船用钢板的高功率CO2激光焊接

船用钢板的高功率CO2激光焊接 第38卷第3期 2008年3月 鼋珲墩 ElectricWeldingMachine V01.38No.3 Mar.2oo8 船用钢板的高功率C激.光焊接 黄坚1.,高志国1.,蔡艳1.,吴毅雄, (1.上海交通大学材料科学与学院,上海200240;2.上海市激光制造与材料改性重点 实验室(筹),上海200240) 摘要:激光作为高能柬和洁净热源在焊接中得到了越来越广泛的应用.船舶制造中的激光焊接技术也 正得到广泛的研究并开始应用.利用l5kW级C02激光对国产船用板CCS_B,SUS3o4,A36以及CCs-A 进行了对接接头和T形接头的激光焊接研究.在多种板厚条件下获得了良好的激光填丝和激光电弧复 合焊接接头.通过宏观和显微金相分析比较CCS—B激光填丝焊和激光电孤复合焊接头焊缝截面形状 和组织.通过成分分析,观察了在三种不同高功率激光焊方法(纯激光,激光填丝和激光复合)下焊缝中 主要化学成分的含量变化.通过硬度测量,拉伸和弯曲试验测试分析了接头力学性能. 关键词:船用钢板;激光焊接;高功率CO2激光;接头分析 中图分类号:TG456.7文献标识码:A文章编号:1001-2303(2008)03-0007—05 HighpowerCo2laserweldingofshipbuildingsteel HUANGJian一,GAOZhi—guo,CAIYan1,2,WUYi—xiong? (1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,Chin a;2.TheKey laboratoryoflaserProcessingandMaterialsModificationofShanghai(prepared),Shanghai200240,Ch ina) Abstraet:Ashighenergydensitybeamandcleanheatsourcethelaserbeamisappliedinweldingmoreand more.Thelaserwelding technologyinshipbuildingisnowalsoresearchedwidelyandhasfounditsfirstapplications.Intheworkb yusinga15kWCO2laserthe laserweldingtechnologyofChineseshipbuildingsteelsCCS—B,SUS304,A36andCCS—AinformofbuttjointandT-jointwasstudiedin thispaper.Satisfiedlaserwireweldediointsandlaser-archybridweldediointswereobtainedatseveralpl atethicknesses.Theweld crosssectionandmicrostruetureofCCS——Bsteelplatewereanalyzedbymacroandmicrometallogra phs.Throughchemicalcomposition analysisthecontentchangeofmaincompositionelementsatthreedifferentlaserweldingprocessesinclu dingpurelaserweldingof CCS—Bsteelwasobserved.Mechanicalpropertiesofweldjointswereanalyzedbyhardnessmeasurem ent,tensiletestandbendingtest. Keywords:shipbuildingsteel;laserwelding;highpowerCO2laser;weldjointanalysis U刖昌 造船业是高度竞争的重工业.