铝青铜水下湿法激光焊接焊缝成形与力学性能

蔡志海， 尤家玉， 秦 航， 柳 建， 刘 军

(陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心， 北京 100072)

水下湿法激光焊接技术，是指在水下环境下不采取特殊手段排水，直接在水中应用激光进行作业的焊接技术。由于湿法焊接直接在水中操作，易受水文状况、水深等诸多因素影响[1]，导致焊接接头质量较差，但同时又具有成本低、操作方便、适合多种环境使用[2-4]等优点，因此提高其焊接质量是一项非常有意义的工作。目前，国内外研究者对水下湿法焊接技术的研究主要集中在合金钢方面，而对舰船螺旋桨的主要制造材料——铝青铜还未进行深入研究[5-6]。基于此，笔者研究了QAL9-4铝青铜水下湿法焊接时焊接速度、水深以及在基体表面预置自蔓延材料对焊缝成形的影响，对焊缝微观组织及力学性能进行了分析，以期对舰船快速修复具有一定的指导作用。

1 实验方法

该实验平台主要由龙门式多功能焊接实验系统、IPG YLS-6000光纤激光器及激光焊接头、水下环境模拟装置等组成。其中：光纤激光器是该实验平台的重要组成部分，其最大输出功率为6 kW，激光波长为1.07 μm，激光经过芯径为200 μm的光纤传导至激光焊接头，然后通过聚焦系统得到直径为0.36 mm的光斑。

实验采用材料为QAL9-4铝青铜，其化学成分如表1所示，试样尺寸为80 mm×80 mm×10 mm。焊接试验分为自熔焊和对接焊，其焊接工艺参数如表2所示，其中1、2号均为自熔焊工艺参数，3号为对接焊工艺参数，且2、3号基体表面涂覆了成分为CuO和Al的高热剂，还含有造气、造渣成分。

表1 QAL9-4铝青铜主要化学成分 wt%

表2 焊接工艺参数

焊接前,用粗砂纸对试样进行打磨，以去掉氧化膜及减弱铜对激光的反射作用，然后用无水乙醇清洗去除表面油污等杂质。焊接后，采用线切割方法沿垂直于焊接方向切割试样，经打磨、抛光后，用三氯化铁5 g、盐酸15 mL和水100 mL配制成腐蚀剂腐蚀试样，备用。

采用三维形貌仪观察试样形貌；采用备有X射线能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)对试样的微观组织和微区成分进行观察与分析；采用维氏显微硬度仪测定其显微硬度；利用万能试验机对试样进行拉伸试验，分析断口微观特征，其中试样尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样尺寸

2 结果与分析

2.1 焊缝成形影响因素分析

2.1.1 焊接速度

在水下环境中，当激光功率为6 kW，水深h=4 mm，离焦量为-2 mm时，不同焊接速度时的焊缝宏观形貌如图2所示。可以看出：1)当焊接速度v=0.3、0.6 m/min时，焊缝熔宽大，表面起伏较大，有许多较大气孔，且焊缝表面及其附近氧化严重，焊缝成形差；2)随着焊接速度增大，焊缝成形变得均匀，余高减小，表面气孔略有减少且较为细小，氧化现象也有所改善。这是因为铜的热膨胀率很高,在与多数其他材料冶金结合时容易产生缺陷[7-10]，其中:当焊接速度低、基体吸收激光能量较多时，基体膨胀剧烈；当焊接速度增大时，基体吸收激光能量减少，导致受热时间缩短，在水下环境中冷却速度快的情况下，基体膨胀减弱，表现为焊缝成形趋于良好。

图2 不同焊接速度时焊缝宏观形貌

在水下环境中，不同焊接速度时所得到的沿垂直于焊接方向的焊缝横截面形貌如图3所示。可以看出：

1) 熔宽、熔深随焊接速度的增大而总体上呈减小趋势：当焊接速度v=0.3 m/min时，熔深最大，为3.24 mm，熔宽最大，为5.33 mm；当焊接速度v=2.4 m/min时，熔深最小，为1.24 mm，熔宽最小，为2.8 mm。

