CO2气体保护的激光焊接12mm厚低碳钢板
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收穑日期：２００２～０４—１０ 基童项目：国家重点基础研究坦化资助项目（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。
中图分类号：附５６．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３—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，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
暑
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ＤｉｓｔⅢ１ｃｅ ｔｏ ｗｄｄ ｃｅｎＩｅｒⅣｍｏ 函）
围４焊缝金属的硬度分布
Ｆｉｇ．４ Ｉｈｒｄｎｅ话ｄｉ：蛐ｕｔＩ蚰ｏｆ ｗｅｌｄ ｍｅｔａｌ
万方数据
焊接 学报
第２３卷
２．３焊缝韧性 图５为焊缝的三缺口冲击试验结果，从图中可
见，在相同的焊接条件下，ｃＯ，保护下的焊缝冲击吸 收功高于舢气保护的焊缝，而且这种差别随焊接速 度增加而加大。例如，０．３ ｍ／ⅡＩｉｎ的焊接速度下，两 种焊接条件下的冲击功分别为１６３ Ｊ和１３６ Ｊ。但在 ｏ，５ ｒｎ／ｍｉｎ的焊接速度下，两种保护条件下的冲击 吸收功分别为１０５ Ｊ和５６ Ｊ。
围７ Ａｒ气保护下焊缝冲击断口中观察到的气孔
（Ｏ．３ｍ／ｍＩＩＬｌ
乃ｇ．７
ＳＥＭ ｐｈ仉ｏ ０ｆ ｐｏｒｏｓｉｔｙ抽ｆｒａｃｔｕｎ ｕ辨ｄ Ａｒ曲．ｅ坩．ｍｇ
上述试验结果表明，在大功率激光焊接含少量 合金元素的低碳钢厚板时，如果采用惰性保护气体， 极易在焊缝中产生大量气孔。由于气孔的大量存 在，必然减少焊缝的受力面积，再加上激光焊接冷却 速度快，使得焊缝组织容易出现淬硬组织，因此冲击 吸收功较低。而采用ＣＯ：氧化性保护气体时，焊缝 中ｃ、ｓｉ、Ｍｎ的含量因氧化而略有减少，降低了焊缝 组织的淬硬倾向，得到硬度较低的组织，而且焊缝中 几乎没有气孔产生，因此其冲击韧性高于Ａｒ气保护 得到的焊缝。
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Ｌ ２７ ５±ｏ。１．２７ ５±０．１
亡蠡蜀
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圈２三缺口冲击试样尺寸和取样位置 ｎｇ．２ Ｓｉ醒蛐ｄ ｌｏ曲右ｏｎ ０ｆ ｔｌＩｒ∞＿ｎｏｌｃｈ
呻ａｎＩｅｓｌ ｐｊｅｃｅ
冲击试验后，利用扫描电子显微镜ｓＥＭ对断口 形貌进行了观察。
万方数据
第６期
张旭东，等：ｃ０：气体保护的激光焊接１２ ｎ一厚低碳钢板
图３为焊接速度为ｏ．３ ｍ／蚵ｎ时两种保护气体 条件下的焊缝组织照片。可以看出，Ａｒ气保护条件 下焊缝的组织主要是贝氏体和马氏体。而ｃＯ：保护 条件下的组织主要是侧板条铁索体，并含少量珠光 体和贝氏体。这是因为在同样焊接条件下，当使用 ｃＯ：作保护气体时，焊缝中ｃ、ｓｉ、Ｍｎ等元素有一定 氧化，减少了焊缝中碳和合金元素的含量，降低了奥 氏体的稳定性，因此促使铁素体转变。另外，在ｃＯ： 气体保护下焊缝中有氧化物夹杂出现，而在Ａｒ气保 护下则没有发现氧化物夹杂。用ＥＤＡｘ对氧化物
