（光学工程专业论文）提高1420热轧板激光深熔焊焊缝质量的研究.pdf

摘要 摘要 激光焊接是一种先进的焊接方法，相对于传统的电弧焊、电阻焊、闪光焊等， 具有焊接质量高、速度快、焊缝深宽比大、比能小、热影响区小、焊接变形小， 对后续加工要求低、环保等优点；而相对于电子束焊，激光可以在大气环境下进 行焊接，且焊接质量并不比电子束差。这些使得激光焊接迅速在钢铁等工业得到 越来越广泛的应用。 但是由于激光焊接的历史比较短，尤其是在钢铁工业中的大规模生产线上的 应用历史更短，因此在应用中必然会出现很多的问题；而且随着冷轧产品地不断 扩展和工艺新功能地运用，这对激光焊接焊缝质量的稳定性又提出了更高的要 求；激光焊接过程本身就是一个非常复杂的加工过程，尤其是激光深熔焊，体现 在激光与材料相互作用的复杂性以及加工质量和加工过程稳定性影响因素的多 样性上( 如激光器光束质量、光束传输与聚焦系统、材料的热物理参数和加工工 艺参数等) 。以上这些因素，将会大大影响激光焊接过程中的焊缝质量，并直接 影响到冷轧生产的稳定性，为后续生产带来严重影响。 本论文为宝山钢铁股份有限公司提出的“激光焊机热轧板深熔焊焊缝质量 研究”科学研究项目，并与北京工业大学进行产学研合作，主要从热轧板激光焊 接气孔产生和防止、激光焊接热裂纹产生与防止、激光焊接焊缝成型问题、激光 焊接焊缝强韧性问题、激光焊接应力变形问题、激光焊接激光能量耦合问题等六 方面研究激光热轧板焊接过程中出现的各种焊接质量问题，并针对出现的问题根 据研究结果给出合理的解决方法。 本文基于以上需要解决的问题和经过研究所采取的解决方案给予了重点的 叙述，也为激光焊接工作者提供了一定参考。 关键词：激光焊接：热轧板；焊接焊缝质量：深熔焊 a b s t r a c t a bs t r a c t l a s e rw e l d i n gi sa l la d v a n c e dw e l d i n gt e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lw e l d i n g t e c h n o l o g y , s u c ha sa r cw e l d i n g ，r e s i s t a n c ew e l d i n g ，f l a s hw e l d i n ga n ds oo n ，l a s e r w e l d i n gt e c h n o l o g yh a sh i g hw e l d i n gq u a l i t ya n ds p e e d ，g r e a tr a t i oo fd e p t ht ow i d t h f o rw e l d i n gs e a n l ，l o w s p e c i f i ce n e r g y , s m a l lh e a t a f f e c t e d z o n ea n dw e l d i n g d e f o r m a t i o n s ，a l m o s tn op o l l u t i o na n de a s yf o ra f t e rp r o c e s sa n ds oo n e s p e c i a l l y , c o m p a r e dw i t i le l e c t r o nb e a mw e l d i n g 1 a s e rp r o c e s s i n gc a ng e th i g h e rw e l d i n g q u a l i t yw h e nw e l d i n gi na t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t s i n c el a s e rw e l d i n gh a sa b o v e a d v a n t a g e s ，i ti sw i d e l yu s e di ni n d u s t r yi n c l u d es t e e li n d u s t r yr a p i d l y b e c a u s el a s e rw e l d i n gh a sas h o r th i s t o r yu s e di ni n d u s t r y , e s p e c i a l l yi nm a s s i v e p r o d u c t i o nl i n eo fs t e e li n d u s t r y , w eh a v et of a c em a n yp r o b l e m si ni n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，a l o n gw i t ht h ee x p a n s i o no fc o l d r o l lp r o d u c t sa n dn e w f u n c t i o no ft e c h n o l o g i e s i tg i v e sh i g h e rr e q u e s tf o rt h es t a b i l i t yo fl a