1 引言

激光-电弧复合焊接作为一种较新的复合焊接方式,在造船、列车、汽车等工业领域中得到了较为广泛的应用。社会的发展对构件的焊接质量提出了越来越高的要求,如更均匀细小的晶粒、更高的成形精度等。传统的激光-电弧复合焊接不能满足上述要求。

早在20世纪70年代,Blinkov等^[1]就开始研究磁场在钨极稀有气体保护焊中的作用。近年来,外加磁场作为一种简单、有效且低成本的方式,已广泛应用于电弧焊中,以改善接头成形及组织性能。Wu等^[2]在高速熔化极稀有气体保护(MIG)焊接中,通过施加纵向磁场成功抑制了驼峰及咬边等缺陷,得到了优质接头。Malinowski-Brodnicka等^[3]指出,外加交变磁场可以使钨极氩弧焊的焊接熔宽增大,并且细化晶粒。Mousavi等^[4]的铝合金焊接实验表明,磁场产生的电磁搅拌能增强接头的异质形核,进而细化接头组织。Liu等^[5]对铝/钢异种金属进行了冷金属过渡焊接,发现交变磁场可以抑制接头中Al/Fe金属间化合物的形成。更多研究表明,磁场可以稳定焊接过程,改善熔池液态金属流动方式,细化晶粒,提高接头力学性能^[6-8]。

除了在弧焊中应用磁场,磁场在激光焊接中也有应用。Zhou等^[9]发现,外加磁场可以改善激光焊接的接头余高、横截面形貌以及表面成形等。杨德才等^[10]在CO₂激光焊接中利用纵向磁场提高了熔深,并且指出这种提高存在一个最大值。陈武柱等^[11]发现,对等离子体电流施加横向磁场可使等离子体发生偏离激光束的横向运动,提高了激光与工件的耦合效率。许多学者研究发现,磁场在激光焊接熔池中起到了电磁搅拌的作用,使元素均匀分布,减少了热裂纹及气孔等缺陷^[12-13]。余圣甫等^[14]使用旋转磁场细化了CO₂激光焊接Al-Si12合金的晶粒,消除了裂纹等焊接缺陷,且这种效果随磁场旋转速度的增加而增强。Bachmann等^[15]在高功率激光焊接中,通过磁场成功抑制了接头的下塌,获得了成形良好的接头。王维等^[16]通过模拟研究发现,外加磁场在激光熔池中产生的电磁搅拌作用使熔池内液体的流动方向发生改变,并形成多个环流,加速了热量传输,减小了温度梯度。宋诗英等^[17-18]发现,磁场在熔池中产生的洛伦兹力阻碍了熔池对流,使熔池中液态金属的流速减缓。

目前,关于将磁场应用于激光-MIG复合焊接的研究鲜有报道。为进一步提高焊接效率及质量,本文把纵向磁场引入激光-MIG电弧复合焊接中,探究磁场对接头成形特点、微观组织(焊缝区及热影响区)、硬度分布等的影响。

2 实验材料、设备与方法

2.1 实验材料

实验采用SUS316L奥氏体不锈钢作为母材,试样尺寸为200 mm×150 mm×4 mm;焊丝的材料为ER316LSi奥氏体不锈钢,直径为1.2 mm。母材及焊丝的化学成分见表1。

2.2 实验设备

实验中使用光纤激光器(YLR-4000,IPG Photonics公司,美国)作为光源,其最大输出功率为4 kW,波长为1.07 μm。弧焊采用逆变电源(TPS4000,Fronius公司,奥地利),可实现电流、电压及送丝速度的一体化调节。机器人(IRB4400,ABB公司,瑞士)额定负载为60 kg。磁场发生源采用表面磁感应强度(B)为120 mT的铁氧体永磁体,其尺寸为110 mm×105 mm×10 mm。实验中通过调整试样表面与永磁体的距离来改变磁感应强度,并使用南京米厘特精密仪器有限公司的HT-201型高斯计测量磁感应强度。

2.3 实验方法

采用平板堆焊的实验形式,焊前采用机械打磨的方法去除试样表面氧化膜,再用丙酮清洗试样待焊表面,去除油污。焊接时使用夹具将试样固定在工作台上,为防止发生高反现象,激光焊接头轴向与竖直方向成10°夹角。激光-MIG电弧复合焊接实验的工艺参数见表2,其中焦点距离为焦点与零离焦平面之间的距离。焊接示意图如图1所示,其中D_LA为激光与电弧间的距离。

