1 引言

哈氏合金C-276具有优异的耐腐蚀和耐热性,因此常在核电、石油化工以及造纸等领域被用于腐蚀性液体盛放容器的制造,如核主泵屏蔽套、溴胶混合釜等^[1-4]。这些结构一般为薄壁结构,对制造精度有很高的要求。以第三代核主泵定转子屏蔽套为例,定子和转子屏蔽套的长度超过3 m,而二者间隙不超过5 mm^[5],这对焊接所产生的纵向挠曲变形控制要求极高。

相对于传统电弧焊,激光焊接热输入小、焊缝窄、变形小,是薄壁焊接的首选焊接方式^[6-8]。许多学者使用不同理论对薄板焊接变形进行研究,例如:Guo等^[9]结合热弹塑性理论和板的稳定性理论分析哈氏合金薄板焊接的变形机理,认为夹具松开后远离焊缝区域的压应力是板材发生变形的主要原因;Huang等^[10]利用固有应变理论分析了焊接参数和焊缝尺度对SUS301不锈钢薄板焊接变形的影响,发现焊接线能量和板材长度对焊接变形的影响较大,二者分别影响板材的固有变形和刚度;Li等^[11]结合热弹塑性理论分析了Ti2AlNb薄板的焊接变形产生机理,认为在焊接过程中,上下表面的热输入不同是焊接变形的主因。

激光填丝焊接会产生余高,进而影响样件的弯曲刚度,导致焊接变形。当前,国内外研究人员对于激光填丝焊接的研究主要集中在熔池行为和微观组织等方面^[12-14],激光填丝焊接过程的焊接变形机理及其主要影响因素尚不明确。针对上述问题,本文采用激光填丝焊接技术,分析激光填丝焊接过程中线能量和相对送丝量对挠曲变形的影响规律,研究结果对激光填丝焊接薄板变形理论与技术应用具有一定的参考意义。

2 材料和方法

2.1 实验条件

焊接使用的板材为100 mm×25 mm×0.5 mm哈氏合金C-276薄板,使用的焊丝为0.5 mm直径的ERNiCrMo-4,二者的化学成分见表1。焊接方式为对接焊,实验前用砂纸打磨板材表面并使用乙醇溶液擦拭,以去除材料表面的氧化物和油污。

图1为实验装置示意图。填丝方式为前送丝,使用同轴保护气对熔池上、下表面进行保护,保护气为99.9%纯度的氩气。上、下表面保护气的流量分别为15 L/min和5 L/min,夹紧距离为4 mm,夹紧扭矩为20 N·m。

马广义等^[15]使用27 J/mm的线能量成功进行了哈氏合金C-276的自熔焊接。刘帅^[16]使用18~48 J/mm的线能量和流量为12 L/min的侧吹保护气,成功在存在间隙的条件下进行了哈氏合金C-276的自熔焊接,焊缝平整。吴冬冬等^[17]使用11~25 J/mm的线能量与0.88~1.17的相对送丝量,在侧吹保护气的情况下成功进行了哈氏合金C-276的填丝焊接,焊缝表面鱼鳞纹明显但略有氧化。由于本实验采用保护效果更好的同轴保护气,可以选用的线能量范围与相对送丝量范围较大,因此使用22~41 J/mm的线能量与0.48~0.99的相对送丝量对哈氏合金C-276进行填丝焊接。

图 1. 实验装置示意图

Fig. 1. Schematic of experimental equipment

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2.2 测量方法

将KEYENCE LK-HD5000型激光位移传感器固定在机床上以测量样件焊后变形,扫描速度为600 mm/min,扫描方向与焊接速度方向相同,采样频率为1000 Hz。已有研究结果表明,焊接纵向挠曲变形在样件的边缘处最大^[18-19]。因此,在距焊缝中心25 mm处测量纵向挠曲变形,此处纵向挠曲变形为样件的最大纵向挠曲变形。根据采样结果,将样件轮廓上距参考平面的最大距离记为纵向挠曲变形量。

3 结果与讨论

基于薄板稳定性和固有应变理论,薄板焊接变形以挠曲变形为主,对于填丝焊接,其变形量主要与焊缝处的弯曲刚度和载荷有关。

根据稳定性理论,板材在载荷作用下发生的失稳变形ω满足^[20]

ω2=16b2(p-σcr)Emπ2a2b2+b2a2,(1)

式中:a为板材长度;b为板材宽度;E_m为样件弹性模量;p为边缘平均压应力的大小;h为板材厚度;σ_cr为板材的临界失稳载荷,σ_cr =(a/b+b/a)²·π²D/(b²h),其中D为弯曲刚度。

