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    船舶甲板和艙壁的焊縫具有平直、長(zhǎng)度長(zhǎng)的特點(diǎn),焊接接頭形式為平板對(duì)接和T型接頭,適合自動(dòng)化焊接。隨著造船精度要求的不斷提高,而激光焊接的高效、快速、低熱輸入、小變形等特點(diǎn)則能適應(yīng)船舶結(jié)構(gòu)低變形焊接的要求。光纖激光因其比C02激光具有更好的光束質(zhì)量、更大的連續(xù)輸出功率、更高的電光轉(zhuǎn)換效率以及可光纖導(dǎo)光等優(yōu)點(diǎn)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視,在激光焊接中也得了到越來越廣泛的使用。
    lOCrSiNiCu鋼是我國(guó)白行研制的船舶非耐壓殼體用鋼,它既具有較高的屈服強(qiáng)度(>400 MPa),又具有良好的低溫(-40℃)沖擊韌性和焊接性能”l。由其構(gòu)成的船舶甲板和艙壁的焊接制造目前采用的是埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等常規(guī)焊接方法,但是應(yīng)用常規(guī)焊接方法產(chǎn)生的主要問題是熱輸人大、焊接變形大,給船舶制造精度的提高帶來了困難,F(xiàn)國(guó)內(nèi)船用高強(qiáng)鋼的光纖激光焊接機(jī)處于研究階段,尚未在下程中得到應(yīng)用。楊欖生等”采用IPG YLS-5000光纖激光器白熔焊接了lOCrSiNiCu鋼三明治板T型接頭,所得的焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度均高于母材,焊縫組織為板條馬氏體,熱影響區(qū)組織主要為馬氏體、殘余奧氏體及少量析;H碳化物。賈進(jìn)等采用YAG激光器研究了3.2 mm厚的E36激光白熔焊接接頭組級(jí)和性能,發(fā)現(xiàn)接頭組織以及硬度特性也隨著焊速變化而變化,當(dāng)焊接速度達(dá)到70 mm/s時(shí),焊縫區(qū)域的最高硬度達(dá)到448.9 HV,焊接速度為20—60 mm/s的拉伸試樣均斷裂在母材。低合金高強(qiáng)度鋼的激光白熔焊和復(fù)合焊的接頭力學(xué)性能、接頭區(qū)軟化、接頭疲勞性能等方面也得到了一定的研究”。
    由上可知,lOCrSiNiCu船用高強(qiáng)鋼的激光焊接機(jī)研究較少,針對(duì)其光纖激光填絲焊接接頭的組織和性能的研究尚未見報(bào)道。激光填絲焊接既具有較好的間隙容忍度,又具有比激光復(fù)合焊更低的焊接熱輸入和變形,在船用鋼結(jié)構(gòu)低變形焊接制造中有應(yīng)用潛力。因此,本文采用IPG-10000型光纖激光器,針對(duì)lOCrSiNi-Cu船用高強(qiáng)鋼對(duì)接接頭,研究激光熱輸入對(duì)接頭組織、顯微硬度、拉伸、三點(diǎn)彎曲、低溫沖擊性能的影響,進(jìn)而確定合適的丁藝參數(shù)范圍,為后續(xù)激光填絲焊接IOCrSiNiCu船用高強(qiáng)鋼的丁業(yè)應(yīng)用提供參考。
試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法
    試驗(yàn)采用船用高強(qiáng)鋼lOCrSiNiCu鋼板,厚度為8 mm,激光填絲焊中所使用的焊絲是ER50-6焊絲,母材和焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1和表2。如圖1所示,母材金相組織主要由塊狀鐵素體種帶狀珠光體組成,其中帶狀組織為軋制組織。
   試驗(yàn)采用YLS 10000光纖激光器,其光束質(zhì)量為12 mm - mrad。激光丁作頭為Precitec公司的YW52,焦距為300 mm,聚焦后焦斑直徑為0.68 mm。保護(hù)氣體采用氬氣,其流量為15 L/min。離焦量設(shè)為o。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在離焦量、焊接速度、送絲速度等其他參數(shù)不變的情況下,只改變激光功率,得到熔透且成形良好的對(duì)接焊縫的激光功率窗口寬度很窄,只有50~100 w。光纖激光焊接機(jī)為了獲得明顯的不同焊接熱輸入(即焊接線能量),試驗(yàn)選取1.5、1.2、0.9 m/min三個(gè)焊接速度,分別在激光功率為9100、8400、7500 w時(shí)得到剛好焊透且成形最優(yōu)的焊縫,進(jìn)而開展不同焊接熱輸入下的接頭組織性能分析,具體焊接參數(shù)如表。
  選用平板對(duì)接形式,焊前利用銑床對(duì)母材進(jìn)行車銑,去除試樣邊緣的毛刺及表面氧化膜,保證焊接零間隙,再用丙酮清洗鋼板焊接端面,焊接試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。
