸出所導致的[13]，這種氣孔稱為工藝型氣孔。但也可能存在少量氫氣孔、凝固縮松氣孔以及在低溫下因金屬蒸氣無法逸出而殘留的氣孔等[14]。

圖6 電磁力抑制熔池滴落造成焊縫未熔合缺陷的3個階段

陳高等[15]使用CO2激光深熔焊焊接低碳鋼，證明了匙孔的不穩定性是導致非熔透性焊接過程中焊縫出現氣孔的主要原因。焊縫底部縱向橫截面形貌如圖7所示，匙孔的不穩定性導致焊接區與母材的交界處凹凸不均，還造成保護氣隨光束卷入，在凹陷部位形成氣泡，從而形成工藝型氣孔，焊縫橫截面上出現的氣孔如圖8所示。對工藝參數的研究表明，當將保護氣體流量設定為35L/min、激光束角度為37.5°時，會增加匙孔孔徑，同時使光斑變大，提高了匙孔穩定性，從而能夠很好地抑制氣孔的形成。

圖7 焊縫底部縱向橫截面形貌

DITTRICH D等[16]分別采用4kW的多模光纖激光器和5kW的單模光纖激光器，對有熱裂傾向的6系鋁合金厚板進行了窄間隙激光填絲焊，填充材料采用φ1.6mm的AlSi12焊絲。焊后發現焊縫中存在較多氣孔，并且多模比單模激光焊接產生的氣孔多。

圖8 焊縫橫截面氣孔

KAWAHITO等[17]采用X射線和高速攝像手段觀察因深熔匙孔的不穩定而產生氣孔的過程，發現深熔匙孔在快速攪拌的熔池中，由于受到熱和力的相互作用，故呈現不穩定狀態，導致匙孔根部容易瞬間失穩，引發金屬蒸氣和匙孔內的保護氣及少量空氣卷入熔池而形成氣泡，最終因熔池的快速冷卻而形成氣孔缺陷。謝余發生等[18]對20mm厚的鋁合金進行了窄間隙激光填絲焊，研究了焊接工藝對氣孔缺陷的影響機制。研究發現，如果提高激光功率和焊接速度，焊縫中氣孔缺陷發生概率也隨之增加。為了解決厚壁鋁合金激光填絲焊接頭中存在的氣孔問題，鄒吉鵬等[19]進行了130mm厚5A06鋁合金板窄間隙激光填絲焊，通過高速攝像研究了擺動激光下金屬蒸氣及等離子體波動特征、熔池流動特征（見圖9），提出了激光束以圓形軌跡、較大頻率進行擺動時，維持匙孔的阻力減小，熔池有序流動，更容易保持穩態，匙孔閉合率下降，可一定程度地降低焊縫氣孔率。

圖9 激光焊接匙孔內部受力模型

彭進等[20]通過SiC顆粒示蹤法得到了焊絲填充模式和送絲角度對激光填絲焊熔池表面波動及焊縫成形的影響規律，即隨著送絲角度的減小，焊縫截面的氣孔缺陷明顯得到抑制，如圖10所示。在激光填絲焊接過程中，焊絲熔化及進入熔池的過程會對液態熔池造成沖擊作用，焊絲對熔池的沖擊力示意如圖11所示。焊絲對熔池的沖擊作用力FR可分解為沿熔池流動方向的橫向沖擊力FH和沿熔深方向的豎向沖擊力FV。隨著送絲角度的增加，焊絲對液態熔池豎向的沖擊作用增加，造成熔池的表面波動更大，從而產生氣孔缺陷的概率增加。

圖10 不同送絲角度的焊縫截面形貌

圖11 焊絲對熔池的沖擊力示意

大量試驗表明，氣孔是厚板窄間隙激光填絲焊接過程中容易出現的缺陷之一，液態熔池金屬過快的冷卻速度及凝固速度是產生焊接氣孔的主要原因。雖然增加光斑直徑和激光擺動的方法可以降低氣孔率，但由于深熔小孔的存在，所以增大光斑直徑和增加擺動模式無法完全抑制氣孔的出現；另外，由于窄間隙激光填絲焊接的坡口間隙尺寸較小，光斑直徑增加受限也將進一步限制氣孔的完全消除。超聲波輔助窄間隙激光填絲焊接方法提供了一種新的降低氣孔數量理念，焊接時超聲波的空化作用使熔池中存在的微小氣泡產生振動，會有助于氣泡逸出熔池。12mm厚Q345E鋼超聲波輔助窄間隙激光填絲焊焊縫與未加超聲波焊縫射線檢測結果如圖12所示[21]。

