海上风电结构钢电弧与激光锻造复合焊接修复工艺研究

蔡文龙 ，张永康 ，孙泽永 ，，刘健航 ，吴寿桥 ，范运鹏

（ 1. 广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006；2. 广东雷锛激光科技有限公司，广东佛山528225；3. 阳江市高新投资开发有限公司，广东阳江 529533 ）

21 世纪是海洋世纪，海洋资源的开发和利用已成为各国关注的焦点，世界主要海洋国家都在加强海洋资源开发装备的技术储备，而我国对海洋资源的开发主要集中在近海[1]。 党的十八大提出“提高海洋资源开发能力，建设海洋强国”的国家战略。 根据习总书记的讲话[2]，“海洋事业关系民族生存发展状态”，要“加快培育海洋工程制造业这一战略性新兴产业”，并“使海洋经济成为新的增长点”。 因而，发展高端海洋工程装备、 推动海洋经济健康发展，已成为我国的迫切需要。 但是海洋钻井平台作业环境恶劣，对海洋平台用钢有很高的要求[3-4]。 E690 海工钢属于高强度结构钢， 常用在大型海洋平台上，会随着长时间的海水腐蚀、风力侵蚀出现裂纹、气孔等损伤， 从而在海洋平台上出现宽而深的焊缝，若用电弧焊接会产生气孔、 裂纹及未焊透的现象，而采用多道多层焊接又会造成资源浪费、增加生产成本。 为确保焊缝质量，避免出现裂纹气孔，采用激光焊接技术对于海工装备的发展至关重要[5]。

20 世纪70 年代，Steen 将激光焊和电弧焊叠加在一起同时焊接一道焊缝，得到高质量焊缝，由此提出了激光-电弧复合焊接技术[6]。 目前的复合焊接技术都是两种热源耦合进行焊接或用激光与两种电弧热源进行耦合焊接，这类方式可以对一般板材进行单道焊接，但是易发生弯曲变形，增加了热输入[7]。 为了进一步减少变形与气孔的产生，增加焊缝的熔深熔宽是目前激光电弧复合焊接亟待解决的问题[8]。

1 试验设备、材料与方法

1.1 试验设备

如图1 所示，试验采用脉冲锻打激光器和自行设计的数控电弧焊接一体化系统，该系统可以进行水平焊接与旋转焊接，并可调节电流电压与送丝速度。 制冷系统采用激光冷水机，在焊接过程中需要释放冷水，避免焊枪由于温度过高而烧坏；保护气为Ar+CO2焊接混合保护气，流量为20 L/min。 电动机驱动滚动丝杠向前移动，手动将焊枪移至工件附近处，通过焊接系统的自动调节按钮对工件与焊枪距离进行精准定位。

图1 自动焊接设备简图

1.2 试验材料与方法

焊接试验选择E690 海工钢钢板作为材料，尺寸150 mm×120 mm、厚度15 mm 的矩形钢板，焊丝采用1.6 mm 的高硬度耐磨焊丝，通过CO2/MAG 送丝装置进行输送。 采用MAG 电弧焊接可有效提高熔滴过渡的稳定性，稳定阴极斑点，增大电弧热功率，减少焊接缺陷并降低焊接成本。

在焊接试验前，将工件进行切槽，通过切槽模拟焊缝，再对焊缝处进行焊丝填充[9]。 焊接试验后将工件切割成小块，方便后续的观察和测量，经过打磨、抛光和金相腐蚀后进行测定[10]。硬度通过数字式显微硬度计进行测定，残余应力通过X 射线残余应力测定仪进行测定， 焊缝的3D 形貌通过激光共聚焦显微镜进行测定。

2 电弧与激光锻造复合焊接修复研究

2.1 焊接基本原理

如图2 的焊接示意图，在焊接开始时，电弧焊接与激光冲击锻打同时进行， 电弧在熔池凝固之前，脉冲激光束利用冲击波的力效应直接作用在电弧焊接的修复层温度区，两者相互作用，直至焊接修复完成。

图2 电弧与激光锻造复合焊接示意图

2.2 硬度分析

分别采用单道电弧焊接、多道电弧焊接和复合单道焊接三种方式，对厚度为15 mm 的海工钢板分别焊接并进行硬度测试，在显微镜下观察出现菱形状压痕，说明硬度测试正常。 在焊接区和基体区施加的载荷分别为 1000 gf 与 500 gf， 当载荷大于1000 gf 时，压痕面积大于显示屏面积，不能精准测量硬度值；当载荷小于500 gf 时，压痕不是规则菱形，因此载荷为1000 gf 与500 gf 为最优值。 测试时间为10 s，焊接区与基体区的硬度测试结果分别见图 3、图 4。

