蔡文龙，张永康，刘健航，黎嘉杰

(1.广东工业大学，广州 510006；
2.广东雷锛激光科技有限公司，广东 佛山 528225)

传统的电弧焊工艺已经不适应现代社会发展，电弧焊的焊道表面会出现气孔、夹渣和裂纹的缺陷，尤其是海洋平台结构钢，由于海洋钻井平台恶劣的作业环境，会经常受到风浪的侵蚀，因此对海工钢的要求非常严格[1]。世界主要海洋国家都在加强海洋资源开发新兴装备的技术储备，而国内对海洋资源的开发主要集中在近海。深海的开发就需要深海石油钻井平台、海上风力发电平台等大型海工装备[2]。这些大型海工装备都坐落在深海里，根据海洋工程结构及腐蚀特点，一般将海洋腐蚀环境分为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海泥区5个区带[3]。每个区的腐蚀环境不同，所承受的疲劳强度也不同，例如海洋升降及安装平台分布在海洋大气区，会经常受到风力腐蚀，其下面的桩腿就会处在海水全浸区和海泥区，会受到海水的腐蚀。无论处在哪个区，其工作的抗疲劳性能都会逐年下降，因此复合焊是重要的修复方式，是海工装备快速发展的重要手段[4]。

自英国学者Steen[5]首先提出激光与电弧复合焊的概念以来，激光-电弧复合焊因具有激光、电弧两种热源焊接方式的优势，引发了各国研究机构对其研究的热潮。而脉冲激光电弧复合焊目前研究较少，低功率脉冲激光电弧复合焊在成本和能源消耗方面都占据着极大优势，是未来的重大发展趋势。上海机电学院张旺等人[6]研究了脉冲激光与脉冲GMAW复合焊的动态交互行为，结果表明，与连续激光+脉冲GMAW复合焊模式相比，脉冲激光+脉冲GMAW复合焊模式可以在激光平均功率较小的情况下获得更大的熔深。大连理工大学刘黎明等人[7-10]采用激光功率200 W，脉冲宽度3 ms激光器，进行低功率YAG激光-熔化极气体弧焊复合焊电弧等离子体行为研究，试验表明，低功率YAG 激光吸引、压缩 GMAW 电弧，提高电弧局部区域的电子温度至(15 400±900)K，电子密度至(1.265±0.101)×1 017 A/cm3，降低了GMAW热源输出电压，促进了焊接电弧等离子体局部热力学平衡(LTE)的建立。内蒙古民族大学赵华洋[11]以低功率YAG激光-MAG电弧复合热源和单脉冲MAG焊接不锈钢为基础，对低功率激光复合焊中的一些特点进行了初步研究，试验结果表明，低功率复合热源和单MAG焊缝组织都是由奥氏体和枝状的δ-铁素体组成，但在同样的焊接熔深下复合焊组织晶粒比单MAG焊缝中的晶粒细小[12]。

目前大多数的激光电弧复合焊均是两种热源进行耦合[13]，虽然增大了熔深和熔宽，抑制气孔和裂纹的形成，但由于较高的热输入，导致其焊接变形较大，不适宜长时间进行焊接，并且多数是由激光或者电弧引导[14]，分开进行多次焊接，其焊接工艺复杂，提高了焊接成本，造成资源的浪费[15]。而脉冲激光电弧复合焊研究较少，并且均是低功率脉冲激光与电弧复合焊，采用的脉冲宽度都是毫秒级别[16]。文中以E690海工钢为研究对象，采用激光锻造电弧复合焊修复工艺，利用纳秒脉冲宽度(目前纳秒脉冲宽度暂无人研究)，通过高功率密度激光冲击锻打，激光峰值功率密度达到1×109W/cm2量级，利用自身的力学效应，通过热力耦合方式，使其晶粒细化，并形成了“锻造态”微观组织，力学性能大幅度提高,由此形成了激光锻造电弧复合焊新工艺方法。

