1 引言

随着工业的发展,核电船舶、石油化工等领域对高性能厚板及中厚板结构的需求以及焊接质量的要求越来越高。相较于传统的电弧焊接,激光焊接具有能量密度高、热影响区宽度窄、残余应力小、接头质量高等优势^[1-3]。为获得单道大熔深,需要更高的能量密度,然而随着激光功率的提高,焊接过程中的等离子体和金属蒸气对入射激光的屏蔽衰减作用逐渐增强,大大降低了焊接过程的稳定性和能量利用率,极大地限制了高功率激光焊接的应用^[4]。因此,如何抑制焊接过程中的等离子体行为,提高激光的穿透能力,减少焊缝中的缺陷,是厚板及中厚板激光深熔焊的一个难题。

20世纪80年代,日本大阪大学开发研究了真空激光焊接技术。与传统的激光焊接相比,真空激光焊接最突出的特点是大幅提高了激光的穿透能力。随着环境压力的降低,焊缝熔深增加,熔宽降低,可获得更大的焊缝深宽比。在环境压力较低时可以获得与电子束焊接焊缝相似的I形接头^[5-8]。环境压力对焊缝形状的影响与焊接速率有关,Jakobs等^[9]、Sokolov等^[10]、Reisgen等^[11]研究发现,当其他条件一定时,环境压力的降低能明显增大焊缝熔深,但在焊接速率较高(大于4 m/min)时,环境压力对焊缝熔深的影响不大。2001年,大阪大学的Katayama等^[12]采用W颗粒物理模拟实验和X射线同步观测的方法,比较了真空和大气环境下焊接过程中熔池的流动方向,得出了焊缝气孔形成的机理,并发现:真空环境与大气环境下激光深熔焊熔池的流动方式明显不同,熔池和匙孔的几何形状也不同;真空激光焊接的液体流动方式有利于熔池底部气泡的溢出,以及焊缝各部位成分的均匀化。2008年,大阪大学的Kawahito等^[13]采用高速摄像和探测激光对真空激光焊接过程中的等离子体行为进行研究,通过对不同环境压力下的等离子体进行拍摄和分析后发现:随着环境压力的降低,等离子体的面积逐渐减小,并且等离子体的稳定性逐渐提高;当环境压力下降到一定程度时,等离子体几乎消失。文献[ 14-15]针对环境压力对焊接质量的影响是否存在临界点展开系统的研究,结果发现,对于光纤激光器,当环境压力低于10 Pa时,焊缝熔深基本不再发生变化。文献[ 16-18]设计了局部负压激光焊接装置,通过快速抽气在工件上方形成了局部负压,但在连续焊接时,真空室的移动会导致漏气,从而导致环境压力升高,焊接质量下降。

相较于大气环境,真空环境下的传热方式会发生明显改变,材料的物性也有所改变,环境压力对焊缝凝固组织及力学性能的影响尚不明确。

本课题组采用真空激光焊接方法对船用低合金高强钢10Ni5CrMoV进行焊接实验,系统研究了环境压力对焊缝的形貌、微观组织及力学性能的影响规律,对低合金高强钢真空激光焊接的特性进行较完整的分析,为真空激光焊接在工业上的应用提供参考。

2 实验方法

以船舶常用的10Ni5CrMoV高强钢为研究对象,母材的显微组织如图1所示,可见:母材由大量的多边形铁素体(F)和细小的颗粒状碳化物组成,为回火索氏体组织。母材的抗拉强度均值为820 MPa,平均硬度为310 HV。母材的化学成分如表1所示。

图 1. 10Ni5CrMoV钢的显微组织。(a)光学显微镜照片;(b)电子显微镜照片

Fig. 1. Microstructures of 10Ni5CrMoV steel. (a) Picture obtained by optical microscopy; (b) picture obtained by electron microscopy

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为实现真空激光焊接过程,搭建如图2所示的真空激光焊接系统,采用德国IPG公司的YLR-30000型光纤激光器,其最大输出功率为30 kW,工作模式为连续,激光波长为1070~1080 nm,光束质量为12 mm·mm·rad。激光束经直径为300 μm的光纤传输并通过焦距为200 mm的透镜后准直成平行光,最后经焦距为300 mm的聚焦镜聚焦,聚焦光斑的直径为0.72 mm。

图 2. 真空激光焊接系统示意图

Fig. 2. Schematic of experimental setup for vacuum laser welding

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本实验采用的真空舱如图3所示,真空舱上方有激光传输窗口,激光通过一大一小两个保护镜片后照射到工件表面,行走机构在焊接方向上的行程可达300 mm,最大焊接速率可达5 m/min。实验过程中采用欧洲KUKA公司的KR60HA型高精度机器人调节激光枪头的高度,实现离焦量的调节。拉伸试样的尺寸如图4所示。