s e rw e l d i n g p r o c e s s i nf a c el a s e rw e l d i n gp r o c e s si sav e r yc o m p l i c a t e dp r o c e s s ，e s p e c i a l l yf o r l a s e rd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n g i nl a s e rd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n g ，t h e r ee x i s t st h e c o m p l e xi n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e ra n dm a t e r i a l sa sw e l la sm a n yf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h es t a b i l i t yo fq u a l i t ya n dt h ep r o c e s s ( s u c ha sq u a l i t yo fl a s e rb e a m ， p a r a m e t e ro fb e a mt r a n s f e r , f o c u s i n gs y s t e m ，t h e r m op h y s i c a la n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n de t c ) a l lo fa b o v ef a c t o r sw i l li n f l u e n c et h eq u a l i t yo fw e l d i n gs e a m g r e a t l y , a n da f f e c tt h es t a b i l i t yo fc o l d r o l ld i r e c t l y t h e s ew i l lb r i n gb a di n f l u e n c et o a f t e rp r o c e s s t h ec o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c hp r o j e c to f r e s e a r c ho n i m p r o v i n gs e a mq u a l i t yo fl a s e rd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n gf o r1 4 2 0h o t r o l l s h e e t ”w h i c hp r o p o s e db yb a o s t e e lc o l t d ，a sw e l la si sc o o p e r a t e dw i t hb e i j i n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y t h e r ea r es i xm a i np r o b l e m se x i s ti nl a s e rd e e pp e n e t r a t i o n w e l d i n go fh o t r o l ls h e e t t h e s ep r o b l e m sa r ep r o d u c eo fp o r e sa n dp r e v e n t ，p r o d u c e o fh o tc r a c k sa n dp r e v e n t ，s e a mf i g u r a t i o n ，s e a mi n t e n s i o na n dt o u g h n e s s ，s t r e s s d e f o r ma n de n e r g yc o u p l i n go fl a s e rb e a ma n ds h e e t t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d i e d i i 摘要 t h e s es i xp r o b l e m sa n dg a v ear e a s o n a b l es o l u t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nd e t a i l e d l yd e s c r i b e dt h ef i e l dw o r kp r o b l e m sa n ds o l u t i o na f t e r r e s e a r c h a sw e l la si tc a l lg i v er e f e r e n c et oo p e r a t o r sw h oe n g a g e di nl a s e rw e l d i n g k e y w o r d s ：l a s e rw e l d i n g ；h o t - r o l ls h e e t ；q u a l i t y o fw e l d i n gs e a m ；d e e p p e n e t r a t i o nw e l d i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：_ 童盘日期：垄丑：! