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      工藝參數(shù)對(duì)激光掃描焊接接頭形貌及性能的影響

      2022-01-07 03:34:42李路雨羅子藝易耀勇胡永俊郝佳慧
      焊接 2021年11期
      關(guān)鍵詞:鍍鋅板馬氏體鐵素體

      李路雨 , 羅子藝, 易耀勇, 胡永俊, 郝佳慧

      (1. 廣東工業(yè)大學(xué) ,廣州 511436;2. 廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所,廣州 510650)

      0 前言

      目前,鍍鋅板的焊接方法主要有電阻點(diǎn)焊、電弧焊、激光焊等。但都有著各自的不足之處,如采用電阻焊時(shí),鋅的電阻率較低、鋅層的熔化會(huì)導(dǎo)致電流密度的減小[1];采用電弧焊或激光焊時(shí),由于鋅與鋼的沸點(diǎn)相差較大,導(dǎo)致焊接過程中易出現(xiàn)氣孔、飛濺等缺陷[2]。

      基于此,需開發(fā)更為先進(jìn)、優(yōu)化的焊接工藝來獲得高質(zhì)量焊縫,如采用預(yù)掃描焊接[3]、激光填絲釬焊[4]、激光掃描焊接[5]等。其中激光掃描焊接是一種新型高效的激光焊接技術(shù),相比于傳統(tǒng)激光焊接,激光掃描焊接技術(shù)具有工作距離長(zhǎng)、掃描范圍廣、靈活性高、可有效抑制氣孔缺陷等特點(diǎn)[6-7],因此該焊接技術(shù)更適合用于鍍鋅板的焊接。關(guān)于鍍鋅板的掃描焊接工藝國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,在抑制焊縫缺陷和改善焊縫宏觀形貌方面取得重要突破[8-12],如劉源等人[8]在掃描焊接鍍鋅板開始階段增加一段功率緩升曲線,在疊焊末端增加功率緩降曲線,從而改善焊縫余高過高、裂紋、凹坑等問題;Xiong等人[9]采用螺旋形掃描焊接方法研究焊接工藝參數(shù)對(duì)氣孔的抑制作用;Yang等人[10]研究了激光掃描焊接工藝在鍍鋅板搭接焊中的應(yīng)用,研究表明,掃描焊接可以穩(wěn)定熔池,抑制氣孔產(chǎn)生。此外,對(duì)焊接飛濺的數(shù)值模擬及熔池小孔的動(dòng)態(tài)行為研究也開始涌現(xiàn)[11-13],以便更好地控制焊接參數(shù)。但對(duì)于激光掃描焊接鍍鋅板接頭顯微組織的研究尚少。

      文中以1.5 mm厚DP 780鍍鋅板為試驗(yàn)材料,采用激光掃描焊接方法,研究掃描焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形、顯微組織及拉伸性能的影響,并獲得最佳工藝參數(shù)組合。

      1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

      1.1 試驗(yàn)材料

      試驗(yàn)?zāi)覆臑镈P 780鍍鋅板,尺寸為200 mm× 100 mm×1.5 mm,其主要化學(xué)成分如見表1。試驗(yàn)采用搭接焊方式,搭接部分尺寸30 mm,焊接示意圖如圖1所示。

      表1 DP780鍍鋅板主要化學(xué)成分

      圖1 激光掃描焊接示意圖

      1.2 試驗(yàn)方法

      焊接系統(tǒng)采用碟片激光掃描焊接系統(tǒng),激光器型號(hào)為Trumpf Trudisk 10002,波長(zhǎng)1 020 nm,最大連續(xù)輸出功率10 kW,掃描光學(xué)系統(tǒng)型號(hào)為Trumpf PFO 3D,聚焦焦距450 mm。焊接過程中,通過KUKA KR 60 機(jī)械手移動(dòng)掃描振鏡,將激光束聚焦在工件表面,在焊接過程中保持焦距不變,掃描軌跡為直線“1” 形。焊接裝置如圖2所示。

