如何处理不锈钢焊接接缝

随着科学技术的发展不锈钢焊接接头如何处理，现代工程机械及国防装备逐渐向大型化、高参数化发展，厚壁金属材料的应用越来越广泛，尤其是核电设备、坦克装甲、海洋工程及船舶舰艇等重点制造领域。焊接厚壁金属材料常用窄间隙焊接技术，该技术是由Battelle研究所发明，其以现有焊接方法为基础，结合特殊焊接工艺可实现厚壁金属材料的高效焊接。窄间隙焊接主要是以弧焊为基础，尤其是埋弧焊（SAW）、熔化极活性气体保护电弧焊（MAG）及熔化极惰性气体保护电弧焊（MIG）等。因此，日本压力容器研究委员会将其定义为不锈钢焊接接头如何处理：窄间隙焊接是将30mm以上厚钢板，按小于板厚的间隙相对放置开坡口，再进行自动化或非自动化弧焊的方法（当板厚＜200mm时，间隙＜20mm不锈钢焊接接头如何处理；当板厚＞200m m时，间隙＜30mm）[1，2]。随着厚壁金属材料呈现多样化趋势，以弧焊为基础的窄间隙焊接技术在新材料上的应用受到了一定的限制。

激光具有能量密度高、指向性强的优势，近年来逐渐作为窄间隙焊接工艺的优质热源而受到广泛关注。特别是窄间隙激光填丝焊技术（NG-LW），可满足对加工和装配精度要求苛刻构件的焊接应用，同时通过焊丝的填充，可对焊缝进行冶金调控，细化组织晶粒，并且可利用低功率激光实现中厚板的焊接，从而降低对高功率激光器的依赖[3]。近年来，窄间隙激光填丝焊技术发展迅猛，然而其在厚板材料的实际应用中仍然存在熔合不良、焊接气孔、焊接变形及应力大和焊接接头塑韧性差等不足。

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熔合不良

厚板窄间隙激光填丝焊过程中的未熔合缺陷主要是侧壁未熔合。MATSUMOTO T等[4]使用窄间隙激光填丝焊技术焊接板厚为60mm的SA-516钢板发现的侧壁未熔合缺陷如图1所示。

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图1 侧壁未熔合缺陷

对于厚板材料的窄间隙坡口形式而言，侧壁未熔合缺陷不仅会大幅降低焊接接头的承载能力，还会产生应力集中现象。另外，当构件承受动载荷时，其会成为疲劳裂纹的起裂源。因此，在焊接过程中，应该完全杜绝侧壁未熔合缺陷的产生。

张国伟[5]使用超窄间隙激光在开有槽形坡口的20mm厚不锈钢板上进行焊接，在焊接第5道时出现了图2a所示的侧壁未熔合缺陷，其微观形貌如图2b所示。由图2可知，该缺陷出现在熔合线上，呈现出未熔合和焊接气孔两种特征，对缺陷进行能谱分析发现氧含量（质量分数）高达4.95%，因此该侧壁未熔合可能是由于前一道焊缝表面被氧化导致润湿性降低或焊接保护不好所造成的。

a）侧壁未熔合宏观形貌

b）侧壁未熔合微观形貌

图2 氧化导致的侧壁未熔合缺陷

另外，坡口角度过大会导致侧壁发生未熔合现象。李若杨等[6]通过对比不同坡口角度的低碳钢窄间隙激光填丝焊试验，发现坡口角度过大时，会导致侧壁之间间隙过大，作用于侧壁母材的激光能量会减少，导致熔化的焊丝与侧壁母材金属未能形成良好的冶金结合（见图3）。从图3可发现，当坡口角度减小至6°时，侧壁未熔合缺陷消失，但仍有少量夹杂和气孔缺陷存在。