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 北京工业大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 本论文为宝山钢铁股份有限公司与北京工业大学进行产学研合作的“激光焊 机热轧板深熔焊焊缝质量研究”科学研究项目。 1 2 激光焊接的原理及其特点 1 2 1 激光焊接的原理 随着大功率激光器的出现，尤其是激光光束功率密度的不断提高，激光深熔 焊接技术在工业生产中的应用日益广泛。 激光深熔焊接的本质特征是存在着气孔效应，其中起主要作用的不是激光的 率，而是激光的功率密度值【卜4 】。图1 - 1 为激光深熔焊接示意图。 毒走毫 图1 - 1 激光焊接示意图 当一束能量密度极高的激光( 一般来说功率密度超过1 0 w c m 的高能束流) 照射到金属材料表面时，材料将瞬时气化并在束流压力和蒸气压力的共同作用下 形成一个细长型类似圆柱的“匙孔”( k e y h o l e ) “匙孔”又称为“小孔”p 。小 孔内的金属蒸汽继续在高功率密度的激光作用下产生电离，从而在小孔内部及上 部形成一定浓度的高温等离子体，并通过f r e n s n e l 吸收和等离子体的反韧致辐射 吸收将能量传递给周围的材料使其熔化，在小孔周围形成熔化池如图1 1 所示。 第一章绪论 小孔和等离子体的形成改变了激光与材料相互作用的机理。在小孔和等离子体形 成之前，激光的能量主要是通过热传导方式向工件内部传递，焊接过程属于传导 型焊接。而一旦小孔和等离子体形成之后，激光的能量则主要依靠小孔效应而直 接为工件内部所吸收，焊接过程变为深熔焊接。这种焊接模式熔深大，深宽比也 大，获得极小的熔化区和热影响区并能净化焊缝，从而减小焊缝中诸如内应力、 裂纹、气孔等缺陷【t l - 1 5 。因此，激光深熔焊在航空、汽车制造、钢铁等很多工业 部门得到了日益广泛的应用。 随着大功率c 0 2 激光器技术的日趋完善，激光深熔焊在激光焊接中所占比 重也越来越大 1 6 - 1 s l 。与传统焊接工艺以及传导型激光焊接相比，激光深熔焊可以 得到更高深宽比的狭焊缝和窄的近缝热影响区在这方面只有电子束焊接才能与 之相比而激光焊接所要求的工作条件又远比电子束焊接宽松，在大气条件下即可 进行。 激光焊接实际上已取得了电子束焊接2 0 年前的地位，成为高能束焊接技术 发展的主流。 1 2 2 激光焊接的优点 激光焊接具有以下优点： ( 1 ) 熔深大，速度高，单位时间熔化面积大，是一种高效的焊接方法。 ( 2 ) 焊缝深宽比大， l f l e d , ，热影响区小，焊接变形小，特别适合精密、 热敏感部件的焊接，常可以免去焊后矫形等加工工艺 ( 3 ) 一般不加填充金属，如用惰性气体保护，则焊缝不受大气污染。 ( 4 ) 激光焊与电子柬焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生x 射 线。 ( 5 ) 由于激光加热范围小，加工过程所输入工件的热量小，热影响区小， 残余应力和热变性小。 ( 6 ) 可以进行精细加工，焊接后不需或只需少量整形加工，从而降低成本。 1 3 激光焊接过程中出现的问题 激光焊接过程本身就是一个非常复杂的加工过程，尤其是激光深熔焊，体现 北京工业大学工程硕士学位论文 在激光与材料相互作用的复杂性以及加工质量和加工过程稳定性影响因素的多 样性上( 如激光器光束质型1 9 - 2 3 、光束传输与聚焦系纠2 3 五6 】、材料的热物理参数 和加工工艺参数2 7 0 8 】等) 。具体说来，包括材料对激光的吸收、材料的固态加热 及相变( 熔化、等离子体的形成及其在激光能量祸合和传输过程中的作用、小孔 内材料蒸汽和熔池内液态材料的流动、材料热物理参数的变化、小孔的稳定性、 熔池表面的变形以及各种焊接工艺参数对焊接质量的影响等诸多方面。而且激光 焊接产生气孔、热裂纹，激光焊接焊缝成型问题、激光焊接焊缝强韧性问题、激 光焊接应力变形问题、激光焊接激光能量耦合问题等都将会大大影响激光焊接过 程中的焊缝质量，并直接影响到冷轧生产的稳定性，为后续生产带来严重影响。 深熔焊过程产生的金属蒸汽和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小 孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一 般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效 果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子 体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规 范及焊缝质量之间的关系，具有十分重要的理论意义和实用价值。 