921A鋼水下激光填絲焊接工藝研究

杜士瑄 朱加雷 唐若暉 焦向東

摘要：采用激光填絲焊接方式，以16 mm厚度的921A船用鋼為母材，選擇不同的焊接參數及焊接環境進行對比工藝試驗，并對焊縫進行了金相分析，研究激光離焦量、濕式水深、環境壓力等主要焊接參數對焊接質量的影響規律。結果表明：焊縫的熔深、熔寬隨環境壓力的增加逐漸減小，焊縫堆高隨壓力增加而略有減小。濕式水深4 mm下的焊縫比較平滑，無明顯外觀缺陷;水深增加到5 mm后，焊縫均勻性變差;當水深增加到7 mm時，焊縫成形困難，基體表面僅有燒灼痕跡。熔寬具有隨離焦量增加先減小再逐漸趨于平穩的趨勢、熔深具有隨離焦量增加逐漸減小趨勢，在離焦量為20 mm左右時焊縫成形最好。

關鍵詞：921A鋼;激光填絲焊接;水下焊接;焊接質量

0 前言

921A鋼（10CrNi3MoV）屬于高強度船體鋼，憑借其在耐壓、耐腐蝕等方面的優良性能被廣泛應用于艦艇的生產制造上。隨著艦船遠海執行任務能力的提升，水下船體的現場應急維修技術急需解決。

大功率激光器的出現為焊接提供了一種新型熱源[1]。激光焊接具有功率密度高、焊接速度快、熔深大、變形小、便于實現自動化等優點[2]，受到廣泛關注并被大量應用于生產實踐中。經過不斷的發展及改進，激光焊接技術已開發出很多不同的工藝方法，包括激光自熔焊接、激光填絲焊接、激光-電弧復合焊接等[3]。對于水下焊接來說，激光光束可以通過光纖長距離傳輸至待焊部位，比較易于控制實現自動化且可以應用于精確位置的焊接，具有潛在的應用優勢，同時可以采用試驗與模擬相結合的方法研究不同焊接參數下的熔池流動和焊縫成形等特點[4]。文中主要針對921A鋼的水下激光填絲焊接工藝進行研究。

1 試驗材料與方法

試驗采用美國IPG公司的YLS-4000光纖激光器和國產送絲機，以16 mm厚度的921A鋼為母材分別進行平板堆焊。921A鋼的化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。采用型號為WM960S的焊絲，其主要化學成分和力學性能如表3、表4所示。通過對比不同的焊接參數及焊接環境下的試驗結果，并結合焊縫金相分析，初步研究各主要焊接工藝參數對水下激光填絲焊接質量的影響規律。

2 試驗與分析

2.1 離焦量對焊縫成形的影響

保持其他參數不變，僅改變離焦量，研究其對焊接質量的影響。工藝參數如表5所示。

0～30 mm離焦量條件下的焊縫形貌如圖1所示。由圖1可知，當離焦量為0時，激光光斑直徑較小，覆蓋區域較窄，送絲容易偏離焦斑中心。隨著離焦量的增加，送絲過程逐漸穩定，焊縫表面形態趨于平整。離焦量對熔深、熔寬的影響變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著離焦量的增加，焊縫熔寬逐漸降低并在離焦量20 mm以后趨于穩定，熔深則持續逐漸降低，焊縫堆高在小幅范圍內變化。產生上述現象的原因是：隨著離焦量的增大，激光光斑面積增加，能量密度降低，激光能量對水的穿透作用降低，到達水下金屬表面的總能量也略有降低，因此焊縫的熔深逐漸減小。焊縫熔寬與金屬表面作用光斑的大小以及激光能量均有關系，離焦量變大，激光光斑變大，但離焦量增加的同時，激光能量密度降低，導致水對激光的相對屏蔽作用以及對焊縫的冷卻作用相對增強，反而導致熔寬略有降低。焊縫堆高主要與熔化焊絲總量、焊接速度和焊縫寬度有關，在送絲速度、焊接速度不變的情況下，焊縫堆高與焊縫熔寬基本呈反比關系，整體變化幅度較?。ㄒ妶D2）。此組試驗參數條件下，離焦量20 mm是焊接數值變化的關鍵點，離焦量大小與激光輸入功率和試驗水深直接相關，即與到達水下金屬表面的激光功率密度有關。隨著激光功率的增加和試驗水深的變淺，離焦量呈增加趨勢。

2.2 水深對焊縫成形的影響

由于水對焊接金屬冶金行為存在不利影響，而且在濕法水下激光焊接中，水中氣泡的散射和折射作用以及水面擾動加劇了激光光束質量的衰減[5]，因此有必要針對濕式水深對激光填絲焊接過程穩定性及相互作用過程進行研究。試驗中保持激光功率3.5 kW、離焦量20 mm、焊接速度300 mm/min、送絲速度120 cm/min不變，通過改變濕式水深探究水下激光填絲焊可行性及可焊接水深。