    焊后試樣用侵蝕液為體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精腐蝕,采用Zeiss金相顯微鏡觀察焊接接頭微觀組織形貌;采用ZwickZH舢HD型全自動(dòng)硬度計(jì),200 g載荷保壓15 s下測(cè)定焊接接頭的顯微硬度;用刨床加丁力學(xué)性能測(cè)試試樣至厚度6 mm,以去除焊后變形和焊縫余高,并采用Zwick/Roell多功能材料試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn);采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī),在-40℃條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn),非標(biāo)試樣尺寸為55 mmX10 mmx6 mm,分別在焊縫中心和熔合線(FL)上板厚一半處開v型缺口,并測(cè)量沖擊斷口側(cè)膨脹值;采用NOVA NanoSEM230場(chǎng)發(fā)射低真空超高分辨掃描電鏡對(duì)沖擊試樣斷后缺口表面形貌進(jìn)行觀察。
試驗(yàn)結(jié)果及分析
激光焊接機(jī)接頭微觀組織形貌
    試驗(yàn)得到的焊接試樣均焊縫成形良好、變形小、有少量飛濺,圖3是熱輸人為4.20 kj/cm(焊接速度1.2 m/min)時(shí)的焊縫正反面照片。經(jīng)過x射線檢測(cè),焊接接頭未發(fā)現(xiàn)裂紋,焊縫中均勻分布有少量的小氣孔。
    不同焊接速度下獲得的熔透焊縫橫截面宏觀形貌。可以看出,隨著焊接熱輸入增加,接頭熱影響區(qū)和焊縫的寬度均不斷增加。當(dāng)焊接熱輸入由3.64 kj/cm依次增加到4.20 kj/cm和5.00 kj/cm時(shí),接頭中部熱影響區(qū)寬度由0.62 mm依次增大到0.69 mm和0.96 mm,焊縫寬度則由1.30 mm依次增大至1.32 mm和1.63 mm。在熱輸人為5.00 kj/cm時(shí)因焊縫熔池溫度較高和高溫停留時(shí)間過長(zhǎng),熔化金屬在重力作用下下淌嚴(yán)重,焊縫上表面jLH現(xiàn)了凹陷。綜合而言,熱輸人為4.20 kj/cm時(shí)的焊縫成形最優(yōu),焊縫無凹陷,背面成形飽滿,上下熔寬接近。
 焊接接頭力學(xué)性能最薄弱的區(qū)域往往是熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。不同焊接熱輸入下接頭熱影響區(qū)的粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的微觀組織形貌。不同熱輸入下粗晶區(qū)微觀金相,其組織比較復(fù)雜.主要為板條馬氏體+塊狀鐵素體+粒狀貝氏體。該區(qū)域金屬處于過熱狀態(tài),奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大,冷卻后得到粗大的組織,晶粒形狀逐漸正多邊形化。不同熱輸入下的粗晶區(qū)組織相似,只是晶粒尺寸和組織含量上稍有區(qū)別,隨著焊接熱輸入增加,馬氏體和貝氏體含量增加,鐵素體含量減少。不同熱輸入下細(xì)晶區(qū)位置金相圖,其組織主要為細(xì)小的鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體組織,兼有少量馬氏體,珠光體類組織呈無序分布。一般細(xì)晶區(qū)相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織,其塑性和韌性都比較好;但由于激光焊接速度較快,造成冷卻速度較大,試驗(yàn)中焊接接頭細(xì)晶區(qū)產(chǎn)生了粒狀貝氏體,并在低熱輸入下出現(xiàn)了極少量馬氏體。隨著熱輸入增大,細(xì)晶區(qū)中的珠光體含量減少,鐵素體和粒狀貝氏體含量增加。
結(jié)  論
    1)采用ER50-6焊絲的lOCrSiNiCu鋼激光填絲焊焊縫區(qū)組織為M+F+B,粗晶區(qū)主要為塊狀F+粒狀B+M,細(xì)晶區(qū)組織主要為細(xì)小的F+P+粒狀B,兼有少量M。隨著焊接熱輸入的增加,焊縫區(qū)和粗晶區(qū)的組織尺寸變大,微觀組織中M含量減少,F(xiàn)含量增加;
    2)焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)的硬度均高于母材,最高硬度jLH現(xiàn)在焊縫中心。焊縫區(qū)平均硬度值隨著熱輸入的升高而可降低至HV350以下。焊縫和熱影響區(qū)的寬度隨著熱輸入的增大明顯增大;
    3)焊接熱輸入對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響不大,熱輸入過小時(shí)接頭塑性變形能力大大降低,彎曲性能也隨著熱輸入增大而改善,低溫沖擊功隨著熱輸入的增加先增加后減小,在E=4.20 J/cm時(shí)熔合線和焊縫區(qū)的沖擊功最高,且沖擊試樣斷口呈韌性斷裂特征。

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