由图3 可见， 在焊接区的三种焊接方式中，硬度最大的为多道电弧搭接，平均值为728.6HV，最大值出现在第三点位的770HV，也是三种焊接方式的最大值， 这是由于第三点位正是在搭接的内部，经过多道搭接，使得硬度较高；单道电弧焊接与单道复合焊接的平均值分别为613.5HV 和696.3HV。 由图4 可见，采用电弧与激光锻造复合焊接修复方式所得工件的基体区硬度最大，最大值为301.2HV，这相比于焊接区的硬度减小了很多，这是由于焊接区采用高硬度耐磨焊丝，其硬度较高；电弧焊接和多道搭接的最大硬度值分别为192.5HV 和289.7HV，小于复合焊接的硬度值，这是由于电弧与激光二者热力耦合作用，增加了工件的表面硬度。 试验证明，电弧与激光锻造复合焊接后的硬度值远大于电弧焊接，也增强了工件的力学性能。

图3 焊接区硬度分析图

图4 基体区硬度分析图

2.3 残余应力分析

残余应力是检验工件力学性能的重要指标，判断工件是否具有残余压应力。 将电弧焊接与电弧激光锻造复合焊接做对比，分别在其焊缝区、热影响区及母材区对焊接件进行残余应力测试，得到的测试结果见图5。可见，无论是电弧焊接还是电弧与激光锻造复合焊接，残余应力都是负值即都存在残余压应力，对工件的抗疲劳性起到加强的效果。 图中第一点位为焊缝区，第二点位为热影响区，第三点位为母材区， 最大残余压应力点都处于焊缝区，这是由于焊缝区是改变其力学性能和抗疲劳性能的最佳区域；电弧焊接、电弧与激光锻造复合焊接最大残余压应力分别为-122.1、-232.5 MPa；复合焊接的残余压应力接近于电弧焊接的2 倍，是由于脉冲激光束利用其自身的力效应在焊缝区内对固液共存的熔池进行快速锻打，也证明了两者的热力耦合作用起到了加强效果， 改变了钢板的抗疲劳能力，进一步增加工件的疲劳寿命。

图5 残余应力分析图

两种焊接方式在热影响区和母材区的残余应力都有所下降，由于利用脉冲的力效应，不存在热输入情况，因此向下面区域热输入传输较少，主要集中在焊缝区进行激光冲击锻打，对热影响区和母材区影响较小，也证明了减少热输入，工件的变形量也相应减少，因此大大增加了力学性能。

2.4 3D 形貌分析

通过3D 形貌分析可以观察电弧焊接和复合焊接的截面情况，通过激光共聚焦显微镜观察两种焊接方式的表面形貌，如图6 所示。 可见，电弧焊接的气孔比较多，一共有3 个气孔，宏观上看，第三个气孔最大最深。

图6 两种焊接断面形貌

图7 是电弧焊接的X、Y 剖面线测量所得的形貌图，可见孔的最深位置在中心线偏下一侧，最深为 227 μm。 X、Y 剖面线误差为 2 μm，因此测量较为准确。

图7 电弧焊接的剖面线测量图

图8 是复合焊接的X、Y 剖面线测量所得的形貌图，可见经过电弧与激光冲击锻打复合焊接后气孔明显有所改善， 气孔深度与气孔面积均减小，气孔深度由 227 μm 减小至 187 μm，由此证明，电弧与激光锻造复合焊接修复可以减少工件气孔、增加抗疲劳性能。

图8 复合焊接的剖面线测量图

3 结论

通过电弧焊接和电弧与激光锻造复合焊接两种焊接方式对海工钢板进行焊缝修复，并通过硬度测试、残余应力测试、3D 形貌观测，得到以下结论：

（1）分别对电弧单道焊接、电弧多道焊接以及复合焊接的工件进行硬度测试，三者的硬度平均值分别为 613.5HV、728.6HV 和 696.3HV。 其中，电弧多道焊接的硬度值最大，电弧与激光锻造复合焊接较电弧单道焊接的硬度值更大。

（2）将电弧焊接与电弧激光锻造复合焊接做残余应力测试对比，结果表明，电弧与激光锻造复合焊接最大残余压应力为-232.5 MPa， 而电弧焊接最大残余压应力为-122.1 MPa， 复合焊接的残余压应力接近于电弧焊接的两倍。

（3）通过激光共聚焦显微镜观察两种焊接方式的表面形貌，经过电弧与激光冲击锻打复合焊接后气孔明显有所改善， 气孔深度与气孔面积均减小，气孔深度由原来的227 μm 减小至187 μm。