我国已是世界造 船大国,但要成为造船强国,还需不断提高生产效 率和生产质量,开发新工艺,提升产品的能力 和生产能力.作为船舶制造中的一个关键生产工艺, 焊接极大地影响到船的生产周期和成本.传统的电 弧焊方法目前依然是造船中主要的连接方法,但其 会带来明显的焊接变形和大量的焊后矫形工作. 激光焊接因其高能量密度而具有低热输入,高 焊速,大深宽比焊缝,窄热影响区,极小的焊接变形 收稿日期:20HD8-ol一17 作者简介:黄坚(1967一),男,上海人,博士,副教授,主要 从事激光焊接技术的科研和教学工作. 等特点,且焊接过程中与工件不接触,因此,与电弧 焊相比,激光焊接对造船将展示出潜在的优势和应 用前景.1994年在德国Meyer船厂首次成功实现了 激光焊接试生产【1l.此后,针对造船的激光焊接技术 得到了大力的研究和开发【2-51.目前激光焊接主要应 用于欧洲的船厂,所使用的激光多为高功率的CO 激光.德国Meyer船厂采用高功率CO激光进行i 明治结构板的生产和预制生产中的长直型对接和 角接的焊接[61.德国的另一家船厂Blom+Vo~将高功 率CO2激光用于切割和焊接【7】.意大利Fincantieri船 厂和丹麦OdenseSteel船厂【8l从20世纪90年代后 期也在生产中应用了激光焊接技术.相比于单激光 焊,激光填丝焊和激光一电弧复合焊技术具有更高的 专置讨论重珲俄第38卷 接头间隙容忍度和焊接速度. 鉴于激光焊接将给造船带来的好处,我国造船 业已开始关注此项技术,并于2004年通过中德合作 项目CHINLAS迈出了第一步,即以上海交通大学为 依托开展了中国船用板的高功率(15kW级)co激 光焊接技术研究. 本研究对我国船舶制造中使用的多种不同厚 度的钢材进行了激光填丝焊和激光电弧复合焊,并 分析了获得的接头. 1焊接试验条件 1.1Co2激光源 实验采用德国Trumpf公司生产的最大输出达 15kW的连续波(cw)CO激光.通过束焦分析仪测得 的聚焦光束参数如表1所示.由于传输中反射铜镜 仍将吸收一部分激光能量,实际达到工件的最大激 光功率为l3.5kW.实际测得的焦斑处激光功率密度 分布情况如图1所示. 表1C02激光参数 跚暖 图1焦斑处激光功率密度分布 1.2材料和接头准备 母材为我国常用的几种船用钢板,即8mm厚 CCS—B碳钢板,10mm厚A36碳钢板和14mm厚 CCS—A.碳钢焊接采用常规气保护焊焊丝,规格SG2; 不锈钢焊接采用1.4316焊丝,焊丝直径均为1.2mm. 母材和SG2焊丝的化学成分如表2所示. 接头形式为对接接头和T形接头,均采用单面 焊.试件尺寸500mm~150mm.8mm和10mm厚板 不开坡口,对接接头为I形;14mm厚板只进行对接 ? 8? 表2母材和SG2焊丝的化学成分% 焊,接头开V形坡口,坡口角度l0..焊前接头端面 及附件刨去氧化皮和防锈漆,去除油污. l-3分析手段 焊后焊接试样首先进行无损检测,包括目视检 测,X射线检测和渗透检测.对经无损检测合格的 试样进行金相组织分析,硬度测试以及拉伸与弯曲 试验.用ICP—AES法对焊缝化学成分进行分析. 2激光焊接工艺 实验采用激光填丝焊和激光电弧复合焊两种 激光焊接工艺.激光填丝焊时,焊丝从熔池前方送 入,等离子体侧吹气体也从前方吹入.激光电弧复 合焊时,采用KemppiProMIG熔化极气保护电源, MIG焊枪置于激光前侧,其与激光的夹角为40..复合 焊时侧吹气也从前方吹入.侧吹气采用纯氦气(He), MIG保护气体为氦氩混合气体(75%He+25%Ar).侧吹 气流量控制在20,30I_/min,具体值以正好能有效吹 除光致等离子体为宜. 由于碳钢板上的防锈漆层仅靠打磨很难去除 干净,而且所选碳钢母材又含较多的硫磷,故对其 T形接头采用激光电弧复合焊工艺,因为复合焊工 艺使熔池中的气体更宜排出.