第２３卷第６期 ２ Ｏ Ｏ ２年ｌ ２月
焊接学 报
ＴＲＡＮＳＡＣＴｌ０ＮＳ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＷＥＬＤＩＮＧ ＩＮＳ，ｒＩＴＵＴＩＯＮ
ｖ。１．２３ Ｄｅｃｅｍｂｅｆ
Ｎ。．６ ２ Ｏ０ ２
Ｃ０２气体保护的激光焊接１２ ｍｍ 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）
５３
２试验结果和分析
成分分析可知，氧化物中主要是ｓｉ、Ｍｎ的氧化物。
２．１ 保护气氛对焊接气孔和焊缝成分的影响 表３为焊缝ｘ射线探伤结果，焊缝总长为１５０
ｍｍ。可以看出，氩气保护条件下的焊缝中心出现大 量气孔，而ｃｏ：气体保护条件下则几乎无气孔出
现。在表ｌ中同时给出了焊接速度为Ｏ．３ ｒｎ／ｍｉｎ时 两种保护气体条件下得到的焊缝的主要化学成分， 与表中所示的母材成分相比可以看出，Ａｒ气保护下 的焊缝成分与母材相比没有明显变化，而ｃ０，保护 下的焊缝成分中氧的含量明显增高，ｃ．ｓｉ，Ｍｎ等元 素含量降低。这说明由于ｃ０：的氧化作用，ｃ，ｓｊ，
碳的氧化可能会导致ｃＯ气孔的产生，但实际 焊接结果表明在焊缝中并没有形成ｃＯ气孔，这是 激光焊接条件下氧化气氛对熔池金属的化学冶金作 用的结果。一方面，由于ｃＯ，在高温下和熔融金属 发生反应，生成金属氧化物和ｃＯ。使得因小孔的剧 烈波动而卷入小孔内部的保护气体形成汽泡的可能 性减小。另一方面，液态金属中氧含量的增加大大 降低熔池表面张力和粘度－“…，有利于在熔池前方 可能发生反应而生成的ｃＯ气泡在凝固过程中的逸 出。因此，虽然有少量碳被烧损，但并不形成ｃＯ气 孑Ｌ。 ２．２焊缝显微组织和硬度
综上所述，利用ｃＯ：作为保护气体进行低碳钢 的激光焊接可以有效地消除气孔，与同样焊接条件 下Ａｒ气保护的焊缝相比，虽然焊缝中氧的含量增 加，但Ｃ、ｓｉ、Ｍｎ等元素的少量烧损反而降低了因激 光焊接冷却速度快易出现淬硬组织的倾向，因此焊 缝的硬度低而冲击韧性高。
Ｆ唔３ Ｍｉｃｍｓｔ邛ｃｔＩｌｒ曙ｏｆ ｗｅ埘ｍｅｔａｌ
图４为在两种焊接速度下的焊缝硬度分布结 果，可以看出，在同样焊接条件下，用ｃＯ：保护的焊 缝硬度低于用Ａｒ气保护的焊缝。而且当焊接速度 为Ｏ．３ ｍ／“ｎ时．ｃｏ：气体保护下得到的焊缝硬度 甚至低于ＨＡｚ。Ａｒ气保护下，焊缝的硬度高于 ＨＡｚ，这是因为焊缝成分与ＨＡｚ基本相同，但具有 更快的冷却速度所致。
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２００ ｍｍ×１５０ ｍｍ×１２ ｎ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 Ｔａｂｌｅ １ ＣｈｅｌｎｉｃａＩ ｃｏＩｎｐ嘴ｉ廿ｏＤ ０ｆ ｂａｓｅ
ｍｅｔａｌ＆聊岫ｍｅｌａｌ【％Ｉ
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。 １．２．３冲击韧性试验