a）10°坡口焊接接头横截面形貌 b）6°坡口焊接接头横截面形貌

图3 李若杨等研究的坡口角度对焊接缺陷的影响

SHI等[7]通过试验研究（见图4）也发现，坡口角度过大是导致侧壁未熔合产生的直接原因。由图4可看出，当坡口角度减小到5°后，侧壁未熔合缺陷消失，但出现了气孔缺陷。HUANG等[8]研究了激光能量在窄间隙坡口中焊接熔池、匙孔、焊丝及坡口侧壁母材的分配对焊接缺陷的影响规律，发现激光功率和光斑直径与侧壁未熔合缺陷密切相关，通过增大激光光斑直径，将激光能量直接作用于坡口侧壁母材，有利于解决坡口侧壁熔合不良缺陷。

a）10°坡口焊缝横截面形貌 b）5°坡口焊缝横截面形貌

图4 SHI等研究的坡口角度对焊接缺陷的影响

ELMESALAMY [9]与LIU等[10]研究发现，采用激光填热丝焊技术可减少激光能量的损耗，降低等离子体的强度，从而增加熔深，并可显著改善焊接过程的稳定性，避免产生侧壁未熔合缺陷。但是，当焊丝加热温度过高时，会造成飞溅的产生，并引起等离子体的波动，从而导致焊接过程不稳定。

HUANG等[11]研究发现，离焦量是影响9Ni钢激光填丝焊接过程中激光匙孔稳定性的直接因素，从而可间接决定侧壁熔合情况和焊缝成形。侧壁未熔合缺陷主要是由于坡口角度及间隙过大、激光能量不够、聚焦光斑作用范围小、惰性气体保护不良，以及液态熔池金属流动铺展性较差等因素导致的。虽然通过采取小坡口角度及间隙、组合光斑和光束振荡等方法可提高光斑作用范围，解决侧壁未熔合缺陷，但同时也会增加焊接变形，提高焊接成本。同时，激光功率过低、焊接速度过快、激光光束指向偏斜、坡口侧壁有锈蚀及焊道层间清渣不彻底等因素，都会导致侧壁未熔合缺陷产生。

除侧壁未熔合外，窄间隙激光填丝焊时，还会因根部熔池容易滴落而导致焊缝根部形成未熔合缺陷。齐毅[12]研究了电磁辅助对窄间隙激光焊接厚板根部缺陷抑制行为的影响，其装置和原理如图5所示。

图5 电磁辅助激光焊接方法装置和原理

该研究首次提出了外加电流和磁场产生的向上电磁力解决熔池根部的驼峰缺陷和滴落造成的焊缝未熔合缺陷。研究表明，电磁力的存在可以维持熔池根部不被击穿，同时电磁力和熔池根部的表面张力使凸起位置的熔池重新流回到焊缝区域来避免出现根部未熔合，其过程如图6所示。

a）第1阶段

b）第2、第3阶段

图6 电磁力抑制熔池滴落造成焊缝未熔合缺陷的3个阶段

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焊接气孔

厚板窄间隙激光填丝焊接过程中产生的气孔主要是由于深熔匙孔的不稳定、气体无法规律性逸出所导致的[13]，这种气孔称为工艺型气孔。但也可能存在少量氢气孔、凝固缩松气孔以及在低温下因金属蒸气无法逸出而残留的气孔等[14]。

陈高等[15]使用CO2激光深熔焊焊接低碳钢，证明了匙孔的不稳定性是导致非熔透性焊接过程中焊缝出现气孔的主要原因。焊缝底部纵向横截面形貌如图7所示，匙孔的不稳定性导致焊接区与母材的交界处凹凸不均，还造成保护气随光束卷入，在凹陷部位形成气泡，从而形成工艺型气孔，焊缝横截面上出现的气孔如图8所示。对工艺参数的研究表明，当将保护气体流量设定为35L/min、激光束角度为37.5°时，会增加匙孔孔径，同时使光斑变大，提高了匙孔稳定性，从而能够很好地抑制气孔的形成。

图7 焊缝底部纵向横截面形貌

a）焊缝横截面 b）气孔形貌

图8 焊缝横截面气孔

DITTRICH D等[16]分别采用4kW的多模光纤激光器和5kW的单模光纤激光器，对有热裂倾向的6系铝合金厚板进行了窄间隙激光填丝焊，填充材料采用φ1.6mm的AlSi12焊丝。焊后发现焊缝中存在较多气孔，并且多模比单模激光焊接产生的气孔多。