2) 从横截面看，焊缝缺陷现象并没有因为焊接速度的变化而有所改善。这说明：图1中焊缝表面缺陷随着焊接速度的增大逐渐变小，只是焊缝宏观形貌的改善，而内部缺陷并没有减少。

图3 不同焊接速度时沿垂直于焊接方向的焊缝横截面形貌

2.1.2 水深

当激光功率为6 kW，焊接速度为1.8 m/min，离焦量为-2 mm时，不同水深时的焊缝宏观形貌如图4所示。可以看出，焊缝表面熔宽随水深的增大略有增大，但焊缝均匀性未受到影响：

1) 当h=1,2 mm时，焊缝表面成形良好，无明显缺陷。这是因为：当水深较小时，高能量的激光使焊接区域及其附近在短时间内达到高温，水分被蒸发或排开，形成局部干燥条件。

2) 当h=3 mm时，焊缝表面明显有气孔出现，焊缝余高明显较大，且随着水深增大，气孔由细小逐渐变大。这是因为：水深的增大，一方面增大了焊接区域的水压，另一方面焊接区域附近水量增多，激光在焊接过程的短时间内无法使水全部蒸发或排开，焊接过程中就会有水分侵入到熔池中，进而形成气孔，而当内部气孔较多时，就会表现为焊缝余高较大。

3) 当h≥6 mm时，激光无法在基体表面形成焊缝。一般情况下,当水深h≥30 mm时，约70%的激光能量可以顺利透过水介质到达工件表面；当水深h<10 mm时，可使90%以上的激光能量到达工件表面。即在水深h<10 mm情况下，激光能量到达基体表面后损失很少，从理论上讲完全可以继续进行焊接，这与实验结果不符。造成这种现象的原因为：(1)当激光光束与工件相互作用时，工件表面温度急剧上升，使得周围水分迅速蒸发，从而在水中产生大量的气泡，气泡沿着激光光束传输路径逆向上浮，对激光光束产生严重的散射、折射和吸收作用，使得光束传输方向发生改变，增加了水体对激光光束的衰减作用[11]；(2)当水深h≥3 mm时，一种激光诱导产生的等离子体会对入射激光束产生强烈的屏蔽作用[12]。因此，如何减少激光在传输过程中的阻碍因素，是提高激光利用率的重要途径。

图4 不同水深时焊缝宏观形貌

图5为不同水深时所得到的沿垂直于焊接方向的焊缝横截面形貌。可以看出：

1) 熔宽、熔深随水深的增大变化较小：(1)当h=1 mm时最大熔宽为3.95 mm，而h=2 mm时最小熔宽为3.23 mm，即熔宽约为3.5 mm；(2)当h=2 mm时最大熔深为2.66 mm，而h=5 mm时最小熔深为1.56 mm，即熔深约为2 mm。

2) 从横截面看，焊缝内部存在较多气孔，且随水深增大而增多，同时余高也逐渐增大。这说明：在水下焊接过程中有水分进入熔池，而在焊接时水介质与激光作用产生的气体大部分未逸出，这样水深增大会导致侵入熔池的水量增多，同时也增加了气体逸出的难度，进而使缺陷随水深的增大逐渐增多。

图5 不同水深时沿垂直于焊接方向的焊缝横截面形貌

2.1.3 基体表面预值自蔓延材料

当激光功率为4 kW、水深为4 mm、离焦量为-2 mm时，在基体表面预置自蔓延粉末(主要组成为高热剂(CuO+Al)、造气剂(GaCO3)和造渣剂(GaF2))后，不同焊接速度时得到的焊缝宏观形貌如图6所示。可以看出：在不同焊接速度下均能形成连续均匀、无明显缺陷的焊缝,这说明在基体表面预置自蔓延粉末能够有效改善焊缝成形。

