0 引　言

焊接技术是船舶制造过程中一项至关重要的工艺，它不仅影响船舶的结构强度、安全性和耐久性，还直接关系到船舶的生产效率和制造成本^[1]。然而在焊接过程中往往面临着热影响区大、易变形、焊缝质量难以控制等问题，传统的焊接方法难以完全满足高质量、高效率的焊接需求^{[1 − 3]}。

余腾义等^[4]采用TC4钛合金、316L两种船用不锈钢为母材，纯钒为中间层，进行双道激光焊接，实现了船用耐腐蚀材料的连接。通过调整焊接速度和光束偏移量，优化了焊缝成形、显微组织和力学性能，但易出现非均匀现象。尹燕等^[5]采用高功率激光焊接技术，通过激光钝边打底焊接和窄间隙激光填丝焊接方法，实现了Q355ND低合金高强钢耐腐蚀材料的高效优质焊接。刘海等^[6]采用激光焊技术填充ER308L焊丝，对Q345B低合金钢与304不锈钢两种船用耐腐蚀材料进行焊接，通过优化激光功率，获得了高质量的焊接接头，焊缝组织细小且硬度高。但是在拐角处的焊接焊缝中出现了有害相，难以实现拐角焊缝的高质量激光焊接。

本文研究一种船用耐腐蚀材料激光焊接技术分析方法，采用激光-电弧复合焊接技术进行焊接，并对其焊接功率进行控制，以便获取最佳焊接效果，提升船体结构安全性能。

1 材料和方法 1.1 船用耐腐蚀材料

选取退火态D406A超高强度钢（牌号30Si2MnCrMoVE）作为船用耐腐蚀材料。其厚度为2mm，母材化学成分如表1所示，力学性能情况如表2所示。采用切割机将母材分割为150 mm× 30 mm 的试件进行激光焊接实验。

1.2 方法 1.2.1 焊接装置

采用脉冲Nd: YAG激光器、钨极氩弧（GTA）焊接电源及其配套控制系统，构建了激光-电弧复合焊接装置，用于对实验材料进行焊接实验。焊接装置的结构示意图见图1。激光－电弧复合焊接装置使用直径为3.1 mm顶角约为58°的钨极。GTA焊枪与激光束在焊接路径上形成了一个45°的夹角，焊接过程中采用电弧前置焊接策略。同时设置激光束轴线与GTA钨极尖端的距离可调，以800 mm/min的焊接速度进行材料焊接操作。焊接气体选取纯度高达99.99%的氩气作，将其流量设定为10 L/min。焊接完成后通过线切割方法顺着缝横截面进行试样切取，进行抛光处理，以便后续焊接性能分析。

1.2.2 焊接功率随动控制

为进一步提升船用耐蚀材料在拐角处的焊接质量，采用结合时间和空间维度，同时将焊接比能量与能量密度分布同时纳入考虑范围的焊接功率随动控制方法保证焊接拐角可以获取更优质的焊接质量。焊接比能量Q可描述为：

$ Q = P/{v_p}。$

(1)

式中：P、v_p分别为焊接激光的功率、焊接速度。

可以看出，Q与P之间、P与v_p之间的关系分别为正相关与负相关关系。激光－电弧复合焊接装置的激光振镜控制选取直线加减速算法，其中的速度与时间之间呈现出线性关系，速度计算表达式：

$ V(t) = \left\{ \begin{array}{ll} at, & t \in (0,{t_1})，\\ {v_p}, & t \in ({t_1},{t_2})，\\ {v_p} - a(t - {t_2}), & t \in ({t_1},{t_2})，\\ a(t - {t_3}), & t \in ({t_3},{t_4}) ，\\ {v_p}, & t \in ({t_4},{t_5}) ，\\ {v_p} - a(t - {t_5}), & t \in ({t_5},{t_6})。\end{array} \right. $

(2)

式中：$ a $、$ t $分别为焊接加速度与时间。

正常激光焊接过程中，焊接功率维持在恒定数值，将其用P_work描述，而在加减速控制阶段，式(1)可以转换为$ Q = {P_{{\mathrm{work}}}}/V(t) $，那么Q的数值随着时间不断变化，在时间维度上处于焊接拐角位置的焊接比能量Q会出现分布不均匀现象，此时，需线性调控功率值以改变Q的数值。当速度值处于0～v_p的线性变化时，焊接功率会呈现出0～P_work的线性更改，此时功率线性变更系数为：

$ u = a{P_{{\mathrm{work}}}}/{v_p} 。$

(3)