KAWAHITO等[17]采用X射线和高速摄像手段观察因深熔匙孔的不稳定而产生气孔的过程，发现深熔匙孔在快速搅拌的熔池中，由于受到热和力的相互作用，故呈现不稳定状态，导致匙孔根部容易瞬间失稳，引发金属蒸气和匙孔内的保护气及少量空气卷入熔池而形成气泡，最终因熔池的快速冷却而形成气孔缺陷。谢余发生等[18]对20mm厚的铝合金进行了窄间隙激光填丝焊，研究了焊接工艺对气孔缺陷的影响机制。研究发现，如果提高激光功率和焊接速度，焊缝中气孔缺陷发生概率也随之增加。

为了解决厚壁铝合金激光填丝焊接头中存在的气孔问题，邹吉鹏等[19]进行了130mm厚5A06铝合金板窄间隙激光填丝焊，通过高速摄像研究了摆动激光下金属蒸气及等离子体波动特征、熔池流动特征（见图9），提出了激光束以圆形轨迹、较大频率进行摆动时，维持匙孔的阻力减小，熔池有序流动，更容易保持稳态，匙孔闭合率下降，可一定程度地降低焊缝气孔率。

a）有“回流”时匙孔内部受力 b）无“回流”时匙孔内部受力

图9 激光焊接匙孔内部受力模型

彭进等[20] 通过SiC颗粒示踪法得到了焊丝填充模式和送丝角度对激光填丝焊熔池表面波动及焊缝成形的影响规律，即随着送丝角度的减小，焊缝截面的气孔缺陷明显得到抑制，如图10所示。

a）15°

b）30°

c）60°

图10 不同送丝角度的焊缝截面形貌

在激光填丝焊接过程中，焊丝熔化及进入熔池的过程会对液态熔池造成冲击作用，焊丝对熔池的冲击力示意如图11所示。焊丝对熔池的冲击作用力FR可分解为沿熔池流动方向的横向冲击力FH和沿熔深方向的竖向冲击力FV。随着送丝角度的增加，焊丝对液态熔池竖向的冲击作用增加，造成熔池的表面波动更大，从而产生气孔缺陷的概率增加。

图11 焊丝对熔池的冲击力示意

大量试验表明，气孔是厚板窄间隙激光填丝焊接过程中容易出现的缺陷之一，液态熔池金属过快的冷却速度及凝固速度是产生焊接气孔的主要原因。虽然增加光斑直径和激光摆动的方法可以降低气孔率，但由于深熔小孔的存在，所以增大光斑直径和增加摆动模式无法完全抑制气孔的出现不锈钢焊接接头如何处理；另外，由于窄间隙激光填丝焊接的坡口间隙尺寸较小，光斑直径增加受限也将进一步限制气孔的完全消除。超声波辅助窄间隙激光填丝焊接方法提供了一种新的降低气孔数量理念，焊接时超声波的空化作用使熔池中存在的微小气泡产生振动，会有助于气泡逸出熔池。12mm厚Q345E钢超声波辅助窄间隙激光填丝焊焊缝与未加超声波焊缝射线检测结果如图12所示[21]。

a）未加超声波

b）加载超声波

图12 未加超声波和加载超声波辅助焊缝射线检测结果

通过研究气孔缺陷形成机理，调控某些工艺可以降低气孔缺陷的发生概率，比如匹配合适的送丝速度和焊接速度、调节焊接热输入、控制焊丝填充量、避免光斑过小而能量密度过大引起飞溅等手段，可一定程度地降低气孔率，但都无法从根本上完全抑制气孔缺陷的产生，还有可能带来焊接变形过大、焊接接头组织晶粒过大等其不锈钢焊接接头如何处理他缺陷。因此，如果为了完全抑制这类气孔，焊接过程中必须保证匙孔稳定[22]。

