CO2气体保护的激光焊接12mm厚低碳钢板

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1、万方数据第23卷第6期焊接学报v。1．23N。．62O2年l2月TRANSACTl0NSOFTHECHINAWELDINGINS，rITUTIONDecembef2O02C02气体保护的激光焊接12mm厚低碳钢板张旭东1，陈武柱’，芦田荣次2，松田福久2(1清华大学机械工程系，北京100084；2．日本发电设备技术检查协会，日本茨城县312—0003)捕要：采用co：作为保护气体消除大熔探激光焊接低碳铜时易发生的气孔问题，井对比研究了cO：和^r气保护条件下12mm厚低碳钢板激光挥缝的组织和韧性。焊接试验

2、利用4kwNd：YAG激光器，采用双面深熔焊的方法，焊接条件为4kw激光功率和o．3，0．5n∥min的焊接速度。冲击试验采用一种自行设计的带侧面缺口的三缺口冲击试洋，以保证断裂全部发生在焊缝。结果表明，利用c0：作保护气体焊接低碳钢板，可以有效消除大熔探激光焊接时的气孔问题，并获得比Ar气保护下硬度较低，冲击韧性高的焊缝。研究工作为解决大功率激光探熔焊时容易发生的气孔问题提供了一条有效途径。关键词：Nd：YAG激光焊接；低碳钢；气子L；焊缝组织；冲击韧性中图分类号：附56．7文献标识码：A文章编号：02

3、53—360x(2002)06—5l一05瞒地水O序言随着大功率激光器技术的发展，激光深熔焊技术已经开始大量地应用于汽车、造船、核电站结构件、航空航天等领域。激光焊接最突出的特点，即其极高的功率密度可以产生窄而深的焊缝和获得很快的冷却速度，使得激光焊接在大规模生产和高质量产品要求的场合具有极强的竞争力。但是，随着焊接熔深的进一步增加，人们发现激光焊接在真正完全成功地应用于厚大构件的焊接之前必须解决一个问题，即气孔‘““。日本M啦unawa等人利用x射线对小孔和熔池的流动行为进行了深入的观察和分析。研究表明

4、，激光焊接的小iL内部处于一种不稳定振动状态，小iL和熔池的流动非常剧烈，小孔内部的金属蒸汽向外喷发引起小孔开口处的蒸汽涡流，将保护气体卷入小孔底部，随着小孔向前移动，这些保护气体将以气泡形式进入熔池。如果是惰性气体，如Ar或He，因其溶解度极低，再加上激光焊接的冷却速度很快，气泡来不及逸出而被残留在焊缝，形成气孔。这不同于传统电弧焊中的反应气孔。目前，解决这种气孔问题主要从两方面考虑，一是设法改变小孔的行为，减少保护气体被卷人小孔．如可以收穑日期：2002～04—10基童项目：国家重点基础研究坦化资助项

5、目(c1988061500)清华大学985资金资助项目(012—08l100500)采用脉冲焊的方法”’1。另外是利用冶金原理，采用活性气体，使得气体能够溶解于焊缝或与熔池金属发生反应生成化合物。例如．304不锈钢的激光焊接可以采用氮气作保护气体，因为N：在奥氏体不锈钢中有较大的溶解度”o。但对于低碳钢来说，N：显然不能作为保护气体，因为N：在铁索体中的溶解度很低，在溶池冷却过程中，溶解的N：将形成氮气孔或形成氮化物，严重影响焊缝性能”3。考虑到cO，可以防止氢、氮等气孔的产生，而且激光焊接过程的加热和冷

6、却速度快，熔池存在时间短，同时母材有一定的合金元素si，Mn等，可以起到脱氧的作用，因此使得出现c0气孔的可能性减少。但是，采用cO：保护气体可能会出现焊缝含氧量增加从而导致焊缝韧性下降，这是在使用co：保护气体消除或减小气iL倾向时必须考虑的问题。目前，国外学者正在进行利用cO。气体保护来减小激光焊接低碳钢的气孔倾向的研究，而国内还没有开展大熔深激光焊接气孔问题的研究。文中通过进行cO，和Ar气保护条件下的激光焊接试验，对比分析焊缝的气孔缺陷及焊缝组织和冲击韧性，得到cO：保护条件下激光焊接低碳钢的组织

7、和性能特点。1试验材料和方法1．1试验材料和焊接条件万方数据52焊接学报第23卷试验中采用的低碳钢工件尺寸为200mm×150mm×12n一，成分如表l所示。工件焊前机械加工表面，并用丙酮清洗。表1母材及激光焊缝的化学成分Table1ChelnicaIcoInp嘴i廿oD0fbasemetal&聊岫melal【％I采用TⅢmph公司的Hu006DNd：YAG激光器，连续输出模式，透镜焦距为200mm，焦点位置光斑直径为0．6mm。焊接条件如表2所示，激光功率为4kw，保护气体流量为20L，min。表2激光

8、焊接条件{双面焊：’rable2Wel击哩∞ndmo璐1．2焊后分析方法1．2．1缺陷探伤和成分分析焊后首先用x射线对焊缝进行无损探伤，观察气孔情况。然后对焊缝进行化学成分分析，其分析方法为c、s通过高频燃烧红外吸收法．si通过重量法，Mn、P通过原子吸收光度法，0通过惰性气体溶解红外线吸收法．H通过惰性气体溶解热传导法。1．2．2组织观察和硬度测试焊后利用光学显微镜对焊缝的组织进行观察，并测量焊缝金属的硬度分布情况。1．2．