激光窄间隙焊接侧壁未熔合缺陷的研究

黑龙江农业工程职业学院 武祎

随着我国经济的快速发展，在船舶制造、海洋工程、核电设备、石油化工、重型机械、航空航天等工业领域对高性能大厚板的结构需求越来越大，厚度也越来越厚。由于厚度和板面要求都越大，用轧制的方法很难实现，现在多采用使用焊接的方法拼接而成。

厚板的应用范围越来越多,相应的对厚板的焊接技术要求也越来越高,不但要求保证焊接质量，而且要求降低焊接成本，提高焊接生产效率。焊接技术作为厚板连接的一个关键生产工艺，将极大地影响到厚钢板的推广和使用。传统上对于板厚超过20mm的大厚板，广泛地采用了窄间隙SAW/GMAW焊接方法，此时需要开坡口进行多层焊接，随着板厚的增加，焊接的层数增加，由于电弧能量密度较低的特性使得在生产中准备工序和焊接加工的时间增加，生产效率下降和焊接成本增加，同时由于输入的线能量大，HAZ大，导致焊后变形大，焊接接头力学性能下降。

针对这样的情况，国际上趋势对于具有高质量要求的大厚度板材现在多采用激光窄间隙焊接方法进行焊接。激光窄间隙焊接方式在焊接高质量厚板接头时具有极大的优越性，但由于存在未熔合等问题至今未得到全面广泛的推广，近年来许多学者对其进行深入的研究，而尚未得到统一的认识，因此针对不锈钢厚板的激光窄间隙焊接缺陷问题进行研究具有一定的研究意义及应用价值。在众多的焊接方法之中，窄间隙激光焊接因为集中了窄间隙焊接和激光焊接的优势，被公认为最具潜力的高质量厚板焊接方法之一，受到各国重视。但是窄间隙激光焊接方法存在着侧壁未熔合问题严重，气体保护效果不良等问题，严重制约着窄间隙激焊接的应用。

1 侧壁未熔合的形貌

未熔合是指焊缝金属与母材金属，或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。按其所在部位，未熔合可分为坡口未熔合，层间未熔合和根部未熔合三种形式。未熔合是一种面积型缺陷，坡口未熔合和根部未熔合对承载截面积的减小都非常明显，应力集中也比较严重，其危害性仅次于裂纹。

利用IPG6000光纤激光器对304不锈钢板进行焊接，激光功率为4000W,焊接速度0.5m/min，送丝速度4 m/min，保护气体流量计20L/min，激光光斑直径为4.2 mm。采用氩气保护。20mm厚钢板采用六层焊接方式可填满整个焊缝，每层焊缝高度约3.5 mm。图1为在以上参数下的同一个接头的两处截面的金相图，由图1可知，在不同焊道的底部及侧壁都出现了较为明显的气孔和未熔合缺陷。虽然未熔合气孔的数量不多，但未熔合直径较大，对焊接接头的强度会造成较大影响。

气孔与未熔合的区别在于，一般气孔所在焊缝的位置较为居中，是由于气泡未能及时逸出导致，而未熔合主要在焊缝根部或侧壁，主要由于金属未得到充分熔化而产生了间隙，以气孔形式存留。由图1可知，在左图中底部为焊接气孔，因为其在两层焊道中间，并未看出有任何的熔化不充分现象，而侧壁的气孔则为侧壁未熔合缺陷，由于其与侧壁的距离非常近，紧挨母材，这显然是由于坡口的侧壁未被熔池金属完全熔化导致了不浸润情况产生，而使得气泡无法逸出。

图1 底部未熔合及侧壁未熔合分布形貌

对侧壁未熔合进行扫描电镜的观察，以得到其最终的形貌。由图2可知，未熔合形貌为不规则的圆形，其直径约为0.2 mm，其紧贴在母材一侧的侧壁与其另一侧壁形态有所不同，有未经熔化的残渣，说明其由于能量不足，使得这一侧壁温度较低，而产生了气孔，其与侧壁的距离很近，不足0.1mm。这也是由于窄间隙坡口形式具有散热能力强的特点，使得侧壁能量极易传递给母材，而导致侧壁能量不够集中，侧壁熔化不够充分产生侧壁未熔合的原因。

图2 侧壁未熔合的显微形貌

2 侧壁未熔合中的裂纹

对侧壁未熔合内壁的残留物质进行了观察，发现了在侧壁未熔合内壁不仅存留着残渣还有裂纹的出现。

图3为侧壁未熔合缺陷内壁形貌，由图可知，在侧壁未熔合内壁中出现了大小不一的球形残渣，球形残渣紧贴着未熔合内壁，可能是由于焊接过程中熔融金属飞溅以及氧化物在气泡中残留所致。这也与侧壁未熔合所处位置的温度较低而未使全部金属熔合在一起有关。另外，在图3右上角可观察到明显的裂纹存在。裂纹长度约为整个侧壁未熔合周长的一半，可清楚看到有两根长度相似的裂纹存在。这种裂纹一方面可能会与304不锈钢中的合金成分在表面聚集，使金属的脆性增加有关，另一方面也与气泡中所含有的气体，如可能含少量的氢气，而会使金属表面产生氢致裂纹有关。

图3 侧壁未熔合缺陷中的裂纹

3 侧壁未熔合的成分分布

图4为侧壁未熔合与熔合线间的组织形貌,由图4可知侧壁未熔合与熔合线之间距离非常近，几乎已经连接在一起。侧壁未熔合与熔合线间的组织形貌与焊缝内部有显明不同，其晶界不显明，且有明显未熔化的痕迹，所以这是热影响区组织的特点，说明了在侧壁未熔合接近母材一端，组织晶界不明显而不完整，再现热影响区的组织特点，证明了确实是由于侧壁熔化不充分导致的气泡未及时逸出，产生侧壁未熔合，而非焊接气孔缺陷。

图4 未熔合与熔合线间的组织

对侧壁未熔合内壁的某一点进行能谱分析，能谱仪型号为EDAX Genesis 7000型能谱仪(EDS)。由结果可知，激光窄间隙焊接侧壁未熔合内壁的合金成为与母材金属的合金成分和比例都相差较大。铬、锰等奥氏体化金属成分含量明显偏大，两者占了总质量的80%，说明确实存在合金元素在表面富集的现象，这也是出现裂纹的原因之一。镍及铁的含量较少，只占到全部质量的5%。另外氧的含量也较多，占到全部质量的约5%，这说明气泡中含有一定量的氧化物或者水分，这与焊接过程中的保护质量有关，可能在焊接中混入了氧气或水蒸气。由此可知，侧壁未熔合内壁大量合金元素的聚集会造成焊缝金属合金成分的分布不均匀，而使焊缝金属强度性能下降；另一方面，这种成分的不均匀也会是焊接裂纹的起源点，会导致其他缺陷的产生。

4 小结

本文将首先从未熔合的形貌观察及成分分析方面入手，了解侧壁未熔合的组成及形成原因。通过观察发现激光窄间隙填丝焊接过程中出现的多数侧壁未熔合缺陷形状为不规则圆形，直径约0.1～0.3 mm，其与侧壁相邻，其紧贴在母材一侧的侧壁与其另一侧壁形态有所不同，有未经熔化的残渣。在侧壁未熔合内壁中出现了大小不一的球形残渣，且有裂纹出现在未熔合内壁中。最终得到了激光窄间隙填丝焊接未熔合形貌、构成及成分分析，为提高厚板激光窄间隙焊接质量，避免焊接未熔合缺陷的产生提供理论依据。