本项目正是从上述所提到的激光焊接中出现的问题出发，研究热轧板激光深 熔焊过程中出现的气孔、热裂纹等产生的原因、原理，针对宝山钢铁公司冷轧厂 1 4 2 0 激光焊机在低碳热轧板激光焊缝出现的集中气孔进行研究分析，研究了一 些因素对气孔和热裂纹的影响，并提出合理的方案。并研究了激光焊接焊缝成型 问题、激光焊接焊缝强韧性问题、激光焊接应力变形问题、激光焊接激光能量祸 合问题，针对研究结果提出了合理的解决方案。 1 4 本论文主要研究内容 1 4 1 热轧板激光焊接气孔产生和防止的研究 在激光焊接中，焊缝中出现的气孔却仍然是一个重要的焊接性问题，对激光 焊接接头的质量有很大的影响。对激光焊接过程中气孔的产生和防止的研究不但 具有理论意义，更具有很强的经济效益。 第一章绪论 1 4 2 激光焊接热裂纹产生与防止的研究 在低碳钢的激光焊接中，由于激光能量集中，焊接熔池体积小、热影响区的 宽度极小，而焊缝的晶粒有又比常规焊接工艺的晶粒细小的多，所以近缝区的液 化裂纹及接头区的多边化裂纹并不明显，只有焊缝区的结晶裂纹是在焊接过程中 存在的比较明显的缺陷。因此，本报告的主要内容将主要对激光焊接的结晶裂纹 进行研究和讨论。 1 4 3 激光焊接焊缝成型问题的研究 激光焊接过程中对焊缝成形的影响因素是比较多的，但是影响最大的几个因 素可归纳为材料参数( 主要是液态金属的流动性和表面张力的大小) 、工艺参数( 主 要是加工速度与激光功率密度) 和吹保护气体的方式。而对焊缝成形最直接的影 响为吹保护气体的方式。本章分析了侧吹气和同轴吹气对焊接过程中液态金属流 动的影响，从实验中得到了验证。理论分析和实验表明，同轴吹气比侧吹气的效 果好。所设计的同轴吹气装置在1 4 2 0 激光焊机上得到了验证，获得了满意的结 果。 1 4 4 激光焊接焊缝强韧性问题的研究 焊缝金属的力学性能是影响接头使用可靠性的基本性能，而其中强度与韧性 又是最关键的考核要素，特别是对结构钢接头更为重要，常常成为对工程材料研 究中的重要问题。通过研究分析得出，对在宝钢的生产线来讲，为了克服上述问 题，应该通过调整焊接工艺，适当加大线能量，例如适当放慢焊接速度，来降低 焊缝的硬度以满足实际生产的需求。 1 4 5 激光焊接应力变形问题研究 与其他焊接方法相比，激光焊接具有速度快，热影响区范围小，焊缝较硬的 优点，由于金属对激光光波反射强烈，而非金属则易于吸收，杂质吸收热量而汽 化逸出，净化了焊道。激光焊接焊缝深宽比大，加热范围小，焊接速度高，因而 北京工业大学工程硕士学位论文 激光焊接冷却极快，与常规焊接方法相比较，具有残余应力和变形小的优点。本 研究针对1 4 2 0 激光焊机焊接特点，从理论和试验方面研究1 4 2 0 激光焊机焊接时 的应力变形，并分析其对后续工艺过程的影响，以判断是否应该进行激光焊接应 力变形的后处理，以及不进行后处理是否合理。 1 4 6 激光焊接激光能量耦合问题研究 1 4 2 0 激光焊接采用的激光深熔焊，具有能量耦合效率高的优点。材料的表 面状态、激光光束的横截面强度分布、焦点位置、激光光致等离子体等都影响到 激光能量耦合到工件上。获得稳定的激光能量耦合是非常重要的，这直接影响到 激光焊接质量的稳定性。本研究从理论和试验角度分析工件表面状态、激光光束 情况和光致等离子体对激光能量耦合的影响，从而获得最高能量耦合效率的激光 焊接。 第二章热轧板激光焊接气孔产生和防止的研究 第二章热轧板激光焊接气孔产生和防止的研究 2 1 前言 在焊接生产过程中遇到的气孔问题是十分普遍的，目前采用焊接工艺加工的 材料，从碳钢到高合金钢，以及有色金属材料等在一定的条件下都有产生气孔的 可能。但是，在激光焊接中，焊缝中出现的气孔却仍然是一个重要的焊接性问题， 对激光焊接接头的质量有很大的影响。与传统的电弧焊相似，在激光焊接的焊缝 中也存在表面和内部两类气孔。由于气孔不但可能诱发焊缝内部的裂纹、引起局 部的应力集中，而且较多的气7 l 聚集还减小了焊接接头的有效承载面积，因此导 致焊接结构件在承载过程中或使用过程中产生宏观裂纹甚至断裂。同时，也可能 导致在流水线上连续生产的焊接接头产生低应力断裂，例如热轧板在酸洗工艺过 程中，在连接多个轧板卷的激光焊缝部位因气孔所产生的断裂。所以，对激光焊 接过程中气孔的产生和防止的研究不但具有理论意义，更具有很强的经济效益。 下面首先就碳钢激光焊接时的气孔作一般性的描述，而后就热轧板的激光焊接中 出现的气孔作具体的分析。 2 1 1 气孔产生的原因 对于不同加工工艺来说，产生气孔的原因有其共性，也有因不同的加工工艺 特点而带来的特殊性。就材料的激光焊接而论，其气孔的产生主要有以下几个原 因： 金属材料表面存在油、锈、水及氧化铁皮等杂质； 在熔池的冶金反应中所产生的不溶于金属的气体c o 和h 2 0 ： 金属表面氧化膜进入熔池受热分解： 对焊接熔池保护不好，致使空气进入熔池； 激光深熔焊接过程中小孔的闭合与熔化金属的凝固不协调而产生的孔洞。 就气孔形成的根本原因而言，主要是因为高温时金属溶解了较多的气体( 如 氢、氮) ；另外，在进行冶金反应时熔池内又产生了相当多的气体( 如c o ，h 2 0 ) ， 北京工业大学工程硕士学位论文 这些气体在焊缝结晶过程中来不及逸出时就会产生气孔。 