图6 不同焊接速度时得到的焊缝宏观形貌

在基体表面预置自蔓延粉末后，不同焊接速度时得到的沿垂直于焊接方向的焊缝横截面形貌如图7所示。可以看出：与2.1.1,2.1.2中未预置粉末的一般湿法焊接相比，基体表面预置自蔓延粉末后焊缝内部的气孔缺陷有所减少，且在焊接速度较大时焊缝内气孔减少明显。分析其原因为：1)在焊接过程中，氧化铜和铝粉发生剧烈的铝热反应，持续燃烧的火焰在焊缝正上方形成了稳定通道，阻止了水对熔池的入侵；2)造气剂碳酸钙在反应过程中放出的惰性气体二氧化碳，在熔池处营造出了局部干燥空间；3)粉末中的GaF2能够有效除去水与激光作用产生的氢，从而使气孔大量减少。

图7 基体表面预置自蔓延材料后的不同焊接速度时的焊缝横截面形貌

2.2 微观组织与成分分析

图8为铝青铜水下预置自蔓延粉末焊缝的中上部和底部显微组织照片。可以看出：焊缝中上部组织主要为胞状晶，而焊缝底部组织存在较多树枝晶，枝干生长很发达,且具有一定的方向性。

分析其原因为：根据激光快速凝固的相关理论[13]可知，熔池不同区域的凝固速度受凝固方向角的影响,其角度越小,凝固速度越快；由于焊缝中上部在凝固时凝固角度小,其生长速率大,因此生长成胞状晶；焊缝底部的散热方式主要是热传导,晶体生长速率随着凝固方向角的增大而降低,当速率降到胞枝转变临界速率时,晶体就以树枝状生长，而铝青铜基体垂直面上的温度梯度最大,则树枝晶生长总体上具有方向性。

图8 铝青铜水下预置自蔓延粉末焊缝显微组织照片

图9、10分别为焊缝面的扫描试样及元素分布图和扫描成分，可知：焊缝的元素组成主要有Cu、Al、Fe、O，与基体相比无明显差别，其中焊缝含有少量O可能是在焊接过程中Al发生了氧化；O和Fe有明显的偏析，且主要分布在晶胞上，晶间存在较少。

图9 焊缝面扫描试样及元素分布图

图10 焊缝面扫描成分

2.3 力学性能分析

图11为焊接接头从焊缝中心到基体一侧的硬度变化曲线。可以看出：基体和热影响区硬度约为160 HV，焊缝硬度约为240 HV,与基体相比平均硬度提高了50%。

图11 焊缝硬度变化曲线

在功率为4 kW、焊接速度为0.9 m/min、水深4 mm、离焦量为-2 mm、基体表面预置自蔓延粉末后制得的拉伸试样，其断裂位置如图12所示。可知：断裂位置均处于焊缝处，其中基体抗拉强度为540 MPa，试样平均抗拉强度为235 MPa，为基体的43%。

图12 拉伸试样断裂位置

图13为拉伸试样微观断口形貌，可以看出：断口中存在少量韧窝，属于解理范畴，说明试样为脆性断裂。

图13 拉伸试样微观断口形貌

3 结论

通过观察湿法激光焊接后QAL9-4铝青铜焊缝表面和横截面形貌，并对焊缝力学性能进行了测试，得出如下结论：铝青铜进行水下湿法焊接会产生大量气孔，提高焊接速度能够改善焊缝成形质量，但无法减少焊缝内部气孔；水深增加会导致气孔增多，当水深增加到6 mm以上时，焊接已经无法正常进行；在基体表面预置自蔓延材料能使气孔大量减少,与基体相比，焊缝的平均硬度提高了50%，平均拉伸强度为基体的43%。

下一步,将研究预置自蔓延材料成分和预置粉末厚度对焊缝质量的影响规律，探索减少焊缝气孔缺陷、提高湿法焊接质量的工艺方法。