      圖2 激光掃描焊接系統(tǒng)

      掃描焊接工藝參數(shù)見表2,焊接前用酒精擦拭焊件表面。焊接接頭經(jīng)外觀檢查和X射線無損檢測(cè)后,在焊后試件上取樣做成20 mm×10 mm金相試樣,經(jīng)研磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,并在金相顯微鏡下觀察焊縫橫截面組織形貌。按照GB/T 2651—2008設(shè)計(jì)力學(xué)性能測(cè)試件的尺寸規(guī)格,采用GB-TS 2000M拉伸機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸試樣尺寸如圖3所示。

      表2 焊接工藝參數(shù)

      2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

      各組無損檢測(cè)結(jié)果顯示,焊接接頭均未發(fā)現(xiàn)氣孔存在。表明試驗(yàn)試板焊接裝配間隙合適,為鋅蒸汽的逸出提供足夠的空間[14]。

      2.1 激光功率對(duì)焊縫成形影響

      采用表2中1~4組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),獲得不同激光功率下的焊接接頭,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由3號(hào)試樣可以看到,激光功率2.0 kW時(shí),搭接處接近焊透,焊縫表面出現(xiàn)輕微咬邊現(xiàn)象;激光功率2.5 kW時(shí),1號(hào)試樣完全焊透,咬邊顯著減少但部分焊縫表面燒損,出現(xiàn)內(nèi)凹現(xiàn)象;激光功率3.0 kW時(shí),2號(hào)試樣咬邊消失但部分焊縫表面內(nèi)凹嚴(yán)重。由此看出,隨焊接功率增大,焊縫熔深增大,咬邊現(xiàn)象得到抑制;全熔透焊接時(shí),焊縫表面部?jī)?nèi)凹量隨激光功率增加而增大。

      圖4 不同激光功率下試驗(yàn)結(jié)果

      分析認(rèn)為,激光功率在2.5 kW以下時(shí),焊接熱輸入小,熔融金屬較少,且焊接過程中凝固收縮快,金屬液來不及向兩側(cè)補(bǔ)充,因此出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象。隨焊接功率增大,熔融金屬增多,從而抑制焊縫咬邊直至消除。激光功率大于2.5 kW焊時(shí),因焊速過小且熔寬增大,導(dǎo)致焊縫表面金屬過燒,金屬液向兩側(cè)流動(dòng)增強(qiáng)造成中間內(nèi)凹現(xiàn)象出現(xiàn)[15]。因此,適當(dāng)增加激光功率有利于咬邊現(xiàn)象的消失,但同時(shí)也要注意焊接速度的調(diào)控,避免焊縫表面塌陷和內(nèi)凹現(xiàn)象的發(fā)生。

      2.2 焊接速度對(duì)焊縫成形影響

      采用表2中5~9組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)不同焊接速度下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,如圖5所示。焊接速度在35 mm/s時(shí),焊縫表面出現(xiàn)輕微咬邊,內(nèi)凹程度顯著減??;焊接速度45~55 mm/s時(shí),表面內(nèi)凹逐漸消失,但在焊接速度55 mm/s時(shí),咬邊現(xiàn)象更為明顯;繼續(xù)增大焊接速度至65~75 mm/s時(shí),搭接處未焊透。由此可以看出,全熔透焊接速度范圍內(nèi),焊縫表面咬邊程度隨焊接速度的增加而增大,表面內(nèi)凹程度隨焊速增大而減小直至消失。

      圖5 不同焊接速度的試驗(yàn)結(jié)果

      分析認(rèn)為,隨焊接速度增加,焊接熱輸入減小,焊縫燒損減少,內(nèi)凹現(xiàn)象逐漸減弱直至消失。咬邊現(xiàn)象的發(fā)生主要是因?yàn)殡S焊接速度的增大,熔融金屬液的體積減少及焊接冷卻速度增加導(dǎo)致熔池金屬液流動(dòng)性降低來不及向兩側(cè)鋪展補(bǔ)充。在相同的焊接功率下,焊接速度為45 mm/s時(shí),焊接接頭成形較好。