2 1 2 气孔的形成机理 在碳钢的激光焊接过程中，容易出现的气孔主要有三种，即：氮气孔、氢气 孔和c o 气孔。 2 1 2 1 氮气孔 焊接区周围的空气是氮气孔形成的主要来源，如果对焊接熔池保护不好，空 气中的氮就会进入高温熔池。氮可以和铁形成稳定的氮化物，也可以溶解在铁中。 氮在金属熔池中的溶解反应为： n 2 = 2 m 氮在铁中的溶解度曲线如图2 1 所示。 1江一一 ， 确 ， 沙 、 t i i n ， t i 一 1 i i 1 ， l 7 ( ， 图2 - 1 氮和氢在铁中的溶解度曲线p n 2 + p 金= l o l k f a ( 1 a t m ) 由图1 1 可以看出，氮在铁中的溶解度随温度的升高而增大，当温度为2 2 0 0 时，氮的溶解度达到最大值4 7 c m 3 1 0 0 9 ，而当液体铁凝固时，氮的溶解度则成 倍降低。这时过饱和的氮以气泡的形式从熔池向外逸出，当焊缝金属的结晶速度 曲。igv一三一z一 第二章热轧板激光焊接气孔产生和防止的研究 大于它的逸出速度时，就会在凝固的焊缝金属中产生气孔。一般氮气孔出现在焊 缝表面上。 2 1 2 2 氢气孔 氢气孔的来源主要是油、锈、水分解而产生的h ，水包括杂质水，也包括结 晶水。 铁锈是钢铁腐蚀以后的产物，它的成分为m f e 2 0 3 n h 2 0 ( f e 2 0 3 2 8 3 2 8 ， f e o 。5 7 ，h 2 0 * 1 0 7 0 ) 。可以看出，铁锈中含有较多的结晶水，结晶 水受热分解会使熔池金属析出大量的氢，。加热时，铁锈将进行下列反应： 3 f e 2 0 3 = 2 f e 3 0 4 + o 2 f e 3 0 4 + h 2 0 = 3 f e 2 0 3 + h 2 f e + h 2 0 = f e o + h 2 铁锈中的结晶水( h 2 0 ) ，在高温时分解出氢，从而增加了生成氢气孔的可 能性。 氢在铁中的溶解度曲线如图1 所示，由于高温时氢在熔池中的溶解度很高， 吸收了大量的氢气。当冷却时，氢的溶解度急剧下降，特别是从液态转为固态的 高温6 铁素体时，氢的溶解度可从3 2 m l 1 0 0 9 降至1 0 m l 1 0 0 9 。而焊接熔池冷却 很快，氢来不及逸出时，就会在焊缝中形成气孔。氢气孔可出现在焊缝表面，也 可以出现在焊缝内部。 2 1 2 3c o 气孔 铁锈中含有较多的是f e 2 0 3 ( 铁的高级氧化物) ，对熔池金属有氧化作用， 加热时，铁锈进行的上述反应由于增加氧化作用，在结晶时就会促使生成c o 气 孔。 此外，在钢板上的氧化铁皮( 主要是f e 3 0 4 ，少量f e 2 0 3 ) 虽无结晶水，但 对产生c o 气孔还是有较大的影响。所以，在生产中应尽可能清除钢板上的铁锈、 氧化铁皮等杂质。 碳钢进行焊接时，由于冶金反应也会产生大量的c 0 ，例如 北京工业大学工程硕士学位论文 【c l + 0 1 2 c o 【f e o i + c 2 c o + f e m n 0 + 【c 】2 c o + m n s i 0 2 + 2 c 。2 c o + s i 我们知道，c o 不溶于金属，所以在高温时冶金反应所产生的c o 就会以气 泡的形式从熔池中高速逸出，如果能够全部逸出熔池就不会在焊缝中形成气孔。 但是，当热源离开以后，熔池开始结晶时，由于铁碳合金溶质浓度偏析的结果( 即 先结晶的较纯，后结晶溶质浓度偏高，杂质较多) ，可使熔池中的氧化铁和碳的 浓度在某些局部地方偏高，有利于进行下列反应： 【f e o 】+ 【c 】= c o 十f e 因结晶时，熔池金属的粘度不断增大，此时产生的c o 就不易逸出，很容易 被围困在晶粒之间，特别是在树枝状晶体凹陷最低处产生的c o 更不易逸出。另 外，这种反应是吸热过程，会促使结晶加快，因而由c o 形成的气泡来不及逸出 时便产生了气孔。 2 1 3 本研究报告主要内容 本报告的主要内容是针对宝山钢铁公司冷轧厂1 4 2 0 激光焊机在低碳热轧板 图2 - 2 热轧板激光焊缝出现的集中气孔 激光焊缝出现的集中气孔进行研究分析。气孔形貌如图2 2 所示，为存在于焊缝 表面的连续气孔。 9 - 第二章热轧板激光焊接气孔产生和防止的研究 2 2 实验材料与设备 2 2 1 实验材料 实验材料为宝钢冷轧厂1 4 2 0 激光焊机生产中实际使用的低碳钢热轧板，钢 板厚度为2 m m ，板面复盖有均匀致密的氧化铁皮，其厚度为5 0 1 0 0pm 。 实验中所用的保护气体为心气，采用同轴保护方式进行激光焊接。 2 2 2 实验设备 实验在t r u m p f 公司的t l f 一6 0 0 0 射频激励的快速轴流c 0 2 激光器及五轴联 动加工机床进行。如图1 3 所示。激光器最高激光功率6 k w ，模式为t e m0 1 + 。 采用焦距为2 7 0 m m 的旋转抛物铜镜聚焦，离焦量a f = 0 。 2 3 实验结果与分析 图2 - 3t l f 6 0 0 0 t 激光器照片 针对钢铁公司实际工作现场情况，结合碳钢激光焊接时气孔的产生机理，设 计了如下多种实验条件下的激光焊接： 北京工业大学工程硕士学位论文 无保护气体的激光焊接 不同保护气流量下的激光焊接 试板表面有油时的激光焊接 试板表面有水时的激光焊接 试板表面同时存在水及无保护气时的激光焊接 在上述实验条件下，通过改变激光焊接工艺参数，研究分析了热轧板气孔的 产生与控制。