不同濕式水深條件下921A鋼激光填絲焊縫表面形貌如圖3所示?？梢钥闯?，隨著水深的增加，激光填絲焊接過程發生明顯變化，同時對焊縫表面產生很大影響。水深1 mm時，焊縫表面形貌與空氣中焊接較為相似;當水深大于1 mm時，焊縫表面出現起伏不平、斷續的現象，成形質量難以保證，但激光填絲焊接尚可進行;當水深超過3 mm時，激光熔化焊絲后的熔融金屬不能有效沉積在基材表面，焊絲不熔化、焊縫不完整等缺陷越來越嚴重，不能形成穩定的熔池。

2.3 環境壓力對焊縫成形的影響

在水下環境進行激光填絲焊接時，隨著水深的增加，焊接位置的壓力逐漸增加，影響焊接成形質量。通過對焊接實驗艙施加不同的氣體壓力模擬不同的水深，研究環境壓力對激光填絲焊接質量和焊接過程穩定性的影響。試驗中保持激光功率3.5 kW、離焦量+30 mm、焊接速度300 mm/min、送絲速度120 cm/min不變，通過改變環境壓力探究壓力對激光填絲焊縫成形影響規律。

在相同工藝參數條件下，不同壓力（0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa）對應的焊縫宏觀形貌如圖4所示，4組條件下焊縫表面形貌均較為平滑均勻，無明顯裂紋、氣孔等缺陷。不同壓力條件下熔寬及堆焊高度的變化曲線如圖5所示，焊縫熔寬隨壓力增加逐漸減小，堆焊高度隨壓力增加而略有升高。產生該現象的原因是：壓力升高加大了熔融金屬的流動阻力，熔池金屬的鋪展性降低，導致焊縫熔寬減小，堆焊高度略有增加。

2.4 焊接速度對焊縫成形的影響

由公式E=P/v可知，焊接速度v越快，激光線能量密度E越小。而提高激光線能量密度可以增加熔深，提高激光填絲焊接金屬的沉積效率。因此，試驗固定激光功率3.5 kW、送絲速度120 cm/min，通過改變焊接速度（180 mm/min、300 mm/min、420 mm/min）在試樣表面進行堆焊，研究其對水下激光填絲焊縫成形的影響。試驗工藝參數如表6所示。

焊縫表面成形如圖6所示，不同焊接速度下水下高壓激光填絲焊縫截面幾何尺寸如表7所示。綜合分析圖6、表7中數據可知，隨著焊接速度的增大，焊縫均勻性變差，熔寬由2.28 mm減至1.82 mm，熔深從2.77 mm減小到2.61 mm，堆焊層高度從0.76 mm降低到0.71 mm。焊接速度越慢，熔化金屬在試件表面鋪展越好;降低焊接速度能夠增加熔深，在焊接速度小于300 mm/min時，增加熔深的效果不太明顯。隨著焊接速度的增加，焊縫表面成形變得不均勻。

3 結論

（1）水下激光填絲焊接中，離焦量的變化影響著作用于水下金屬表面的激光光斑尺寸和能量密度，進而影響焊接熱輸入和焊絲熔化程度，并最終影響水下的焊縫成形質量。離焦量（絕對值）越大，熔深越小，熔寬先逐漸減小后趨于平穩。

（2）水深1 mm時，焊縫表面形貌與空氣中焊接比較相似;當水深大于1 mm時，隨著水深的增加焊接質量變差;當水深超過3 mm時，焊絲不熔化、焊縫不完整等缺陷變越來越嚴重，已經不能形成穩定的熔池。

（3）焊縫熔寬隨壓力增加而逐漸減小，堆焊高度隨壓力的增加而略有升高。

（4）隨著焊接速度的增大，焊縫均勻性變差，焊接速度越慢，熔化金屬在試件表面鋪展越好。

參考文獻：

[1] Ross Hancock. Underwater Welding in Nuclear PowerPlants-Diving Welders Keep Cool Head Hot Water[J]. We- lding Journal，2003，82（9）：48-49.

[2] 姚偉，鞏水利，陳俐. 激光/等離子電弧復合熱源能量參數對鈦合金焊縫成形的影響[J]. 焊接學報，2006，27（9）： 81-84.

[3] 柴國明，陳俐，鞏水利. 激光-等離子電弧復合焊接參數對焊縫成形的影響[A]. 第13屆全國特種加工學術會議 論文集[C]. 中國機械工程學會特種加工分會：中國機械工程學會，2009：477-480.

[4] 常保華，李志寧，周晶，等. 鋁鋰合金激光-等離子弧復合焊焊縫表面成形[J]. 清華大學學報（自然科學版），2010，50（8）：1178-1182.

[5] 姚杞. 不銹鋼水下激光焊接研究[D]. 天津：天津大學，2014.