图ｌ为试验中得到的激光焊缝的照片。由图可 见，虽然焊缝表面的宽度约为４—５ ｍｍ，但焊缝的绝 大部分宽度只有２ ｍｍ左右。如果采用标准的Ｖ型 缺口冲击试样，由于焊缝很窄，冲击过程中裂纹极易 偏移至母材，不能保证断裂完全发生在焊缝金属。 为此．文中设计了一种三缺口冲击试样，其尺寸如图 ２所示。之所以称之为三缺口是因为试样在冲击方 向的缺口与标准缺口一样，但在试样两侧加工出深 度为０．５ ｍｍ的缺口。由于冲击缺口所在面的面积
小于其它部位，而且侧面缺口有引导裂纹扩展的作 用，因此可以保证断裂发生在焊缝。当然，这种试样 得到的冲击值不能与标准试样相比，论文中主要探 索研究不同保护气体对焊缝性能的影响，因此为了 保证获得焊缝的韧性数据，采用了这种方法。冲击 试验的温度为室温，每个数据作三个试样。
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４ ｋｗ，保护气体流量为２０ Ｌ，ｍｉｎ。
另外，在ｃＯ：气体保护下得到的焊缝冲击断口 中没有观察到气孔的存在，而在Ａｒ气保护的焊缝断 口中可以看到许多直径ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ在０．Ｉ—Ｏ．５ ｎ一的气ｉＬ， 如图７所示。图中也可以清楚地看出在视野中韧窝 状和解理断口的复合形貌，在气孔的右侧和上方为 韧窝状断裂，右下为解理断口，说明气孔周围的组织 并不相同。
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表２激光焊接条件｛双面焊： ’ｒａｂｌｅ ２ Ｗｅｌ击哩∞ｎｄｍｏ璐
图１ １ ２咖厚低碳钢板双面激光焊接的焊缝纵断面照片
卫毡．１ Ｐｈａｔ憾ｏｆ啪蟠ｓｅ甜ｏｎ ｏｆＩ拈盯ｗｄｄ ｏｆ
１２∞－ⅡＩｌｃｋ】ｏｗ ｃ口ｂｏｎ ｓｔ∞ｌ ｐ埘ｅ
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
Ｍｎ等元素被氧化烧损。其中Ｓｊ和Ｍｎ被氧化形成 氧化物夹杂残留在焊缝金属中，另有部分以ＭｎＯ— ｓｉＯ：熔渣的形式在焊缝表面。在焊后的焊缝表面 两侧可以发现玻璃态的断续分布的焊接熔渣。
表３ ｘ射线探伤结果 ＴａＭｅ ３ Ｘ一髓ｙ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｒ嘲ｄｔ
图３不同气体保护下的激光焊缝组粤｛照片 （焊接速度：０．３Ⅱ∥ＩＩｌｉｎ）
围５激光焊缝室温冲击韧性比较
ｎｇ．５ Ｉｍｐａｃｔ ａｂ∞ｒｂｅｄ ｅ聃ｒ盯０ｆｌ勰ｅｒ删凼ａｔ２９４ Ｋ
对冲击断口的观察表明，在焊接速度为０．３ ｒ∥ ｍ＿ｎ时，ｃｏ：气体保护的焊缝断口全部为韧窝状，是 典型的延性断裂，如图６ａ所示；而Ａｒ气保护下的焊 缝断口则是韧窝状和解理断口的复合形貌，图６ｂ显 示的是在断口中观察到的解理形貌。还可以观察到 二次裂纹的存在。当焊接速度为０．５ ｒｎ／ｍｌｍ，两种 保护气体下的焊缝断口都是韧窝状和解理断口的复 合形貌．只是在ｃＯ：保护的焊缝断口中的解理断口 面积的比例低于Ａｒ气保护。这说明，ｃＯ：保护下的 焊缝韧性好于同样条件下Ａｒ气保护得到的焊缝。
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１２ ｍｍ厚低碳钢板激光挥缝的组织和韧性。焊接 试验利用４ ｋｗＮｄ：ＹＡＧ激光器，采用双面深熔焊的方法，焊接条件为４ ｋｗ激光功率和 ｏ．３，０．５ ｎ∥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