图 3. 真空舱结构

Fig. 3. Structure of vacuum chamber

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图 4. 拉伸试样尺寸

Fig. 4. Size of tensile sample

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3 实验结果与讨论

3.1 环境压力对焊缝形貌的影响

当激光功率为5 kW,离焦量为-3 mm,焊接速率为1 m/min时,不同环境压力下的焊缝如表2所示,焊缝熔深随环境压力的变化规律如图5所示。

从图5和图6可以看出:在大气环境下,焊缝表面的成形质量较差,焊缝周围出现了大量的焊接飞溅物,表面氧化严重,不饱满,同时熔深也相对较浅,约为5.3 mm,熔宽为4.5 mm,焊缝的深宽比为1.2,焊缝形状为V形;随着环境压力下降至10³ Pa,焊缝表面逐渐变得比较均匀,焊缝形状向I形过渡;当环境压力下降到10 Pa时,焊缝表面有金属光泽,十分均匀美观,焊缝熔深可达10.3 mm,熔宽减小到2.8 mm,焊缝的深宽比为3.7(焊缝熔深相较于大气环境下的提高了94.3%,焊缝深宽比为大气环境下的3倍),焊缝形状为I形。可见,随着真空环境压力的降低,可以获得大深宽比的焊缝,这意味着激光能量利用率得到了大幅提升。

图 5. 环境压力对焊缝熔深的影响

Fig. 5. Effect of ambient pressure on penetration depth

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图 6. 不同环境压力下得到的焊缝的表面和横截面形貌

Fig. 6. Appearance and cross-section of weld bead obtained at different ambient pressures

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环境压力对焊缝熔深的影响机理较为复杂,Pang等^[19]利用数值模拟的方法对负压环境下激光焊接中的熔池流动和匙孔状态进行分析,结果发现,焊缝熔深增加的重要原因之一是小孔侧壁温度的变化。Fabbro等^[20]认为,随着环境压力降低,材料的沸点有所降低,增加相同的熔深所要吸收的激光能量有所降低,所以相同能量的入射激光可以使更多的金属熔化,因此焊缝熔深有所增加。

3.2 环境压力对焊缝组织的影响

如图7所示,10Ni5CrMoV钢为典型的低合金高强钢,焊前处于调质状态,故可将热影响区(HAZ)分成完全淬火区、不完全淬火区和回火区。以下将分析在激光功率为5 kW,离焦量为-3 mm, 焊接速率为1 m/min时,不同环境压力下得到的焊缝各区域的组织形貌。

图 7. 焊缝及热影响区的组织分区图

Fig. 7. Distribution diagram of weld bead and heat-affected zone

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图8所示为不同环境压力下得到的焊缝组织,焊缝经历了熔化再结晶过程。可以看出,在大气环境和负压环境下得到的焊缝均由大量的板条马氏体(M)构成。

图 8. 不同环境压下得到的焊缝的微观组织。(a) 105 Pa;(b) 104 Pa;(c) 103 Pa;(d) 102 Pa;(e) 10 Pa

Fig. 8. Microstructures of weld bead obtained at different ambient pressures. (a) 105 Pa; (b) 104 Pa; (c) 103 Pa; (d) 102 Pa; (e) 10 Pa

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如图9所示为不同环境压力下得到的热影响区完全淬火区的组织,在整个焊接热循环过程中,此区域的峰值温度达T_AC3(加热时,铁素体全部转变为奥氏体的终了温度)以上,该区域中的所有金属在加热过程中都经历了奥氏体化。从图9(a)中可以看出,在大气环境下焊接时,完全淬火区由板条马氏体和少量碳化物组成,且马氏体尺寸大小不一。随着环境压力降低,焊缝冷却时间增加,该区域的晶粒尺寸逐渐增大,碳化物逐渐析出,并且焊缝中出现了极少量的粒状贝氏体(B),如图9(d)所示。

图 9. 不同环境压力下得到的热影响区完全淬火区的微观组织。(a) 105 Pa;(b) 104 Pa;(c) 103 Pa;(d) 102 Pa;(e) 10 Pa

Fig. 9. Microstructures of completed quenching zone in heat-affected zone obtained at different ambient pressures. (a) 105 Pa; (b) 104 Pa; (c) 103 Pa; (d) 102 Pa; (e) 10 Pa

