奥氏体不锈钢MIG焊与激光-MIG复合焊对比分析

2021-01-05赵核毓

造船技术 2020年6期

赵核毓，周谊，林坚

(1.海军装备部驻上海地区第二军事代表室，上海 200129； 2.上海船舶工艺研究所，上海 200032)

0 引言

激光-电弧复合焊接技术最初是由英国学者STEEN教授于20世纪70年代末提出的，逐步成为国际焊接界的焦点。激光-电弧复合焊接结合激光和电弧两个独立热源各自的优点，具有焊缝深宽比大、焊后变形小、焊接效率高、装配适应性好等优点，有着良好的应用前景[1]。

奥氏体不锈钢具有良好的力学性能，但又不同于一般的造船用钢，因其导热性差、线膨胀系数大、加工变形回弹量大、焊接中较易产生热裂纹和氢气孔及焊接变形，所以焊接时有特殊的要求。采用熔化极惰性气体保护焊(Metal Inert Gas Welding, MIG焊)与激光-MIG复合焊对厚度为6.0 mm与8.0 mm某牌号奥氏体不锈钢对接焊缝进行焊接和对比试验，旨在体现激光-MIG复合焊的优势。

1 试验设备、材料和方法

1.1 试验设备

MIG焊试验使用Fronius TPS 320i型焊机，最大输出电流为320 A。

激光-MIG复合焊试验使用的MIG焊机为Fronius TPS 5000型，最大输出电流为500 A，焊接时与激光头一起固定在KUKA机器人(见图1)上。激光器为YLS-10000光纤激光器，最大焊接功率为10 kW，焦点处光斑直径为0.72 mm，输出波长为1 070 nm，光纤直径为0.30 mm。

图1 激光-MIG复合焊焊接试验平台

1.2 试验材料和方法

试验选用厚度为6.0 mm与8.0 mm某牌号奥氏体不锈钢，MIG焊焊丝为配套的实芯焊丝，直径为1.0 mm。

MIG焊试验采用手工焊，坡口形式为X形，装配间隙为0～1.0 mm，正面先焊第1层，背面清根后再焊第2层。

激光-MIG复合焊试验采用激光前引导的方式(即在焊接方向上激光热源在前、电弧热源在后)进行焊接，坡口形式为I形。采用负离焦，离焦量为-4.0 mm，光丝间距为2.0～3.0 mm，焊丝干伸长度为12.0～15.0 mm，装配间隙为0～1.0 mm。

2 试验结果及分析

2.1 焊接工艺参数

表1和表2分别给出相关焊接工艺参数，对比可知：MIG焊热输入量较大(焊后变形大)、熔深较浅、焊接速度较慢；激光-MIG复合焊热输入量小(焊后变形小)、大深宽比、焊接速度快，并且采用Ⅰ形坡口(母材自熔)，可节约大量焊材。

表1 6.0 mm奥氏体不锈钢焊接工艺参数

表2 8.0 mm奥氏体不锈钢焊接工艺参数

2.2 焊缝成形外貌

图2～图5展示两种焊接方式的焊缝成形外貌。对比可见：MIG焊焊缝表面为深黄色(氧化程度较高)，焊缝余高较高，焊缝宽度较宽，焊缝表面成形一般；激光-MIG复合焊焊缝表面为少许金黄色(氧化程度较低)，焊缝余高较低，焊缝宽度较窄，焊缝表面成形美观。

图2 6.0 mm奥氏体不锈钢MIG焊焊缝

图3 6.0 mm奥氏体不锈钢激光-MIG复合焊焊缝

图4 8.0 mm奥氏体不锈钢MIG焊焊缝

图5 8.0 mm奥氏体不锈钢激光-MIG复合焊焊缝

2.3 焊缝无损检测

参考《承压容器无损检测：NB/T 47013—2015》中关于X射线无损检测的要求，对焊缝进行无损检测，检测方法为计算机X射线成像(Computed Radiography, CR)，检测后按照评级要求对焊缝进行评价。检测结果如图6和图7所示，均未发现明显气孔、裂纹等缺陷，全部满足Ⅰ级检测结果。

2.4 焊缝宏观金相

采用焊缝宏观金相方法判断焊缝内部质量，在焊缝上使用线切割方法加工出焊缝宏观试样，经打磨抛光处理后使用王水溶液腐蚀焊缝试样，腐蚀后观察焊缝截面缺陷情况。图8和图9分别展示两种焊接方式的焊缝宏观金相，对比可见：MIG焊焊缝熔宽大、熔深浅；激光-MIG复合焊焊缝不仅具有MIG焊焊缝的上述特征，而且具有激光焊焊缝大深宽比的特征。

2.5 焊缝力学性能

图10与图11展示两种焊接方式的焊缝力学性能，对比可见：在拉伸性能(抗拉强度)上，激光-MIG复合焊高于MIG焊约40～50 MPa，断裂位置均为焊缝；在其他力学性能(弯曲、冲击、硬度)上，两者之间差别不大。究其原因，主要是激光-MIG复合焊速度快、热输入小，所以焊缝及热影响区组织晶粒细小、强度较高。