由(1)式可知,在焊接材料、焊接尺寸以及焊接夹持方式确定的条件下,激光填丝焊接的挠曲变形主要与焊缝处的弯曲刚度D有关。由材料力学知识可知,弯曲刚度D=E_mI/(1-μ²),其中:μ为泊松比;I为截面惯性矩, I=∫z2dA,在激光填丝焊接过程中dA=dzdx,通过对焊缝余高H(mm)和熔宽W(mm)进行拟合(余高H和熔宽W的定义如图2所示),得到z=4H·x²/W²+0.25+H,将其代入截面惯性矩 I=∫z2dA中,可得

I=∫-W/2W2∫0.25-4Hx2/W2+0.25+Hz2dzdx=23(0.2286WH3+0.2WH2+0.0625WH)。(2)

由(2)式可知,弯曲刚度D主要与焊缝余高H(mm)和熔宽W(mm)有关。将上余高惯性矩记为I_u,下余高的惯性矩记为I_l,二者之和记为I_t。I_t越大,则弯曲刚度D越大,挠曲变形越小,且D与I_t呈线性关系。

图 2. 焊缝截面形貌与坐标系

Fig. 2. Weld profile and coordinate system

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根据固有应变理论,焊接接头中固有应变所产生的固有应力积分可以用等效载荷F_tendon表示。F_tendon是焊后残余应力产生的主要原因,因此在约束条件相同的情况下,F_tendon越大, (1)式中样件边缘的平均压应力p越大,挠曲变形越大。等效载荷F_tendon的表达式为^[21]

Ftendon=-0.335αEmρcηQ=-0.21Q,(3)

式中:α为材料的线膨胀系数;ρ为材料密度;c为材料的比热容;η为激光效率;Q为焊接线能量, Q=Eef/Vw,其中E_e为单脉冲能量,f为脉冲频率,V_w为焊接速度。

综上所述,填丝焊接的焊缝弯曲刚度D和等效载荷F_tendon是焊接挠曲变形的主要影响因素。由(1)~(3)式可知,弯曲刚度和等效载荷的主要影响因素包括线能量和相对送丝量,因此本研究重点讨论两者对挠曲变形的影响。

3.1 线能量对挠曲变形的影响

图3所示为不同线能量下焊接样件的挠曲变形。可以看到,随着线能量的增大,挠曲变形总体呈现增大趋势,其中在小于29 J/mm和大于37 J/mm范围内,挠曲变形的增大趋势基本一致;当线能量在29~37 J/mm范围内,随着线能量的增大,挠曲变形的变化趋势相对平缓。

图 3. 纵向挠曲变形随线能量的变化

Fig. 3. Longitudinal flexure deformation varying with the linear heat input

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由(3)式可知,线能量增大会引起等效载荷F_tendon线性增大,将会使焊接样件挠曲变形增大。如图4所示,线能量会影响焊缝的余高和熔宽,因此线能量的改变也会导致弯曲刚度发生变化。图5(a)所示为不同线能量下由(3)式计算得到的F_tendon,图5(b)所示为不同线能量条件下由(2)式计算的到的I_t变化规律。可以看到,当线能量小于29 J/mm时,由于热输入较小,样件未熔透,在此范围内增大线能量将导致熔池上表面温度梯度增加,进而导致表面张力的收缩作用减弱,在表面张力与重力的共同作用下,样件的上余高减小,但上熔宽增大。根据(2)式,余高对I_t的影响更大,从而使I_t呈线性减小的趋势,导致挠曲变形增大。当线能量从29 J/mm增加到37 J/mm时,样件处于完全焊透状态,此时增大线能量会使熔池上表面的Marangoni对流效应增强,促使热量向下传递,导致下熔宽逐渐增大,在重力和熔池下液面附加压强的作用下,下余高逐渐增大。同时,上表面与热源直接接触,导致上熔宽始终大于下熔宽,而根据质量守恒定律,上余高减小的面积与下余高增大的面积相等,这导致了相对于上余高的减少量,下余高的增加量更大。这种现象将导致I_t逐渐增大,从而有利于减小挠曲变形。当线能量超过37 J/mm时,热输入增大,导致上、下熔宽均持续增大,在熔池下液面附加压强的作用下,上、下余高均略有减小,从而使I_t呈线性减小的趋势,这将引起挠曲变形增大。