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。
中图分类号：附５６．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３—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，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
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ｌ ｚ ｊ ｉ
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围４焊缝金属的硬度分布
Ｆｉｇ．４ Ｉｈｒｄｎｅ话ｄｉ：蛐ｕｔＩ蚰ｏｆ ｗｅｌｄ ｍｅｔａｌ
万方数据
焊接 学报
第２３卷
２．３焊缝韧性 图５为焊缝的三缺口冲击试验结果，从图中可
见，在相同的焊接条件下，ｃＯ，保护下的焊缝冲击吸 收功高于舢气保护的焊缝，而且这种差别随焊接速 度增加而加大。例如，０．３ ｍ／ⅡＩｉｎ的焊接速度下，两 种焊接条件下的冲击功分别为１６３ Ｊ和１３６ Ｊ。但在 ｏ，５ ｒｎ／ｍｉｎ的焊接速度下，两种保护条件下的冲击 吸收功分别为１０５ Ｊ和５６ Ｊ。
围７ Ａｒ气保护下焊缝冲击断口中观察到的气孔
（Ｏ．３ｍ／ｍＩＩＬｌ
乃ｇ．７
ＳＥＭ ｐｈ仉ｏ ０ｆ ｐｏｒｏｓｉｔｙ抽ｆｒａｃｔｕｎ ｕ辨ｄ Ａｒ曲．ｅ坩．ｍｇ
上述试验结果表明，在大功率激光焊接含少量 合金元素的低碳钢厚板时，如果采用惰性保护气体， 极易在焊缝中产生大量气孔。由于气孔的大量存 在，必然减少焊缝的受力面积，再加上激光焊接冷却 速度快，使得焊缝组织容易出现淬硬组织，因此冲击 吸收功较低。而采用ＣＯ：氧化性保护气体时，焊缝 中ｃ、ｓｉ、Ｍｎ的含量因氧化而略有减少，降低了焊缝 组织的淬硬倾向，得到硬度较低的组织，而且焊缝中 几乎没有气孔产生，因此其冲击韧性高于Ａｒ气保护 得到的焊缝。
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亡蠡蜀
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圈２三缺口冲击试样尺寸和取样位置 ｎｇ．２ Ｓｉ醒蛐ｄ ｌｏ曲右ｏｎ ０ｆ ｔｌＩｒ∞＿ｎｏｌｃｈ
呻ａｎＩｅｓｌ ｐｊｅｃｅ
冲击试验后，利用扫描电子显微镜ｓＥＭ对断口 形貌进行了观察。
万方数据
第６期
张旭东，等：ｃ０：气体保护的激光焊接１２ ｎ一厚低碳钢板
图３为焊接速度为ｏ．３ ｍ／蚵ｎ时两种保护气体 条件下的焊缝组织照片。可以看出，Ａｒ气保护条件 下焊缝的组织主要是贝氏体和马氏体。而ｃＯ：保护 条件下的组织主要是侧板条铁索体，并含少量珠光 体和贝氏体。这是因为在同样焊接条件下，当使用 ｃＯ：作保护气体时，焊缝中ｃ、ｓｉ、Ｍｎ等元素有一定 氧化，减少了焊缝中碳和合金元素的含量，降低了奥 氏体的稳定性，因此促使铁素体转变。另外，在ｃＯ： 气体保护下焊缝中有氧化物夹杂出现，而在Ａｒ气保 护下则没有发现氧化物夹杂。用ＥＤＡｘ对氧化物
