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激光-电弧复合焊焊缝合金元素分布的研究

2015-05-25 15:39
姚看江湖
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  激光-电弧复合焊接是将激光和电弧这两种不同的热源耦合共同作用于同一区域。相对单一热源,激光-电弧复合焊接具有熔深大、速度快、稳定性高、允许的坡口间隙大以及气孔少等特点,在汽车、造船、桥梁、起重机械等领域得到了越来越广泛的应用。

  作为激光焊接的重要补充和发展,激光-电弧复合焊接相对激光焊接的优势之一是通过焊接材料的添加,调整焊缝的合金元素成分,改善焊缝组织与性能。焊接材料添加的合金元素在焊缝中的均匀分布是体现激光-电弧复合焊接这一优势的关键。然而,对于窄而深的激光-电弧复合焊焊缝,尤其是大板厚焊接结构条件下,实现合金元素的均匀分布是非常困难的。目前,激光-电弧复合焊接焊缝合金元素均匀化得到了越来越多的关注,但相关的研究结果较少。其中,利用CO2激光-MAG复合焊焊接了600MPa级高强钢,对焊接接头组织和性能进行了研究。他们发现,焊缝上部Mo、Mn元素的含量远高于焊缝下部,合金元素的分布不均匀。而且,此研究中所采用的激光功率为2.4kW,焊缝熔深约为4mm,在这样的情况下获得均匀化的焊缝尚且较困难,可知对于中厚板激光-电弧复合焊接,熔深超过10mm,焊缝中合金元素的均匀化分布将更为困难。另外,采用附加磁场的方法“搅拌”熔池,促进了激光焊接熔池流动。尽管随着励磁电流的增大,激光焊缝中Si元素均匀化程度有所提高,但其仍存在明显偏析现象,并没有获得合金元素的均匀分布。由上可知,实现激光-电弧复合焊焊缝合金元素的均匀化需要进行深入的研究和分析。

  因此,本文研究了焊接工艺参数对CO2激光-熔化极气体保护(GMA)复合焊焊缝合金元素分布的影响规律,并讨论了熔池流动行为与合金元素分布的关系。

  焊接试件为11mm厚的低碳钢板,图1所示的是CO2激光-GMA复合焊接试验示意图。焊接试验采用平板熔透焊接方式,使用20kW的CO2激光器,聚焦透镜焦距500mm,激光光轴垂直于试件表面,与GMA焊炬轴线呈35度。激光焦点位置位于试件表面,激光保护气体为He气,流量50L/min。利用脉冲GMA焊获得一脉冲一滴的熔滴过渡方式,脉冲频率、峰值电压、基值电压、峰值电流、基值电流和脉宽分别为200Hz、41V、36V、470~480A、90~100A和2.5ms,电弧保护气体为He-38%、Ar-2%,流量为20L/min。焊接试验中,激光-电弧距离为5mm,焊接材料为低合金焊丝,调节焊接速度、焊接方向、接头形式和坡口间隙等工艺参数:
        (1)焊接速度分别为0.7、1.0和2.0m/min,为了实现熔透焊接,以上焊接速度对应的激光功率分别为7.5、8和12kW;
        (2)在激光功率为8kW、焊接速度为1.0m/min的条件下,焊接方向分别为激光在前(LL)和电弧在前(LA),并采用平板堆焊(BOP)和I型坡口平板对接焊(I-butt)两种接头形式,I型坡口间隙分别为0、0.5、1.0mm。

     图1  CO2激光-GMA 复合焊接试验装置(焊接方向为电弧在前)

图2  X射线透射成像系统

  由于焊接熔池流动会影响焊缝合金元素的分布,因此对激光-电弧复合焊接过程中熔池流动进行了观察。利用高速摄影技术对试件表面的熔池流动进行了观察,采用Al2O3颗粒作为示踪粒子,Al2O3颗粒的移动代表了熔池表面的流动行为。同时利用X射线透射成像系统观测了试件内部的熔池流动,X射线透射成像系统如图2所示。焊接过程中,在试件上表面和下表面的焊道上放置铂丝,由于铂对X射线的吸收率大于钢,液态铂的流动表示了内部熔池的流动行为。

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