      2.3 工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭顯微組織影響

      2.3.1激光功率對(duì)顯微組織影響

      圖6為不同功率下焊縫中心區(qū)顯微組織,主要由板條狀馬氏體和馬氏體群組成,鐵素體含量極少??梢钥吹剑S激光功率增大,馬氏體群含量增加、尺寸增大,在功率3.0 kW并伴有針狀馬氏體生成。分析認(rèn)為,隨激光功率增大,焊接熱輸入增加,焊接接頭溫度升高且高溫停留時(shí)間也越長(zhǎng),大量鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體并處于過熱狀態(tài),冷卻后得到的馬氏體和鐵素體組織也越粗大。

      圖6 激光功率對(duì)焊縫區(qū)顯微組織影響

      圖7為不同功率下焊接接頭細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)顯微組織。粗晶區(qū)靠近焊縫中心,焊接時(shí)該區(qū)加熱到Ac3溫度以上,高溫奧氏體晶粒會(huì)發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大,在快冷后生成粗大的馬氏體和鐵素體組織。細(xì)晶區(qū)所處的溫度較低且靠近母材冷卻速度較快,焊后形成細(xì)小的板條狀馬氏體和鐵素體組織。分析對(duì)比可知,隨激光功率增加,細(xì)晶區(qū)等軸晶尺寸增加,鐵素體含量逐漸減少,馬氏體板條束略微變長(zhǎng),但尺寸變化并不明顯;粗晶區(qū)內(nèi)馬氏體尺寸隨激光功率增大發(fā)生明顯增大,鐵素體含量極少。主要是因?yàn)楣β试龃螅瑹嵊绊憛^(qū)內(nèi)熱輸入會(huì)增加,高溫下轉(zhuǎn)變的奧氏體晶粒尺寸粗大,所以形成的板條馬氏體隨功率增加而增大。

      圖7 激光功率對(duì)細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)影響

      2.3.2焊接速度對(duì)顯微組織的影響

      圖8是不同焊接速度下各試樣焊縫中心顯微組織。由圖8a、圖 8b可以看到,在低速焊接時(shí),焊縫中出現(xiàn)大量細(xì)長(zhǎng)的針狀馬氏體;在焊接速度45~55 mm/s時(shí),針狀馬氏體幾乎消失,焊縫主要由板條馬氏體及少量貝氏體組成。繼續(xù)增大焊接速度,如圖8e、圖8f所示,此時(shí)板條馬氏體尺寸較小,其含量也隨焊接速度增大而降低、鐵素體含量增加。分析認(rèn)為,隨焊接速度增大,焊接熱輸入減小,在一定速度范圍內(nèi),可獲得含有大量馬氏體的焊縫組織。超過這個(gè)范圍,焊速過大,焊接過程熱循環(huán)溫度較小,高溫下轉(zhuǎn)變成的奧氏體也較少,凝固形成的馬氏體含量也越低。

      圖8 焊接速度對(duì)焊縫顯微組織影響

      圖9和圖10為焊接速度對(duì)焊接接頭熱影響區(qū)組織的影響。焊接速度從25 mm/s增大至75 mm/s過程中,細(xì)晶區(qū)馬氏體組織隨焊接速度增大變小,但變化幅度不是很明顯。由圖10a、圖10b可以看到,焊接速度較低時(shí),粗晶區(qū)馬氏體板條束尺寸較為粗大,且鐵素體含量很少。隨焊速增大,馬氏體束尺寸逐漸減小,鐵素體含量有所增加,在焊接速度45~55 mm/s時(shí),粗晶區(qū)組織比較均勻。

