奧氏體不銹鋼MIG焊與激光-MIG復(fù)合焊對比分析

趙核毓， 周 誼， 林 堅

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第二軍事代表室， 上海 200129； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)最初是由英國學(xué)者STEEN教授于20世紀70年代末提出的，逐步成為國際焊接界的焦點。激光-電弧復(fù)合焊接結(jié)合激光和電弧兩個獨立熱源各自的優(yōu)點，具有焊縫深寬比大、焊后變形小、焊接效率高、裝配適應(yīng)性好等優(yōu)點，有著良好的應(yīng)用前景[1]。

奧氏體不銹鋼具有良好的力學(xué)性能，但又不同于一般的造船用鋼，因其導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大、加工變形回彈量大、焊接中較易產(chǎn)生熱裂紋和氫氣孔及焊接變形，所以焊接時有特殊的要求。采用熔化極惰性氣體保護焊(Metal Inert Gas Welding, MIG焊)與激光-MIG復(fù)合焊對厚度為6.0 mm與8.0 mm某牌號奧氏體不銹鋼對接焊縫進行焊接和對比試驗，旨在體現(xiàn)激光-MIG復(fù)合焊的優(yōu)勢。

1 試驗設(shè)備、材料和方法

1.1 試驗設(shè)備

MIG焊試驗使用Fronius TPS 320i型焊機，最大輸出電流為320 A。

激光-MIG復(fù)合焊試驗使用的MIG焊機為Fronius TPS 5000型，最大輸出電流為500 A，焊接時與激光頭一起固定在KUKA機器人(見圖1)上。激光器為YLS-10000光纖激光器，最大焊接功率為10 kW，焦點處光斑直徑為0.72 mm，輸出波長為1 070 nm，光纖直徑為0.30 mm。

圖1 激光-MIG復(fù)合焊焊接試驗平臺

1.2 試驗材料和方法

試驗選用厚度為6.0 mm與8.0 mm某牌號奧氏體不銹鋼，MIG焊焊絲為配套的實芯焊絲，直徑為1.0 mm。

MIG焊試驗采用手工焊，坡口形式為X形，裝配間隙為0～1.0 mm，正面先焊第1層，背面清根后再焊第2層。

激光-MIG復(fù)合焊試驗采用激光前引導(dǎo)的方式(即在焊接方向上激光熱源在前、電弧熱源在后)進行焊接，坡口形式為I形。采用負離焦，離焦量為-4.0 mm，光絲間距為2.0～3.0 mm，焊絲干伸長度為12.0～15.0 mm，裝配間隙為0～1.0 mm。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊接工藝參數(shù)

表1和表2分別給出相關(guān)焊接工藝參數(shù)，對比可知：MIG焊熱輸入量較大(焊后變形大)、熔深較淺、焊接速度較慢；激光-MIG復(fù)合焊熱輸入量小(焊后變形小)、大深寬比、焊接速度快，并且采用Ⅰ形坡口(母材自熔)，可節(jié)約大量焊材。

表1 6.0 mm奧氏體不銹鋼焊接工藝參數(shù)

表2 8.0 mm奧氏體不銹鋼焊接工藝參數(shù)

2.2 焊縫成形外貌

圖2～圖5展示兩種焊接方式的焊縫成形外貌。對比可見：MIG焊焊縫表面為深黃色(氧化程度較高)，焊縫余高較高，焊縫寬度較寬，焊縫表面成形一般；激光-MIG復(fù)合焊焊縫表面為少許金黃色(氧化程度較低)，焊縫余高較低，焊縫寬度較窄，焊縫表面成形美觀。

圖2 6.0 mm奧氏體不銹鋼MIG焊焊縫

圖3 6.0 mm奧氏體不銹鋼激光-MIG復(fù)合焊焊縫

圖4 8.0 mm奧氏體不銹鋼MIG焊焊縫

圖5 8.0 mm奧氏體不銹鋼激光-MIG復(fù)合焊焊縫

2.3 焊縫無損檢測

參考《承壓容器無損檢測：NB/T 47013—2015》中關(guān)于X射線無損檢測的要求，對焊縫進行無損檢測，檢測方法為計算機X射線成像(Computed Radiography, CR)，檢測后按照評級要求對焊縫進行評價。檢測結(jié)果如圖6和圖7所示，均未發(fā)現(xiàn)明顯氣孔、裂紋等缺陷，全部滿足Ⅰ級檢測結(jié)果。

2.4 焊縫宏觀金相

采用焊縫宏觀金相方法判斷焊縫內(nèi)部質(zhì)量，在焊縫上使用線切割方法加工出焊縫宏觀試樣，經(jīng)打磨拋光處理后使用王水溶液腐蝕焊縫試樣，腐蝕后觀察焊縫截面缺陷情況。圖8和圖9分別展示兩種焊接方式的焊縫宏觀金相，對比可見：MIG焊焊縫熔寬大、熔深淺；激光-MIG復(fù)合焊焊縫不僅具有MIG焊焊縫的上述特征，而且具有激光焊焊縫大深寬比的特征。

2.5 焊縫力學(xué)性能

圖10與圖11展示兩種焊接方式的焊縫力學(xué)性能，對比可見：在拉伸性能(抗拉強度)上，激光-MIG復(fù)合焊高于MIG焊約40～50 MPa，斷裂位置均為焊縫；在其他力學(xué)性能(彎曲、沖擊、硬度)上，兩者之間差別不大。究其原因，主要是激光-MIG復(fù)合焊速度快、熱輸入小，所以焊縫及熱影響區(qū)組織晶粒細小、強度較高。

3 結(jié) 論

(1) 激光-MIG復(fù)合焊結(jié)合兩種焊接工藝各自的優(yōu)點：不僅具有MIG焊焊縫熔寬大、熔深淺的特征，而且具有激光焊焊縫大深寬比的特征，并且焊縫成形美觀；在力學(xué)性能(抗拉強度)上，激光-MIG復(fù)合焊高于MIG焊。

(2) 激光-MIG復(fù)合焊焊接速度快，在試驗中是MIG焊的9～10倍，并且還是單面焊雙面成形(不需要清根打磨)，具有更高的生產(chǎn)效率和良好的工程應(yīng)用前景，能夠較好地應(yīng)用于內(nèi)場拼板、組件的焊接。

(3) 激光-MIG復(fù)合焊一般采用I形坡口，而MIG焊一般采用V形或X形坡口，所以激光-MIG復(fù)合焊可節(jié)約大量的焊材。

(4) 激光-MIG復(fù)合焊對裝配精度要求較高，板材的I形坡口建議采用激光切割或等離子切割后機加工；激光-MIG復(fù)合焊對板材的平整度也要求較高，需采用專用的焊接夾具對焊接部位進行壓平。