第２３卷第６期 ２ Ｏ Ｏ ２年ｌ ２月
焊接学 报
ＴＲＡＮＳＡＣＴｌ０ＮＳ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＷＥＬＤＩＮＧ ＩＮＳ，ｒＩＴＵＴＩＯＮ
ｖ。１．２３ Ｄｅｃｅｍｂｅｆ
Ｎ。．６ ２ Ｏ０ ２
Ｃ０２气体保护的激光焊接１２ ｍｍ 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）
５３
２试验结果和分析
成分分析可知，氧化物中主要是ｓｉ、Ｍｎ的氧化物。
２．１ 保护气氛对焊接气孔和焊缝成分的影响 表３为焊缝ｘ射线探伤结果，焊缝总长为１５０
ｍｍ。可以看出，氩气保护条件下的焊缝中心出现大 量气孔，而ｃｏ：气体保护条件下则几乎无气孔出
现。在表ｌ中同时给出了焊接速度为Ｏ．３ ｒｎ／ｍｉｎ时 两种保护气体条件下得到的焊缝的主要化学成分， 与表中所示的母材成分相比可以看出，Ａｒ气保护下 的焊缝成分与母材相比没有明显变化，而ｃ０，保护 下的焊缝成分中氧的含量明显增高，ｃ．ｓｉ，Ｍｎ等元 素含量降低。这说明由于ｃ０：的氧化作用，ｃ，ｓｊ，
碳的氧化可能会导致ｃＯ气孔的产生，但实际 焊接结果表明在焊缝中并没有形成ｃＯ气孔，这是 激光焊接条件下氧化气氛对熔池金属的化学冶金作 用的结果。一方面，由于ｃＯ，在高温下和熔融金属 发生反应，生成金属氧化物和ｃＯ。使得因小孔的剧 烈波动而卷入小孔内部的保护气体形成汽泡的可能 性减小。另一方面，液态金属中氧含量的增加大大 降低熔池表面张力和粘度－“…，有利于在熔池前方 可能发生反应而生成的ｃＯ气泡在凝固过程中的逸 出。因此，虽然有少量碳被烧损，但并不形成ｃＯ气 孑Ｌ。 ２．２焊缝显微组织和硬度
综上所述，利用ｃＯ：作为保护气体进行低碳钢 的激光焊接可以有效地消除气孔，与同样焊接条件 下Ａｒ气保护的焊缝相比，虽然焊缝中氧的含量增 加，但Ｃ、ｓｉ、Ｍｎ等元素的少量烧损反而降低了因激 光焊接冷却速度快易出现淬硬组织的倾向，因此焊 缝的硬度低而冲击韧性高。
Ｆ唔３ Ｍｉｃｍｓｔ邛ｃｔＩｌｒ曙ｏｆ ｗｅ埘ｍｅｔａｌ
图４为在两种焊接速度下的焊缝硬度分布结 果，可以看出，在同样焊接条件下，用ｃＯ：保护的焊 缝硬度低于用Ａｒ气保护的焊缝。而且当焊接速度 为Ｏ．３ ｍ／“ｎ时．ｃｏ：气体保护下得到的焊缝硬度 甚至低于ＨＡｚ。Ａｒ气保护下，焊缝的硬度高于 ＨＡｚ，这是因为焊缝成分与ＨＡｚ基本相同，但具有 更快的冷却速度所致。
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２００ ｍｍ×１５０ ｍｍ×１２ ｎ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 Ｔａｂｌｅ １ ＣｈｅｌｎｉｃａＩ ｃｏＩｎｐ嘴ｉ廿ｏＤ ０ｆ ｂａｓｅ
ｍｅｔａｌ＆聊岫ｍｅｌａｌ【％Ｉ
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。 １．２．３冲击韧性试验