图 4. 焊缝形貌随线能量的变化。(a)熔宽;(b)余高

Fig. 4. Weld profile varying with the linear heat input. (a) Pool width;(b) weld reinforcement

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图 5. 不同线能量下的F_tendon和I_t 的变化情况。(a) F_tendon;(b) I_t

Fig. 5. Change of F_tendon and I_t at different linear heat input. (a) F_tendon; (b) I_t

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综上所述,线能量的增大将会引起等效载荷F_tendon持续增大,而弯曲刚度呈现减小—增大—减小的趋势。当线能量小于29 J/mm时,F_tendon线性增大,同时弯曲刚度D减小,均会导致纵向挠曲变形增大,此时纵向挠曲变形是F_tendon和D共同作用的结果;当线能量处于29~37 J/mm范围内时,F_tendon继续增大,将引起纵向挠曲变形增大,而此时D缓慢增大,将会抑制挠曲变形的增大,最终两者相抵消,减弱了纵向挠曲变形增大的趋势,这种现象导致了图3中该段曲线的斜率减小,挠曲变形增大趋势趋于平缓;当线能量大于37 J/mm时,F_tendon持续增大,D持续减小,这就导致纵向挠曲变形增大,此时挠曲变形又是F_tendon和D共同作用的结果。

3.2 相对送丝量对挠曲变形的影响

相对送丝量可以表征单位长度内的丝材质量,其表达式为:V_f/V_w(V_f为送丝速度)。改变相对送丝量可以在不改变等效载荷的情况下大幅改变熔宽和余高,进而改变样件的弯曲刚度,影响挠曲变形。当线能量处于29~37 J/mm范围内时,挠曲变形变化缓慢,因此本研究选取在33 J/mm的线能量下进行相对送丝量的焊接实验,以减小线能量波动对实验结果的干扰。图6所示为相对送丝量变化对焊接样件挠曲变形的影响,可以看到,随着相对送丝量的增大,纵向挠曲变形呈线性减小。

图 6. 纵向挠曲变形随相对送丝量的变化

Fig. 6. Longitudinal flexure deformation varying with the relative wire speed

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图7所示为不同相对送丝量下焊缝余高和熔宽的变化情况,图8所示为不同相对送丝量下I的变化规律。随着相对送丝量的增大,上熔宽变化较小,上余高近似呈正比增大,下余高和下熔宽小幅递减。上熔宽的大小主要与光斑大小有关,因此变化较小。增大相对送丝量,会使丝材对激光的遮挡作用增大,作用在母材上的能量减少,进而导致样件下余高和下熔宽略有减小。同时,相对送丝量增大使焊丝在焊缝上表面出现堆积效应,导致上余高H随相对送丝量的增加而明显增大,这种变化导致了I_t随相对送丝量的增加而逐渐增大。

综上所述,相对送丝量增加对等效载荷F_tendon的影响较小,而弯曲刚度D呈增大趋势,这导致纵向挠曲变形呈递减的趋势。由图8可知,I_l相对于I_u较小,因此上余高的焊缝形貌对弯曲刚度D起主要作用。当相对送丝量小于0.78时,焊缝处于完全焊透状态,上余高增幅相对平缓,因此D增长缓慢。当相对送丝量大于0.78时,焊缝逐渐向未焊透状态转变,下余高几乎消失,上余高显著增大,因此D增速较快。

图 7. 焊缝形貌随相对送丝量的变化。(a)熔宽;(b)余高

Fig. 7. Weld profile varying with the relative wire speed. (a) Pool width; (b) weld reinforcement

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图 8. I随相对送丝量的变化关系

Fig. 8. I varying with the relative wire speed

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4 结论

通过综合分析焊接参数变化对等效载荷和弯曲刚度的影响,研究了焊接参数变化对于激光填丝焊接变形的影响。1)线能量增大会使产生焊接变形的等效载荷增大,使样件的纵向挠曲变形呈增大趋势。同时焊缝形貌变化使弯曲刚度以减小—增大—减小的趋势变化,这可在一定范围内增大线能量,且纵向挠曲变形相对较小。2)线能量在29 J/mm以下和37 J/mm以上范围内,线能量对纵向挠曲变形的影响程度相似;线能量在29~37 J/mm范围内,纵向挠曲变形仍呈增大趋势,但增长率减小了32%。3)增大相对送丝量可以在等效载荷不变的情况下增大样件弯曲刚度,进而减小纵向挠曲变形。当相对送丝量从0.48增至0.99时,样件的纵向挠曲变形从1.87 mm减至0.49 mm,减小了74%。