焊接时激光束先入射 到筋板,然后再进入底板.激光束与底板面的角度 在5.,15.之间,具体角度视板厚而定.MIG焊丝与 底板的夹角则为45..经过前期的实验摸索,对相应 母材与接头形式采用的主要焊接参数见表3. 3试验结果与分析 3.1焊缝宏观截面 实验表明,板厚,钢材成分,接头准备情况等会 影响到焊缝成形.激光填丝焊和激光电弧复合焊时 接头熔深主要由激光功率决定.复合焊的焊缝宽度 则取决于MIG电弧规范.通过优化激光功率,焊接 速度,送丝速度,电弧与激光的间距,侧吹气流量等 参数,所选母材均获得了成形良好的焊缝. ?论第十二次全露焊接学式客&迄文 专曩讨论雹焊拽第38卷 3.2CC_B钢焊缝微观组织和化学成分变化 相对传统的焊接工艺,激光焊的加热和冷却时 间短,所以其焊缝微观组织与一般焊缝有所不同, 激光焊焊缝组织更细.在此以CCS-B船用钢为对象, 观察激光填丝焊和激光复合焊的焊缝组织特征. 在激光填丝焊焊缝中,组织主要有针状铁素体, 块状铁素体和少量板条马氏体,如图6所示.而CCS 激光复合焊焊缝中,因电弧热使材料焊缝上部冷却 速度低于下部,上下部分所得焊缝微观组织有所不 同.焊缝上部的组织比下部要粗大一些,见图7. 如图7a所示,焊缝上部的微观组织主要为上贝氏体, 针状铁素体,马氏体和少量粒状贝氏体;而在焊缝 下部因冷速快,其先共析铁素体比上部少(见图7b). 图6CCs-B激光填丝焊焊缝微观金相 a焊缝上部 b焊缝下部 图7CCS—B激光复合焊焊缝微观金相 在激光焊接中,高能量密度的激光束和母材发 生强烈的交互作用,导致强烈的金属蒸发和元素烧 损.在激光焊采用填充焊丝(激光填丝焊LWW和激 光复合焊LHW)时,焊丝中的一些合金元素将过渡 ? 1O? 到焊缝中.由于元素含量可影响焊缝的微观结构, 以CCs_B为对象对不同焊接方法(包括纯激光焊LW) 下焊缝的化学成分进行分析,元素含量低于O.O3%的 将不予考虑. 化学成分分析结果的比较如图8所示.由于锰 (Mn)和硅(Si)较高的蒸气压,它们较焊缝中其他元素 更宜被蒸发.在纯激光焊缝中,由于激光束的强烈热 作用,w(Mn)和w(Si)与母材(BM)相比有明显降低.其 中w(Mn)从原母材中的O.93%降到O.7O%,w(Si)从 原母材中的O.37%降到O.17%.在不同的激光焊接工 艺下,w(Cu)和w(Cr)变化不大.而(C)的变化没有明显 规律性.与母材供货检测结果相比,ICP—AES法测 得的元素含量要偏高.从分析结果中可以明显看到, 填充焊丝的加入导致其主要合金元素锰和硅过渡 到焊缝中,弥补了这两个元素的烧损.w(Mn)和w(Si)的 增加量与送丝量有正相关性. 1.0 0.8 0.6 \ O.4 0.2 O 眶 CSiMnCr 图8不同激光焊接工艺下焊缝中主要元录含量比较 3.3接头硬度 对CCS—B,A36和SUS304三种材料焊接接头的 熔化区,热影响区和母材进行硬度测量.在每个区域 测量3个点,取平均值.测量结果以柱状形式列于图9. 从图9中可以发现,以CCS—B为例,其复合焊 接头硬度低于激光填丝焊.CCS—B接头最大硬度 (即焊缝金属硬度)在填丝焊时为近320HV,而在复 合焊时则降低到233HV.T形接头的硬度因导热更 快些而略有提高.由于A36的碳含量和碳当量高于 CCS—B的,其复合焊接头硬度最大值已达到360HV 以上,淬硬程度较大.而不锈钢304的接头各区域硬 度值较为相近,均在200HV左右. 3.4接头力学性能 对CCS—B和SUS3o4的复合焊对接接头进行 了拉伸和弯曲的力学性能测试,结果如图1O所示. 由图可知,焊接接头的力学性能与母材相当. CCS—B激光复合焊接头的抗拉强度略低于母材,但 也在母材强度的90%以上.不锈钢接头的接头强度 则略高于母材.试验中所有的拉伸试样均断裂在接 ?讨论?第十二次全国焊接学术会议