图ｌ为试验中得到的激光焊缝的照片。由图可 见，虽然焊缝表面的宽度约为４—５ ｍｍ，但焊缝的绝 大部分宽度只有２ ｍｍ左右。如果采用标准的Ｖ型 缺口冲击试样，由于焊缝很窄，冲击过程中裂纹极易 偏移至母材，不能保证断裂完全发生在焊缝金属。 为此．文中设计了一种三缺口冲击试样，其尺寸如图 ２所示。之所以称之为三缺口是因为试样在冲击方 向的缺口与标准缺口一样，但在试样两侧加工出深 度为０．５ ｍｍ的缺口。由于冲击缺口所在面的面积
小于其它部位，而且侧面缺口有引导裂纹扩展的作 用，因此可以保证断裂发生在焊缝。当然，这种试样 得到的冲击值不能与标准试样相比，论文中主要探 索研究不同保护气体对焊缝性能的影响，因此为了 保证获得焊缝的韧性数据，采用了这种方法。冲击 试验的温度为室温，每个数据作三个试样。
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４ ｋｗ，保护气体流量为２０ Ｌ，ｍｉｎ。
另外，在ｃＯ：气体保护下得到的焊缝冲击断口 中没有观察到气孔的存在，而在Ａｒ气保护的焊缝断 口中可以看到许多直径ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ在０．Ｉ—Ｏ．５ ｎ一的气ｉＬ， 如图７所示。图中也可以清楚地看出在视野中韧窝 状和解理断口的复合形貌，在气孔的右侧和上方为 韧窝状断裂，右下为解理断口，说明气孔周围的组织 并不相同。
ｗ ＰＩｄｌｎＰ ５Ｆ＊Ｐ＾Ⅳ，ｌｍ‘…１｝
表２激光焊接条件｛双面焊： ’ｒａｂｌｅ ２ Ｗｅｌ击哩∞ｎｄｍｏ璐
图１ １ ２咖厚低碳钢板双面激光焊接的焊缝纵断面照片
卫毡．１ Ｐｈａｔ憾ｏｆ啪蟠ｓｅ甜ｏｎ ｏｆＩ拈盯ｗｄｄ ｏｆ
１２∞－ⅡＩｌｃｋ】ｏｗ ｃ口ｂｏｎ ｓｔ∞ｌ ｐ埘ｅ
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
Ｍｎ等元素被氧化烧损。其中Ｓｊ和Ｍｎ被氧化形成 氧化物夹杂残留在焊缝金属中，另有部分以ＭｎＯ— ｓｉＯ：熔渣的形式在焊缝表面。在焊后的焊缝表面 两侧可以发现玻璃态的断续分布的焊接熔渣。
表３ ｘ射线探伤结果 ＴａＭｅ ３ Ｘ一髓ｙ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｒ嘲ｄｔ
图３不同气体保护下的激光焊缝组粤｛照片 （焊接速度：０．３Ⅱ∥ＩＩｌｉｎ）
围５激光焊缝室温冲击韧性比较
ｎｇ．５ Ｉｍｐａｃｔ ａｂ∞ｒｂｅｄ ｅ聃ｒ盯０ｆｌ勰ｅｒ删凼ａｔ２９４ Ｋ
对冲击断口的观察表明，在焊接速度为０．３ ｒ∥ ｍ＿ｎ时，ｃｏ：气体保护的焊缝断口全部为韧窝状，是 典型的延性断裂，如图６ａ所示；而Ａｒ气保护下的焊 缝断口则是韧窝状和解理断口的复合形貌，图６ｂ显 示的是在断口中观察到的解理形貌。还可以观察到 二次裂纹的存在。当焊接速度为０．５ ｒｎ／ｍｌｍ，两种 保护气体下的焊缝断口都是韧窝状和解理断口的复 合形貌．只是在ｃＯ：保护的焊缝断口中的解理断口 面积的比例低于Ａｒ气保护。这说明，ｃＯ：保护下的 焊缝韧性好于同样条件下Ａｒ气保护得到的焊缝。
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１２ ｍｍ厚低碳钢板激光挥缝的组织和韧性。焊接 试验利用４ ｋｗＮｄ：ＹＡＧ激光器，采用双面深熔焊的方法，焊接条件为４ ｋｗ激光功率和 ｏ．３，０．５ ｎ∥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