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焊接变形及应力大

在厚板材料窄间隙激光填丝焊过程中，坡口两侧母材如果熔化不均匀，则容易造成焊接接头产生焊接变形和应力集中；另外，厚板材料窄间隙多道次激光填丝焊的焊接接头经历多次焊接热循环作用，焊接接头组织在横向和厚壁方向将产生不均匀分布趋势。

ELMESALAMY等[23]采用窄间隙激光填丝焊方法进行了20mm厚不锈钢板的单面坡口形式焊接，发现窄间隙激光填丝焊接头中的拉应力峰值达到了310MPa，且存在一定程度的变形。ZHANG等[24]采用6kW光纤激光器，通过8道次填充，实现了50mm厚板X形坡口的不锈钢板激光填丝焊，获得了变形较小的焊接接头。赵勇等[25]选择纯He作为保护气体，进行30Cr2Ni4MoV钢的窄间隙激光填丝焊，将获得的焊接接头进行硬度性能测试，发现焊接接头的硬度分布不均匀，最大硬度值位于接头表层热影响区中的粗晶区，而焊缝区的硬度数值较热影响区低很多。

ZHANG等[26]进行了40mm厚超窄间隙316L不锈钢的激光填丝焊，并对获得的焊接接头沿着壁厚方向加工试样进行试验，发现焊缝中心的硬度和焊接接头拉伸性能从上向下都是逐渐增加的，层间的性能差异较大，并且拉伸试样均断裂于焊缝区域。分析差异主要是由层间的晶粒尺寸规格差别较大所引起的，母材和不同层焊接接头拉伸性能测试曲线如图13所示。

图13 母材和不同层焊接接头的拉伸性能曲线

ZHAO等[27]发现在厚板窄间隙坡口内，激光光束与送进焊丝的交点与待焊母材的距离大小是导致坡口两侧母材熔化行为出现较大差异的重要原因，从而造成焊接接头出现非均匀分布的应力变形。李俐群等[28]基于有限元计算软件，对16mm厚高强钢激光填丝焊的应力场和温度场进行了数值模拟。结果表明，层间控温可以降低焊接接头冷却速度，减小焊接接头残余应力，改善厚板多层焊接头性能分布不均缺陷；应力主要集中于中下部焊道及其热影响区，同时坡口在焊接过程中产生了较大的收缩，焊后焊接工件有一定程度的角变形。YOSUKE等[29]发现在激光填丝焊接过程中，当送丝速度过大时，激光光束能量不足以充分熔化焊丝，未熔化的焊丝金属容易残留于熔池中，造成元素偏析，从而造成焊接接头的应力集中与性能恶化。

由于激光光束的发散特性及采用激光光束摆动模式，会造成焊接坡口间隙容忍度较小，特别是在进行厚度较大的构件激光填丝焊时，为抑制焊接变形缺陷，往往加工的坡口间隙尺寸较大或者采用X形坡口，较大的坡口间隙与双面焊接不仅大幅影响焊接生产效率，也同时提高了成本。此外，过大的焊接坡口间隙会导致无法实现单道多层焊接，为焊接过程中产生熔合不良、夹渣等缺陷及晶粒组织粗大留下隐患，从而无法充分体现出窄间隙激光填丝焊的优势。减少焊接所需要的层道数是降低焊接变形的效途径之一，齐毅[12]在外加电流为2000A和磁场产生的电磁力作用下单道焊透了30mm的316L不锈钢板，如图14所示。

图14 磁力对30mm厚板焊接熔池深度

和焊缝成形质量的影响

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结束语

窄间隙激光填丝焊采用逐层逐道的添加形式，可以扩展坡口间隙的适应性，降低对高激光功率的应用，适用于厚壁金属材料的焊接。但是，因为激光热源的单一、加热范围的限制，所以易产生侧壁未熔合、根部未熔合、气孔、焊接变形及应力大等缺陷而恶化焊接接头性能。除了通过调控焊接参数来抑制缺陷的产生外，电磁及超声波等辅助的激光焊接为抑制这些缺陷提供了新的方法与思路，这种多场耦合的窄间隙激光填丝焊技术已经逐步成为当前研究热点之一。