圖12 未加超聲波和加載超聲波輔助焊縫射線檢測結果

通過研究氣孔缺陷形成機理，調控某些工藝可以降低氣孔缺陷的發生概率，比如匹配合適的送絲速度和焊接速度、調節焊接熱輸入、控制焊絲填充量、避免光斑過小而能量密度過大引起飛濺等手段，可一定程度地降低氣孔率，但都無法從根本上完全抑制氣孔缺陷的產生，還有可能帶來焊接變形過大、焊接接頭組織晶粒過大等其他缺陷。因此，如果為了完全抑制這類氣孔，焊接過程中必須保證匙孔穩定[22]。

4 焊接變形及應力大

在厚板材料窄間隙激光填絲焊過程中，坡口兩側母材如果熔化不均勻，則容易造成焊接接頭產生焊接變形和應力集中；另外，厚板材料窄間隙多道次激光填絲焊的焊接接頭經歷多次焊接熱循環作用，焊接接頭組織在橫向和厚壁方向將產生不均勻分布趨勢。

ELMESALAMY等[23]采用窄間隙激光填絲焊方法進行了20mm厚不銹鋼板的單面坡口形式焊接，發現窄間隙激光填絲焊接頭中的拉應力峰值達到了310MPa，且存在一定程度的變形。ZHANG等[24]采用6kW光纖激光器，通過8道次填充，實現了50mm厚板X形坡口的不銹鋼板激光填絲焊，獲得了變形較小的焊接接頭。趙勇等[25]選擇純He作為保護氣體，進行30Cr2Ni4MoV鋼的窄間隙激光填絲焊，將獲得的焊接接頭進行硬度性能測試，發現焊接接頭的硬度分布不均勻，最大硬度值位于接頭表層熱影響區中的粗晶區，而焊縫區的硬度數值較熱影響區低很多。

ZHANG等[26]進行了40mm厚超窄間隙316L不銹鋼的激光填絲焊，并對獲得的焊接接頭沿著壁厚方向加工試樣進行試驗，發現焊縫中心的硬度和焊接接頭拉伸性能從上向下都是逐漸增加的，層間的性能差異較大，并且拉伸試樣均斷裂于焊縫區域。分析差異主要是由層間的晶粒尺寸規格差別較大所引起的，母材和不同層焊接接頭拉伸性能測試曲線如圖13所示。

圖13 母材和不同層焊接接頭的拉伸性能曲線

ZHAO等[27]發現在厚板窄間隙坡口內，激光光束與送進焊絲的交點與待焊母材的距離大小是導致坡口兩側母材熔化行為出現較大差異的重要原因，從而造成焊接接頭出現非均勻分布的應力變形。李俐群等[28]基于有限元計算軟件，對16mm厚高強鋼激光填絲焊的應力場和溫度場進行了數值模擬。結果表明，層間控溫可以降低焊接接頭冷卻速度，減小焊接接頭殘余應力，改善厚板多層焊接頭性能分布不均缺陷；應力主要集中于中下部焊道及其熱影響區，同時坡口在焊接過程中產生了較大的收縮，焊后焊接工件有一定程度的角變形。YOSUKE等[29]發現在激光填絲焊接過程中，當送絲速度過大時，激光光束能量不足以充分熔化焊絲，未熔化的焊絲金屬容易殘留于熔池中，造成元素偏析，從而造成焊接接頭的應力集中與性能惡化。

由于激光光束的發散特性及采用激光光束擺動模式，會造成焊接坡口間隙容忍度較小，特別是在進行厚度較大的構件激光填絲焊時，為抑制焊接變形缺陷，往往加工的坡口間隙尺寸較大或者采用X形坡口，較大的坡口間隙與雙面焊接不僅大幅影響焊接生產效率，也同時提高了成本。此外，過大的焊接坡口間隙會導致無法實現單道多層焊接，為焊接過程中產生熔合不良、夾渣等缺陷及晶粒組織粗大留下隱患，從而無法充分體現出窄間隙激光填絲焊的優勢。減少焊接所需要的層道數是降低焊接變形的效途徑之一，齊毅[12]在外加電流為2000A和磁場產生的電磁力作用下單道焊透了30mm的316L不銹鋼板，如圖14所示。

圖14 磁力對30mm厚板焊接熔池深度和 焊縫成形質量的影響

5 結束語

窄間隙激光填絲焊采用逐層逐道的添加形式，可以擴展坡口間隙的適應性，降低對高激光功率的應用，適用于厚壁金屬材料的焊接。但是，因為激光熱源的單一、加熱范圍的限制，所以易產生側壁未熔合、根部未熔合、氣孔、焊接變形及應力大等缺陷而惡化焊接接頭性能。除了通過調控焊接參數來抑制缺陷的產生外，電磁及超聲波等輔助的激光焊接為抑制這些缺陷提供了新的方法與思路，這種多場耦合的窄間隙激光填絲焊技術已經逐步成為當前研究熱點之一。