并且采用s e m 及e d a x 对气孔壁的成分进行了分析。 2 3 1 无保护气体的激光焊接 无保护气体的激光焊接模拟的是激光焊接时保护气对高温熔池保护不好时 的现场情况，具体实验参数及实验结果如表2 - 1 所示，焊缝表面形貌如图2 4 所 示。 表2 - 1 实验参数及实验结果 序 功率，焊接速度保护气流量 备注 l - l4 2 0 061 5 小气孔 1 24 小气孔 1 32焊透、大气孔 1 45 4 0 06多中尺寸气孔 1 54焊透，多中尺寸 1 62焊透、大气孔 从表2 1 可以看出，在板厚为2 m m 的情况下，当采用4 2 0 0 w 激光功率时， 只有2 m m i n 的速度才可焊透，而当采用5 4 0 0 w 时2 - 4 m r a i n 的焊接速度均可焊 透。但是从图2 - 4 显示的焊缝表面形貌照片来看，气孔也出现在本实验中的每条 焊缝表面，并且从实验条件及气孔形态分析，应为氮气孔。 因为在无保护气的情况下，高温熔池金属会大量地吸收氮气。在氮的饱和过 程中熔池会起泡沸腾，而熔池中氮的沸腾就是在焊缝金属中形成气孔的原因。氮 的沸腾机理可能是以下列形式进行的。表层中含有超过其标准溶解度的高浓度氮 的个别金属体积，通过对流被带到熔池深处，在这里便发生相当大的局部过饱和， 以致造成氮以独立相的形式析出，即造成气泡胚的形成和成长。氮在熔池上部达 第二章热轧板激光焊接气孔产生和防止的研究 到高浓度和被氮过饱和的一些金属由上层降入熔池深处是氮开始沸腾的必要条 件。显然，熔池上部被氮过饱和越快，亦即无保护气状态，这些层中的含氮量与 其标准溶解度之间的差别越大，熔池中的对流越强烈，达到开始沸腾时间的周期 也就越短，氮气孔出现的也就越多。 图2 4 无保护气体的激光焊缝表面形貌 一般地讲，熔池起泡沸腾与凝固过程无关，而决定于从空气中吸收的氮气沿 熔池体积的不均匀分布和因此而产生的局部过饱和。 另外，在电弧焊的实验中，通过拉长电弧超过某一范围后( 按其电压来评定) 招致低碳钢焊缝金属产生气孔的阈值数据也表明，在焊缝金属中产生气孔的原因 是氮，而不是空气中的氧，实验数据如表2 2 所示。该数据显示，用纯氮气作附 北京工业大学工程硕士学位论文 加保护气时，产生气孔的临界电弧电压最低，而采用7 9 氮气+ 2 1 氧气( 空气) 作保护气时产生气孔的临界电弧电压还有所提高，即用纯氮气作附加保护气时在 焊缝金属中产生气孔的倾向最大。 表2 - 2 拉长电弧时焊缝金属中的气孔倾向 焊接条件 临界电弧电压 ( v ) 在空气中 3 3 3 5 用氮附加保护 2 6 3 2 用c 0 2 保护 4 2 用a r 气保护 4 2 无保护气状态的实验表明，气孔的大小及分布趋势具有明显的规律性： 从图2 - 4 焊缝1 3 的形貌来看，在4 2 0 0 w 的激光功率下，在2 - 6 r r d m i n 的 焊速下，气孔的密集度相似，但气孔的尺寸大小随焊接速度的提高显著增大。当 采用6 r n m i n 速度时，气孔直径只有o 2 0 5 m m ：而当采用2 m m i n 的速度进行焊 接时，气孔直径则急剧增大为1 1 5 m m 。这主要是因为当采用2 m m i n 的较慢焊 速时，焊接熔池存在时间将明显比6 m m i n 的长，同时，由图中显示焊缝表面鱼 鳞纹可见，2 m m i n 焊速下的熔池体积也比6 m m i n 时明显加大。因此空气中的氮 气与液态熔池的作用时间将更长，随着焊接过程中熔池的流动进入液态熔池的氮 气将显著增多，聚集并形成较大尺寸的气孔。 从图2 - 4 焊缝4 - 6 的形貌来看，在5 4 0 0 w 的激光功率下，在4 - 6 m m i n 的 焊速时气孔的集密度也是相似的，但比4 2 0 0 w 时气孔密集度显著变大，几乎形 成了沿焊缝长度方向的连续的密集气孔带。而气孔的尺寸则随功率的增大也明显 加大，气孔尺寸为0 5 1 0 m m 。这主要是因为在相同的焊速下，随激光功率的增 大，熔池的冶金反应程度和流动速度都明显加剧，入侵的空气同时还加剧了熔池 的搅动，更多的氮气被裹进了熔池，从而形成密集的气孔带。在2 m m i n 的焊速 下，气孔数量减少，但气孔直径明显变大，为1 0 1 5 m m 。这主要因为在热轧板 被焊透的情况下，气化小孔的深度贯穿于整个板厚，受入侵空气的强烈影响，氮 气更容易聚集，同时由于焊缝宽度变大也为气孔的聚集长大提供了更大的空间。 第二章热轧板激光焊接气孔产生和防止的研究 2 3 2 不同保护气流量下的激光焊接 不同保护气流量下的激光焊接模拟的是对焊接熔池提供不同程度保护情况 下的焊接。具体实验参数及实验结果如表3 所示，焊缝表面形貌如图1 - 5 所示。 表2 - 3 实验参数及实验结果 序功焊接速度保护气流备 注 7 15 4 065小气孔 7 2l o小气孔 7 31 5 小气孔 7 - 42 0 小气孔 7 52 5 小气孔 7 63 0偶尔小气孔 图2 5 不同保护气体流量的激光焊缝表面形 北京工业大学工程硕士学位论文 由图2 5 可以看出，在5 4 0 0 w 的激光功率、焊接速度为6 m m i n 的焊速下， 当保护气流量为5 3 0l m i n 时，焊缝表面均有气孔产生，而在3 0l m i n 的保护 气流量时则焊缝表面的气孔处于临界状态，多次试验结果显示，气孔仅偶尔出现 在如图所示的焊缝表面。