采用E690海工钢作为试验材料，焊接工件尺寸为150 mm×150 mm×20 mm，焊丝采用直径为φ1.6 mm的YD998高硬度耐磨焊丝，通过南通振康焊接机电有限公司生产的CO2/MAG送丝装置进行输送，制冷系统采用深圳市东露阳实业有限公司生产的型号为DIC004ASL-LB2激光冷水机，在焊接过程中需要释放冷水，避免焊枪由于温度过高而烧坏。保护气体选择佛山市南海鸿泰气体有限公司生产的Ar(80%)+CO2(20%)混合气体。母材和焊丝化学成分见表1，电弧焊接工艺参数见表2。

表1 材料化学成分(质量分数，%)

表2 电弧焊接工艺参数

将焊接工件打磨干净，进行切槽，试验采用U形槽焊缝形式，U形槽间隙为槽宽4 mm，槽深5 mm。大多数研究人员都是选择V形槽进行复合焊，V形槽焊接较U形槽焊接容易，并且对于宽间隙焊缝进行多层多道焊接，而试验通过一次性激光锻造与电弧焊同步工作，分别进行单层单道电弧焊、单层单道激光锻造电弧复合焊，因此具有重大的研究意义。焊接系统采用自行设计组装的自动焊接数控系统，该系统可以进行水平焊接与旋转焊接，可以调节焊接电流、电弧电压与送丝速度。电动机驱动滚动丝杠向前移动，手动将焊枪移至工件附近处，通过焊接系统的自动调节按钮对工件与焊枪距离进行精准定位。激光锻造系统由2台脉冲激光器、导光臂及支架组成。通过改变脉宽、激光功率和频率来调节脉冲激光器能量大小，工作模式为短脉冲模式。聚焦镜片焦距f=200 mm，激光频率为0～10 Hz，激光功率为0～100 W，脉冲宽度为8 ns。试验设备参数见表3。

表3 脉冲激光器参数

在焊接试验前，通过调节脉冲激光器的导光臂可以任意选择激光冲击锻打方向。调节两侧激光器的红外光点，使之在焊缝处重合，同时在同一水平线上并垂直于工件与焊枪，设置激光光源距离焊枪水平方向3 mm处。由于激光引导电弧产生的焊缝成形质量差，刘黎明等人[10]研究电弧引导激光的复合焊缝具有更好的微观结构和力学性能，所以激光被放置在电弧之后，也可以用较小的激光功率，以更高的焊接速度实现激光-MIG电弧复合焊的大间隙对接焊，从而降低激光能量，节约成本。

激光锻造电弧复合焊修复方法采用脉冲激光与电弧同时作用在焊缝熔池内，在熔池固液共存的状态下，采用8 ns脉冲宽度的高功率密度脉冲激光束对电弧焊的熔池进行激光冲击锻打。目前还未有采用纳秒级脉宽与电弧复合焊的研究，这也是该方法与其他脉冲激光电弧混合焊接方法的不同之处，通过两者的热力耦合作用细化晶粒，增强其力学性能，进一步增大熔深和熔宽，提高焊缝质量。上述试验完成后，沿工件的横截面每10 mm切割一个试样，采用镶嵌试样机进行镶嵌，再通过研磨机进行研磨和抛光。采用4%的硝酸酒精腐蚀样品焊缝截面，通过显微镜观察其金相组织。

如图1所示，由电弧引导激光进行焊接，第一束电弧通过喷射过渡进行焊接，与此同时，第二束(第三束)短脉冲激光(脉冲能量2 J，脉冲宽度10 ns)直接作用在高温的熔池表面，熔池表层吸收激光束能量后汽化电离形成冲击波，利用脉冲激光诱导的冲击波(激光峰值功率密度达到1×1012～1×1013W/cm2)对固液共存的高温熔池锻造区进行激光冲击锻打。电弧焊工艺参数与激光锻造参数相互约束与协同，通过电弧与激光束两者或三者在熔池内的协同作用，直至焊接完成。