      圖9 焊接速度對(duì)細(xì)晶區(qū)組織影響

      圖10 焊接速度對(duì)粗晶區(qū)組織影響

      2.4 工藝參數(shù)對(duì)接頭拉伸性能影響

      選取1~4組、5~9組參數(shù)下獲得的焊接接頭分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn),每組取3個(gè)拉伸試樣測(cè)試,并取平均值。

      圖11顯示了激光功率及焊接速度對(duì)拉伸性能的影響。如圖11a所示,隨激光功率增大,接頭最大拉伸載荷增加,在焊接功率3.0 kW時(shí)取得最大值。這是因?yàn)?,隨焊接功率增大,熔化的金屬量增加,所以最大拉伸載荷增加。圖11b為5~9號(hào)焊接接頭最大拉伸載荷的擬合結(jié)果,隨焊接速度增大,最大拉伸載荷呈先增大后減小趨勢(shì),這與理論上有所差異,可能是因?yàn)楹附咏宇^發(fā)生軟化或焊縫出現(xiàn)咬邊的影響。因此對(duì)這幾組試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,檢驗(yàn)接頭是否出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

      圖11 工藝參數(shù)對(duì)接頭拉伸性能影響

      圖12為5~9號(hào)試樣焊接接頭顯微硬度分布。可以看到,不同焊接速度下顯微硬度變化趨勢(shì)大致相同,從母材到焊縫中心,顯微硬度均經(jīng)歷一個(gè)先減小后增大的過程。因此,認(rèn)為各試樣焊接接頭出現(xiàn)了軟化區(qū),該區(qū)在焊接過程中,因離焊縫中心較遠(yuǎn),所受熱循環(huán)溫度小,達(dá)到相變溫度的組織少,大部分鐵素體組織發(fā)生重結(jié)晶形成鐵素體顆粒,而達(dá)到相變點(diǎn)溫度的鐵素體冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體,導(dǎo)致該區(qū)硬度降低。圖13為不同焊接速度下軟化區(qū)硬度最低值與母材平均硬度對(duì)比,可以看到隨焊接速度增大,硬度最低值也發(fā)生增大,接頭軟化程度減弱?;诖?,圖11b中焊接速度在55~75 mm/s時(shí),最大拉伸載荷隨焊接速度增加而增大,是因?yàn)楹附铀俣仍龃螅宇^軟化程度減小造成的。但焊接速度在35~55 mm/s范圍內(nèi),最大拉伸載荷卻沒因焊接速度增大和軟化程度降低而減小,主要是因?yàn)楹缚p咬邊的影響,由圖5可知,在此焊接速度范圍內(nèi),咬邊程度隨焊接速度增大,導(dǎo)致這幾組試樣最大拉伸載荷較低。由此可以看到,咬邊的出現(xiàn),對(duì)焊接接頭拉伸性能至關(guān)重要。

      圖12 焊接接頭硬度分布曲線

      圖13 不同焊接速度下軟化區(qū)硬度變化

      3 結(jié)論

      (1)通過單因素試驗(yàn)方法,分析了焊接功率和焊接速度對(duì)焊縫成形影響。焊接功率3 kW,焊接速度45 mm/s時(shí),在得到較高質(zhì)量焊縫形貌同時(shí),焊縫熱影響區(qū)可獲得均勻組織且焊接接頭具有較高拉伸載荷,該工藝參數(shù)最適。

      (2)適當(dāng)增加焊接速度有利于消除焊縫表面內(nèi)凹現(xiàn)象。焊縫中心主要由板條馬氏體組成,熱影響區(qū)主要由馬氏體和鐵素體組成,在不同位置馬氏體和鐵素體的含量有所相同。隨焊接功率增大或焊接速度減小,焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)鐵素體含量減少、馬氏體含量增加、馬氏體束尺寸增大。

      (3)焊接接頭出現(xiàn)軟化區(qū),該區(qū)相較于母材硬度降低,增大焊接速度有利于消除接頭軟化程度,在焊速55~75 mm/s范圍內(nèi),焊接接頭軟化程度隨焊速增大而減小。

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