功率输出数值表达式为：

$ P(t) = \left\{ \begin{array}{ll} ut, & t \in (0,{t_1}) ，\\ {P_{{\mathrm{work}}}}, & t \in ({t_1},{t_2}) ，\\ {P_{{\mathrm{work}}}} - u(t - {t_2}),& t \in ({t_1},{t_2})，\\ u(t - {t_3}), & t \in ({t_3},{t_4}) ，\\ {P_{{\mathrm{work}}}}, & t \in ({t_4},{t_5})，\\ {P_{{\mathrm{work}}}} - u(t - {t_5}),& t \in ({t_5},{t_6}) 。\end{array} \right. $

(4)

在式(1)中代入式(2)～式(4)，获取$ Q = {P_{{\mathrm{work}}}}/V(t) $，使得在功率随动控制下，处于时间维度时船用耐蚀材料的焊接始终保持一个恒定的焊接比能量值。

将用于表征空间维度下激光能量分布情况的功率密度定义为激光功率与激光光斑面积的比值。焊接功率与速度均是焊接过程中激光光束能量分布情况的影响因素，设置激光光束以高斯能量的形式分布，那么其光强分布表达式为：

$ I = \frac{{2\eta P}}{{{\text{π}} r_0^2}}{e^{ - 2[x(t) + y{{(t)}^2}]/r_0^2}}。$

(5)

式中，$ P $、$ {r_0} $、$ \eta $、$ [x(t),y(t)] $分别为激光功率、激光光斑半径、船用耐蚀材料的激光吸收参数、激光光斑位置。

则激光射到船用耐蚀材料表面的能量密度E(x,y)表达为：

$ E(x,y) = \int_0^t {I(x,y,t){\mathrm{d}}t}。$

(6)

式中：I(x,y,t)为某时刻$ t $下，处于(x,y)位置的激光光束强度。

在时间维度焊接功率随动控制基础上引入空间维度理念，通过设置合理的节点功率值，在焊接值拐角时，及时调整其能量密度分布，降低光斑在焊接拐角处的光斑重叠面积，实现能量密度累积的减少，获取较好的拐角焊接质量。

2 焊接性能分析 2.1 微观组织形貌

应用蔡司金相显微镜观察到的船用耐蚀退火态D406A超高强度钢的母材以及焊缝的横截面的组织形貌图像见图2。可以观察到母材与焊缝横截面的微观组织结构差异。

2.2 电化学腐蚀性能分析

采用 PDF-2 型电化学腐蚀仪，进行母材以及焊缝的电化学腐蚀性能分析。腐蚀溶液选取3.5g NaCl+6 mLHCl+100 mL H2O 酸性溶液（PH≤1）以及3.5 g NaCl+3.5 gNaOH+100 mL H₂O 碱性溶液（PH≥14）。船用耐蚀材料的母材和焊缝在酸、碱性溶液中的电化学极化曲线见图3。可知，通过电化学腐蚀性能的深入探究发现，当环境为酸性时，激光焊接所生成的焊缝与母材在腐蚀趋势上展现出相似性，但是焊缝处的腐蚀速率较低，说明其耐腐蚀的能力较强。当环境为碱性时，焊缝的腐蚀趋势显著，但耐腐蚀能力也较强。因此，焊缝处于碱性条件下比目前更易被腐蚀，但胜在腐蚀速率较慢这一点上。

2.3 激光扫描频率影响

为分析激光焊接过程中激光扫描频率对焊缝成形效果的影响，设置在脉冲激光扫描速度、幅度分别为45 mm/s、2 mm，统计激光扫描频率分别为50、100、200、300 Hz时，激光－电弧复合焊接获取焊缝宏观形貌，结果见图4。可知，在给定的焊接条件下，当扫描频率过大时激光-电弧两热源相互干扰导致焊接过程不稳定，也与激光-电弧两热源相互干扰，焊接过程不稳定相关联。结果表明，激光扫描频率在50～200 Hz范围内均可以获得表面成形优良的焊缝。

2.4 拐角焊接效果分析

为验证本文方法引入焊接功率随动控制的有效性，以一拐角为90°的试验母材为例进行焊接试验，统计焊接功率随动控制前后，拐角处的能量密度分布情况，结果见图5。分析发现，焊接功率随动控制引入后，可以有效降低拐角处的焊接能量密度，降低能量密度大量积累，使得焊接后的裂缝更加均匀，显著提升焊接效果。

3 结　语

D406A钢因其高强度、良好的韧性以及卓越的耐腐蚀性能，在制造重型结构如机械零部件、船舶和桥梁等领域展现出广泛的应用价值。为此本文选取其作为船用耐蚀材料进行研究。此外，结合激光-电弧复合焊接技术以及焊接功率随动控制，可进一步提升焊缝焊接效果。