这说明，在本实验条件下，即热轧板的激光焊接使用小 于3 0l m i n 的气体保护是不充分的，只有当保护气流量 t 3 0l m i n ，才能确 保在6 m m i n 的焊速下对焊接熔池的安全保护，使其不受周围空气的有害影响。 2 3 3 试板表面有油时的激光焊接 实验时在试板表面均匀涂上黄油膜，而后进行激光焊接，用于模拟实际生产 中的相似情况。焊接时采用氩气进行保护。具体实验参数及实验结果如表2 - 4 所 示，焊缝表面形貌如图2 - 6 所示。 表2 - 4 实验参数及实验结果 序功焊接速度保护气流备注 5 15 4 061 5 有小气孔 5 24 有密集小气 5 32透、有大气 图2 - 6 带有油膜的试板激光焊缝表面形貌 由图2 - 6 的焊缝l 至焊缝3 的表面形貌可以看出，在激光功率为5 4 0 0 w 的 第二章热轧板檄光焊接气孔产生和防止的研究 情况下，气孔的直径随焊接速度的降低而增加，当焊速从6 m m i n 降至2 m r a i n 时，气孔直径从0 2 0 4 m m 增加至1 0 1 5 m m ，其增加幅度与无保护气时相当。 从工作环境分析，此时的气孔应该是氢气孔，氢气孔的来源是黄油膜在激光焊接 时的高温下分解产生。带有油膜的试板面在激光照射下，油膜受热瞬时气化，产 生大量气体连续不断地侵入熔池，在凝固过程中尚未逸出熔池的气体就形成了这 种开口于焊缝表面的宏观气孔。在激光功率不变的条件下，随焊速降低，熔池体 积加大，熔池的液态停留时间变长，熔池中的气孔倾向趋于严重。 2 3 4 试板表面有水时的激光焊接 实验时在试板表面均匀擦上水膜，而后进行激光焊接，焊接时采用氩气进行 保护。具体实验参数及实验结果如表5 所示，焊缝表面形貌如图2 7 所示。 表2 - 5 实验参数及实验结果 序功焊接速度保护气流备注 6 15 4 06 1 5 有小气孔 6 24 有小气孔 6 32 透、背面有 图2 7 带有水膜的试板激光焊缝表面形貌 由图2 7 所示焊缝表面形貌可以看出，在激光功率为5 4 0 0 w 的情况下，气 北京工业大学工程硕士学位论文 孔的直径随焊接速度的降低而增加，其6 m r a i n 及4 m m i n 焊速时的气孔直径与 试 图2 - 8 焊速为2 m m i n 时的焊缝背面照片 板表面有油膜时相似。图2 8 是焊速为2 m m i n 时的焊缝背面照片，对比图 2 7 及图2 - 8 可以看到，在焊速为2 m m i n 时，焊缝正表面没有出现气孔，但是在 焊缝的背后表面却出现了直径o 5 0 7 m m 的气孔，而且背后的成形极不均匀。这 可能是由于不稳定的凝固过程造成的一种比较特殊的情况。但是气孔直径增大的 趋势是相同的。 2 3 5 试板表面同时存在水及无保护气时的激光焊接 实验时在试板表面均匀擦上水膜，同时在无保护气的情况下进行激光焊接， 模拟生产现场可能出现的试板表面存在杂质的同时对熔池的保护欠佳的工作情 况。具体实验参数及实验结果如表2 - 6 所示，焊缝表面形貌如图2 - 9 所示。 表2 - 6 实验参数及实验结果 序 功焊接速度保护气流备注 6 4 5 4 0 61 5 有大气孔 6 54 有较多大气 由图2 - 9 所示焊缝表面形貌可以看出，在激光功率为5 4 0 0 w 时，气孔的直 径和密集度随焊速的降低呈明显增长趋势。当焊速为6 m m i n 时( 焊缝4 ) 气孔 直径为0 4 1 2 m m ，而焊速为4 m m i n 时( 焊缝5 ) 气孔直径已增为o 8 1 5 m m 。 进一步把此二条焊缝与图2 - 4 中的焊缝4 和焊缝5 相比，可以看到，其气孔尺寸 第二章热轧板激光焊接气 l 产生和防止的研究 及密集度都基本相同。由此可以得出在本实验条件下的一条结论，即在无保护气 体的情况下进行激光焊接，其热轧板焊缝中的气孔倾向要大大超过试板表面带有 水膜的试板。 图2 - 9 存在水及无保护气时的激光焊接焊缝表面形貌 2 3 6 热轧板激光焊接气孔的控制 参考3 2 节中的实验结果，为了试验存在氧化铁皮情况下的气孔控制最佳规 范，设计了如表2 7 所示实验，焊缝表面形貌如图2 1 0 所示。 表2 7 实验参数及实验结果 序功焊接速度保护气流备注 2 85 4 033 0 无气孔 8 7 43 0无气孔 8 _ 85 3 0有气孔 8 9 63 0有气孔 由图2 1 0 所示焊缝表面形貌可以看出，保持5 4 0 0w 的激光功率和3 0l m i n 保护气流量不变，采用3 - 4 m m i n 的焊接速度时可获得没有表面气孔的焊缝，而 采用5 - 6 m m i n 的焊接速度的焊缝则均有气孔产生。说明在本实验条件下， 5 6 r n m i n 的焊接速度，其熔池的凝固速度比3 - 4 m m i n 的要快，熔池中所吸附气 体来不及完全逸出从而在焊缝中形成了气孔。 北京工业大学工程硕士学位论文 图2 - 1 0 不同焊接速度时的激光焊缝形 2 3 7 热轧板激光焊接气孔内壁的成分分析 图2 1 1 是热轧板激光焊接气孔内壁的形貌及分析位置的s e m 照片及分析点 e d a x 谱线。表2 - 8 是气孔内壁的分析点成分。