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如图10所示为不同环境压力下得到的热影响区不完全淬火区的微观组织,在整个焊接热循环过程中,此区域的峰值温度在 TAC1~T_AC3之间( TAC1:加热时,珠光体向奥氏体转变的开始温度)。该部分晶粒发生了部分相变重结晶。不完全淬火区的组织较为复杂,晶粒均匀细小,由马氏体、铁素体和一些碳化物组成。随着环境压力降低,碳化物逐渐析出。

图 10. 不同环境压力下得到的热影响区不完全淬火区的微观组织。(a) 105 Pa;(b) 104 Pa;(c) 103 Pa;(d) 102 Pa;(e) 10 Pa

Fig. 10. Microstructures of uncompleted quenching zone in heat-affected zone obtained at different ambient pressures. (a) 105 Pa; (b) 104 Pa; (c) 103 Pa; (d) 102 Pa; (e) 10 Pa

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回火区的峰值温度越接近T_AC1,该处的硬度越低。回火区的组织仍保留了母材的原始组织特征,组织由回火马氏体和碳化物组成,马氏体板条的宽度非常小。回火时存在马氏体的回复和再结晶。随着环境压力降低,回火时间逐渐增加,回火区宽度逐渐增大,原子的运动逐渐活跃,组织向平衡态转变的趋势增大,奥氏体等轴新相逐步替代板条状晶粒^[14]。同时,颗粒状碳化物析出,并弥散分布在等轴奥氏体晶粒内部。

实验所用母材为典型的低合金高强钢,含有的合金元素如Ni、Cr、Mn等提高了钢的淬硬性。激光焊接快速加热和快速冷却的焊接热循环特性使得熔池金属的冷却速率较大。因此,无论是在大气环境还是负压环境下焊接,焊缝均由板条马氏体组成。在热影响区,随着环境压力降低,对流换热逐渐被抑制,焊缝散热减弱,焊缝的冷却速率降低,导致颗粒状碳化物逐渐析出。同时,环境压力的降低也使焊缝的高温停留时间较长,焊缝晶粒有长大的趋势。

焊缝金属与外界热量交换有三种模式:热传导、对流换热和辐射换热。在真空环境下,气体分子数明显减少,气体对流对焊缝的散热作用明显减弱^[21],焊缝散热受到抑制,焊缝冷却速率有所降低。而在大气环境下焊接时,在焊缝冷却过程中,保护气(氩气)的流动带走了焊缝表面的热量,因此真空与大气环境下的焊缝表层的对流换热情况差异较大,会对表层组织有所影响。为验证这种差异,同时排除焊缝熔深增大的干扰,调整工艺参数,使在大气环境下得到焊缝熔深与环境压力为10 Pa时得到的相近,观察焊缝表层的微观组织。

图11为大气环境和环境压力为10 Pa时得到的焊缝的表层微观组织,可以观察到:相较于大气环境,负压环境下得到的焊缝表层析出了更多的灰黑色碳化物,这是焊缝散热较慢导致的,从而证明了负压环境下焊缝组织发生变化的原因是由对流换热被抑制导致的,而不是等离子体减少使焊缝熔深增加,从而吸收了更多的入射激光能量导致的。

图 11. 不同环境压力下得到的焊缝的表层微观组织。(a) 105 Pa;(b) 10 Pa;(c) 105 Pa, HAZ;(d) 10 Pa, HAZ

Fig. 11. Microstructures of top of weld bead obtained at different ambient pressures. (a) 105 Pa; (b) 10 Pa; (c) 105 Pa heat-affected zone; (d) 10 Pa heat-affected zone

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3.3 环境压力对显微硬度的影响

对不同环境压力下得到的焊缝的显微硬度进行测试,结果如图12所示。可见:母材(BM)的平均硬度在310 HV;不同环境压力下得到的焊缝(WZ)的硬度均高于母材,热影响区出现了较明显的软化现象,软化区的硬度在240~260 HV之间,相较母材均有明显下降;大气环境下得到的焊缝的平均硬度较高,可达418.2 HV,较母材的硬度提升了34%;随着环境压力降低,焊缝硬度逐渐减小,在10 Pa时的平均硬度为392.4 HV,较母材硬度提升了26%,但较大气环境下的焊缝硬度下降了6.2%。

图 12. 不同环境压力下得到的焊缝的显微硬度分布

Fig. 12. Microhardness distribution of weld bead obtained at different ambient pressures