为探索外加纵向磁场对激光-MIG电弧复合焊接接头成形及微观组织的影响规律,使用线切割方法获取两个金相试样,并采用砂纸进行研磨、抛光、腐蚀,选用的腐蚀剂为王水稀释液。使用金相显微镜及扫描电子显微镜(SEM)进行接头显微组织分析;使用能谱仪(EDS)分析接头元素分布;使用X射线衍射(XRD)仪来确定接头的物相组成;使用维氏显微硬度计对接头进行显微硬度测试,其载荷为300 g,加载时间为15 s,分别测量每个接头的上部、中部及底部三个区域,如图2所示。

图 1. 外加纵向磁场辅助激光-MIG电弧复合焊接示意图

Fig. 1. Schematic of laser-MIG hybrid welding assisted with external longitudinal magnetic field

下载图片 查看所有图片

图 2. 接头显微硬度测试示意图

Fig. 2. Schematic of microhardness test of weld joint

下载图片 查看所有图片

图 3. 接头形貌示意图

Fig. 3. Schematic of weld joint morphology

下载图片 查看所有图片

3 实验结果与分析

3.1 外加纵向磁场对接头宏观成形的影响

不同磁感应强度下的接头表面及横截面形貌见表3,可以看出,随着磁感应强度的增加,接头熔宽明显增大;同时,接头横截面形貌由钉头状逐渐转变为蘑菇状,上部开口逐渐增大,底部内径逐渐减小。宏观形貌在一定程度上反映了接头的质量,为了较好地评估接头的成形特点,建立了一套包含多种典型参数的评价方法,如图3所示,参数包括接头熔宽(b)、熔深(H)、余高(a)、接头成形系数(Φ)、余高系数(ψ)、熔合比(C)及宽腰比(η),其中Φ=b/H,ψ=b/a,C=A_m/(A_m+A_H),η=b/W,A_m、A_H分别为图中对应区域的面积,W为距离上表面H/2处的宽度。

图 4. 外加纵向磁场对接头形貌的影响

Fig. 4. Influence of external longitudinal magnetic field on weld joint morphology

下载图片 查看所有图片

3.2 外加纵向磁场对接头微观组织的影响

图 6. SUS316L奥氏体不锈钢母材微观组织

Fig. 6. Microstructure of SUS316L austenitic stainless steel base metal

下载图片 查看所有图片

3.3 接头显微硬度分析

图12所示为不同磁感应强度下接头不同位置的显微硬度。图12(a)所示为接头顶部显微硬度分布,可以看出,随着磁感应强度的增大,接头顶部硬度分布趋于均匀;图12(b)表明在接头中部,硬度有相似的变化,但其均匀程度较顶部的弱。当深入接头底部时,不同磁感应强度下的硬度分布几乎相同,如图12(c)所示。为了进一步阐明磁场对硬度分布的影响,分别计算了三个位置的硬度标准差,结果如图13所示,可以明显看出,存在外加磁场时,接头顶部和中部的硬度标准差急剧下降,底部的却几乎不变。这表明,纵向磁场可以使接头组织变得更均匀,结晶形态更稳定,且磁感应强度越大,稳定效果越好,但从接头顶部至底部,稳定程度递减。

图 12. 不同磁感应强度下接头显微硬度分布,插图为对应测试区域。(a)顶部;(b)中部;(c)底部

Fig. 12. Microhardness distributions of weld joints under different magnetic induction intensities and illustrations show corresponding test areas. (a) Top; (b) middle; (c) bottom

下载图片 查看所有图片

图 13. 显微硬度分布的标准差

Fig. 13. Standard deviation of microhardness distribution

下载图片 查看所有图片

显微硬度与接头组织密切相关,均匀的组织必然具有均匀的硬度分布。外加磁场可以显著改善接头组织的均匀性,并且细化组织;同时,外加磁场使熔池快速旋转,熔池中的温度梯度减小,柱状晶的生长得到抑制,组织的不均匀结晶也得到改善。然而,电磁搅拌作用在向熔池内部传递时会减弱,甚至消失,导致熔池底部的结晶形式与无磁场时的几乎相同。

4 结论

外加纵向磁场辅助激光-MIG电弧复合焊接时,磁感应强度对接头的成形及微观组织有显著影响。随着磁感应强度的增加,接头熔宽增加,余高减小,熔深几乎不变,这使接头成形系数及余高系数增大,接头变得深而宽。在外加磁场作用下,接头HAZ有白色长条形δ-铁素体析出,这种析出能抑制HAZ晶粒的生长,降低热裂纹敏感性。磁场能在一定程度上细化晶粒,改善接头组织均匀性,并使接头的显微硬度分布变得稳定;当磁感应强度增加时,这种效应得到增强,但由接头顶部至底部,电磁搅拌作用递减,故这种效应减弱。