从谱线及分析点成分的组成 来看，热轧板激光焊接气孔内壁的主要成分是c 、o 、f e ，没有n 元素或因含量 太低无法显示。这说明氮并没有主要以化合物的形式存在，而是以分子氮的形式 形成了气孑l 。从而也说明分析点的组成是氧化物和碳化物为主。分析点成分1 显示，碳的成分百分率和母材的相似，而成分1 和成分2 的碳元素则降低较多， 这说明气孔中除了氮气以外，可能会有部分c o 气体混和其中。 表2 - 8 热轧板激光焊接气孔内壁的成分重量 cof et o t a l l1 5 9 03 4 6 84 9 4 l1 0 0 o o 24 0 92 6 5 76 9 3 41 0 0 0 0 33 8 12 6 0 37 0 1 6l o o 0 0 第二章热轧板激光焊接气孔产生和防止的研究 1 ie ： ii 3 i i ： ， f h l ， v r 断t 一，i i - l 一。： 一j ；。f i 一；一；一i ；i 。 一i i f 1 ；。主。l i a 。稿 1 j s 0 - 1 1 8 d k e v、 s 哺2 ，d i vm s 0 _ 翩m v 图2 一1 1 热轧板激光焊接气孔内壁的s e m 形貌及分析点e d a x 谱线 2 4 结论 通过以上实验及分析，可以得出以下结论 ( 1 ) 在钢表面有氧化铁皮存在的条件下，激光焊缝中存在严重的气孔倾向； 但在不同的环境条件下，形成气孔的介质不同。当无保护气或保护不良时是以氮 气为主( 可能包括少量的c o ) 引起的气孔；当采用一定流量氩气保护时，是以 冶金反应析出的c o 形成的气孔或析氢反应生成的气孔。 ( 2 ) 在本实验条件下，气孔生成的倾向：以无保护气体时为最严重，试样 表面存在油膜和水膜时气孔倾向相似； ( 3 ) 在本实验条件下，只在保护气流量3 0 l m i n ，并且焊接速度3 - 4 m m i n 北京工业大学工程硕士学位论文 时，试样焊缝表面才可以避免产生气孔倾向。 ( 4 ) 气孔的控制应以加强对熔池的保护为主，同时要控制冶金反应中的气 体，以及消除产生气体的试样表面污物等。 ( 5 ) 从根本上考虑，应尽可能减少气体数量和降低熔池金属中的气体过饱 和度，以使气泡难以形成。即使能形成气泡，也不易达到临界尺寸，则可从根本 上防止产生气孔。 第三章激光焊接热裂纹产生与防止的研究 第三章激光焊接热裂纹产生与防止的研究 3 1 前言 热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，从材料的角度讲，一般常用的低 碳钢、低合金钢，到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能； 从焊接工艺方法的角度讲，无论是电弧焊、电子束焊还是激光焊，也都有产生热 裂纹的可能。 热裂纹是在焊接时高温下在焊接接头中产生的，故称热裂纹，它的特征是沿 原奥氏体晶界开裂。根据所焊金属的材料不同( 低合金高强钢、不锈钢、铸铁、 铝合金和某些特种金属等) ，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不 同。因此，就目前的认识水平，又把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂 纹等三大类。 结晶裂纹 焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足， 不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。多数情况下，在发 生裂纹的焊缝断面上，可以看到有氧化的彩色，说明这种裂纹是在高温下产生的。 结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝( 含硫、磷、碳、硅 偏高) 和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。个别情况下，结晶 裂纹也能在热影响区产生。 高温液化裂纹 近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金 属含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开 裂。 液化裂纹主要发生在含有铬镍的高强钢、奥氏体钢、以及某些镍基合金的近 缝区或多层焊层间部位。母材和焊丝中的硫、磷、硅、碳偏高时，液化裂纹的倾 向将显著增高。 多边化裂纹 焊接时焊缝或近缝区在囿相线稍下的高温区间，由于刚凝固的金属中存在很 北京工业大学工程硕士学位论文 多晶格缺陷( 主要是位错和空位) 及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度 和应力作用下，由于这些晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边界，即所谓“多 边化边界”。因边界上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的组织性能脆弱，高温时 的强度和塑性都很差，只要有轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生 所谓“多边