图1 激光锻造电弧复合焊示意图

2.1 电弧焊对气孔的影响

焊接电流和电弧电压是影响焊缝成形的重要因素。单层单道电弧焊焊道表面形貌如图2所示。当未加激光时，电弧焊会产生较多的气孔、裂纹和未熔合。根据焊接工件的长为150 mm，设置初始速度为140 mm/min，电弧电压和焊接电流分别为35 V和90 A，焊道表面形貌如图2a所示。由于速度过快，电弧电压及焊接电流过小，产生了焊道不连续现象，并产生较多飞溅，因此在减小焊接速度的同时，微调电流和电压，当焊接速度为132 mm/min，电流和电压分别为108 A和40 V，焊道表面形貌如图2b所示，与图2a对比，焊道表面完整平滑，但仍会有气孔出现。保持焊接速度和电弧电压不变，再次增大焊接电流时，焊道表面形貌如图2c所示，虽然出现气孔较小，但气孔增多并且产生凹坑，由于电流过大形成堆焊，导致焊道表面过高，而且会产生焊瘤。

图2 单层单道电弧焊焊道表面形貌

因此单一的电弧焊最佳工艺参数为焊接电流108 A，电弧电压40 V，焊接速度为132 mm/min，焊接电流和电弧电压曲线如图3和图4所示。虽然表面平滑，但单一的电弧焊没有解决气孔及裂纹缺陷问题。

图3 电弧焊焊接电流曲线

图4 电弧焊电弧电压曲线

2.2 单光束激光锻造电弧复合焊对气孔的影响

未加激光的电弧焊都存在气孔及未熔合缺陷，因此激光锻造电弧复合焊改善了电弧焊的缺陷，为复合焊的发展奠定了基础。

通过电弧焊试验可以得出单一的电弧焊修复存在一定的缺陷，包括气孔、裂纹及未熔合，因此在电弧焊的基础上增加一束脉冲激光束，由电弧引导，试验前调节聚焦镜片，激光光源距离焊枪水平距离3 mm。调节激光波长为532 nm，能量为500 mJ，频率为10 Hz。采用打磨机对待焊母材正背面两侧各20 mm范围内进行打磨，去除铁锈、有机物及杂质，再用丙酮清洗表面的氧化膜。在同一熔池内进行单光束激光锻造电弧复合焊修复，对修复焊缝进行硬度、残余应力、3D形貌和微观组织检测。

焊接速度不变情况下，焊接电流和电弧电压为108 A和40 V，分别采用电弧焊和激光锻造电弧复合焊两种焊接方法对焊缝进行修复，从图5中可以看出，在相同焊接电流、电弧电压和焊接速度时，电弧焊的焊道表面存在很多气孔(图5a)。而在相同参数下，激光锻造电弧复合焊的焊道表面接近平滑(图5b)，两个截面形貌也可以说明激光与电弧相互耦合，起到了减少气孔的作用。

图5 单层单道焊道形貌对比

采用型号为Olympus4100的激光共聚焦显微镜分别对电弧焊和单光束激光锻造电弧复合焊横截面的气孔进行3D形貌测量，图6和图7为两种焊接方法的气孔深度3D形貌测量，通过上下移动红线，下方会显示气孔的长度、宽度和高度，经过测量每个气孔的大小和深度后，电弧焊和单光束激光锻造复合焊均产生两个气孔，气孔大小及深度均保持一致。气孔的深度通过激光共聚焦显微镜拍摄并用LEXT软件可以测出深度，电弧焊两个气孔深度分别为309.093 μm和235.469 μm，从颜色也可以清晰看出电弧焊气孔较深，而激光锻造复合焊的气孔深度仅为116.181 μm和45.813 μm，大小和深度均在减小，由于激光束和电弧的热力耦合作用，利用自身的力效应，增大了残余压应力。虽然单光束激光锻造复合焊可以减小气孔的大小和深度，但由于能量较小而不能完全抑制气孔的产生。