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实验用10Ni5CrMoV低合金高强钢由大量多边形铁素体以及弥散在其周围的细小的颗粒状碳化物组成,为典型的回火索氏体组织;焊缝金属经高能激光照射后,经历快速熔化冷却过程,组织转变成马氏体,故焊缝区的硬度高于母材。随着环境压力降低,液态金属的冷却速率逐渐下降。不同环境压力下得到的焊缝区主要由马氏体组成,因此焊缝区的硬度较母材有较大提升。环境压力的降低不仅导致了碳化物的析出,还使得焊缝在高温停留时间增加,这就使得奥氏体长大,焊缝的晶粒尺寸变大,焊缝硬度下降^[22]。在完全淬火区和不完全淬火区,随着环境压力降低,一方面形成的马氏体的自回火作用增强,另一方面碳化物的析出和粒状贝氏体的逐渐生成导致硬度降低。同时,高温停留时间的延长也使得该区域的晶粒度随着环境压力的降低而增大,多种因素的共同作用使得硬度在该区域出现了如图12所示的结果。回火区在焊接过程中发生碳化物集聚长大和球化,以及α相的回复和再结晶。随着环境压力降低,焊缝散热能力变差,晶粒高温停留时间变长,回火程度变大,软化程度增强,使得该区域的硬度明显下降,并且环境压力越低,硬度越低。

3.4 环境压力对抗拉强度的影响

焊缝试样的拉伸断裂位置如图13所示,可见:不同环境压力下得到的焊缝拉伸试样均断裂在母材区域,断裂位置距焊缝熔合线较远,断口附近出现了明显的表面滑移和颈缩。焊缝和母材试样的拉伸应力-应变曲线如图14所示,可见:不同环境压力下得到的焊缝试样的应力-应变曲线基本一致,该结果表明,接头整体的抗拉强度与母材基本相同;焊缝试样的断后伸长率均小于母材,这是因为焊缝组织为马氏体,其强度和硬度较组织为回火索氏体的母材大,在拉伸过程中,焊缝较母材的变形量小,断后伸长率有所降低。焊缝整体的抗拉强度反映的基本是母材的强度。

图 13. 不同环境压力下得到的焊缝试样的拉伸断裂位置。(a) 105 Pa;(b) 104 Pa;(c) 103 Pa;(d) 102 Pa;(e) 10 Pa

Fig. 13. Fracture positions of weld head tensile samples obtained at different ambient pressures. (a) 105 Pa; (b) 104 Pa; (c) 103 Pa; (d) 102 Pa; (e) 10 Pa

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Shen等^[23]认为,抗拉强度与硬度成正比关系,即焊接接头硬度低的位置在拉伸过程中优先发生塑性变形而断裂。由图14可以看出,拉伸断裂时变形主要集中在发生断裂的一侧,而另一侧的热影响区变形相对较小,这与其他学者的研究结果相符^[24-25]。焊缝不同区域的性能不均匀性使得其在拉伸实验中的变形不一致,从而导致焊缝断后伸长率相较母材下降严重。

图 14. 不同环境压力下得到的焊缝拉伸试样的应力-应变曲线

Fig. 14. Stress-strain curves of weld bead tensile samples obtained at different ambient pressures

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3.5 环境压力对断口形貌的影响

为了进一步研究焊缝的断裂特征和机理,采用扫描电镜对拉伸断口进行观察,母材和负压环境下拉伸试样的断口形貌如图15所示。可以看出:由回火索氏体组织组成的母材的拉伸断口中间存在较大较深的韧窝,大韧窝周围又存在小韧窝;而不同环境压力下得到的焊缝拉伸断口均为大小不等的小而浅的韧窝和撕裂棱,呈典型的韧性断裂特征,因此,母材与焊缝区金属的拉伸断裂机制均为韧性断裂。当韧窝大而深时,试样的断后伸长率高,因此母材的断后伸长率高于焊缝试样。

图 15. 拉伸试样的断口形貌。(a) 105 Pa,焊缝区;(b)母材

Fig. 15. Fracture morphology of tensile samples. (a) 105 Pa, weld zone; (b) base metal

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4 结论

研究了环境压力对10Ni5CrMoV钢激光焊接特性的影响规律。研究结果表明:随着环境压力降低,焊缝熔深增大,熔宽减小;环境压力的降低对激光焊缝组织无明显影响,其组织均由板条马氏体构成,但热影响区碳化物的析出现象明显,显微组织由马氏体向马氏体+碳化物+极少量粒状贝氏体转变,并且出现了少量铁素体;随着环境压力降低,接头硬度略有下降,拉伸试样均断裂在母材上。根据实验结果可以发现:在负压环境下激光焊接10Ni5CrMoV钢可以获得大熔深焊缝,能有效提高激光的利用率和焊接效率;焊接接头组织及力学性能的变化不大,为真空激光焊接在大厚板结构件上的应用提供了依据。