图6 电弧焊气孔深度

图7 单光束激光锻造电弧复合焊气孔深度

2.3 双光束激光锻造电弧复合焊对气孔的影响

为了更好地进行复合焊修复试验，增加激光能量的输入，加入第二束激光束，形成双光束激光锻造电弧复合焊修复试验，在工件的两侧均加入一束脉冲激光，形成轴对称结构，也避免了熔池倾向一侧的情况，增加了复合焊修复的稳定性。

通过单光束激光锻造电弧复合焊修复试验可以看出，焊缝处的余高较高，余高过高会对焊趾产生应力集中，经过调节，将初始焊接电流和电弧电压设置为10 A和20 V，焊接速度为135 mm/min，第二束激光同样设置为激光波长532 nm，能量500 mJ，脉冲宽度10 Hz，两光束对称设置，两个导光臂角度相同，激光光源分别重合于熔池内部。从图8可以看出，设置大电流焊丝顶部会产生焊瘤，因此在焊道末端会产生孔洞和焊瘤，而调节到小的电流和电压，焊丝无残留焊渣，在减小余高的同时，也减小了焊接变形和飞溅。从图9和图10可以看出，通过加入激光冲击锻打，无论是单光束冲击锻打还是双光束冲击锻打所需的电弧电压和焊接电流都比电弧焊时小，并且加入双光束锻造的焊接电流和电弧电压最小，焊接电流和电弧电压范围在60～78 A和28～43 V，电弧焊和单光束激光锻造复合焊电弧电压相差不大，焊接电流减小至电弧焊的二分之一。

图8 焊丝端部

图9 复合焊工作电流

图10 复合焊工作电压

图11为同一双光束激光参数相同时，仅改变电流和电压值，采用激光共聚焦显微镜拍摄焊道的横截面，并测量余高最顶部与两端焊趾连线的中点之间距离。图11a为焊接电流和电弧电压平均值分别为108.75 A和40.15 V，余高为4.617 mm；
图11b为焊接电流和电弧电压平均值分别为70.25 A和33.58 V，即图9和图10的平均值，余高为3.073 mm，由此可看出，随着焊接电流与电弧电压的减小，余高也逐渐减小。

图11 不同电流和电压余高形貌

焊接速度为135 mm/min，焊接电流和电弧电压分别为70.25 A和33.58 V，研究双光束激光锻造电弧复合焊对焊缝成形的影响，通过比较电弧焊、单光束激光锻造电弧复合焊和双光束激光锻造电弧复合焊三者的3D形貌、硬度、残余应力和金相组织分析双光束焊接的优劣势。3种焊接修复方式的焊道表面和截面形貌如图12所示。

图12 3种焊接修复的焊道形貌

从图13的3种焊接方法气孔高度形貌可以看出，电弧焊产生的气孔即多又深，两个较深气孔分别为221.526 μm和240.007 μm，而加了单光束的电弧复合焊减少气孔的产生，但不能完全抑制气孔，产生了小气孔，最大深度仅为140.131 μm，气孔大小和深度都减小，而同一参数下，双光束激光锻造电弧复合焊无气孔产生，可以完全抑制气孔的出现，焊缝表面光滑平整。

图13 截面气孔高度形貌

为了证明双光束焊效果，将电流改成大电流，即焊接电流和电弧电压平均值分别为108.75 A和40.15 V。将电弧焊与双光束激光锻造电弧复合焊进行对比分析，截面形貌如图14所示。从图14可以看出，电弧焊气孔较多，而双光束激光锻造电弧复合焊完全抑制了气孔产生，焊缝截面平滑完整。由于抛光之后的表面形貌熔合线不是非常清晰，因此采用4%的硝酸酒精溶液对表面进行腐蚀，腐蚀后的截面形貌如图15所示，可以清晰地看出焊缝区、熔合区及热影响区。

图14 双光束复合电弧焊截面形貌

图15 截面腐蚀后形貌

图16～图18分别为电弧焊、单光束激光锻造电弧复合焊以及双光束激光锻造电弧复合焊分别在焊缝区、热影响区和母材区硬度测试曲线。从图中可以看出，无论是焊缝区还是热影响区、母材区，双光束锻造复合焊的效果是最佳的，平均值分别达到843.8 HV，278.9 HV和277.1 HV，与电弧焊相比，增长了13%，10.6%和8.6%。因为双光束激光光源直接与焊缝区直接接触，焊缝的熔合区是焊丝与母材的结合，因此需要更高的力学性能，焊丝同为高硬度耐磨焊丝，因此焊缝区硬度较高，而热影响区和母材区是间接影响区，试样由外向内传递热量，该试验是两种力效应与热源的耦合，因此热影响区硬度差异小，因此3种焊接方法对母材区的硬度影响较小。

图16 焊缝区硬度测试曲线

图17 热影响区硬度测试曲线

图18 母材区硬度测试曲线

图19为3种焊接方法残余应力平均值曲线，从图中可以看出，3种焊接方法均为残余压应力，双光束的激光锻造电弧复合焊残余压应力最大。通过光学显微镜观察截面金相组织，从图20可以看出，电弧焊晶粒较大，并且处于叠加状态，无清晰的晶界线，加入激光光束后，晶粒在部分区域变小，由于能量不足，锻打不完全，双光束激光锻造的金相组织使得大部分区域晶粒变小，并且颗粒比较均匀，可以看到清晰的晶界线，与残余应力相互对应，也证明了激光锻造可以增加焊缝的残余压应力，细化晶粒，增加其力学性能。

图19 残余应力测试曲线

图20 焊缝金相组织

2.4 双光束激光波长对焊缝气孔影响

从上述试验中可以得出，双光束激光锻造电弧复合焊效果最佳，但激光波长也会影响焊缝成形，其他工艺参数均保持一致，两种波长截面形貌如图21和图22所示。

图21 波长532 nm截面形貌

图22 波长1 064 nm截面形貌

从图21和图22可以发现，波长532 nm的光束比波长1 064 nm光束熔合的更好，这是由于波长1 064 nm吸收率好，能量不足导致产生细微的裂纹，而电弧的熔池可以更好地吸收波长532 nm的能量，因此反射的能量减少，激光冲击锻打的效果变得更好。但两种波长都完全抑制气孔产生，这是由于增加了激光能量，对熔池的冲击锻打能力增强，增加残余压应力使焊丝与母材贴合紧密，形成一个光滑又完整的平面。

综上所述，双光束激光锻造电弧复合焊修复产生很好的抑制气孔的效果，但未熔合现象还需继续研究。

(1)通过电弧焊试验发现，焊接电流和电弧电压较大，焊接电流为108 A，电弧电压为40 V，热输入较高，产生许多气孔、裂纹及未熔合等缺陷，焊接变形较大。

(2)单光束激光锻造电弧复合焊经过热力耦合作用，在电流和电压值不变情况下，可以一次性焊接宽4 mm、深5 mm的焊缝，进一步增加了焊缝的熔深和熔宽，并且减少了气孔的大小和数量。

(3)双光束激光锻造电弧复合焊通过两种力效应和电弧的耦合，进一步减小焊接电流和电弧电压，平均值分别为70.25 A和33.58 V，减少热输入和焊接变形，可以抑制气孔的产生，但还有未熔合现象。该项试验也研究了激光波长对焊缝成形的影响，当两束激光波长均为532 nm，激光能量500 mJ，频率为10 Hz，焊道成形和力学性能最佳。

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