0 引　言

海洋蕴藏着丰富的资源，海洋资源的开发利用对我国的经济发展和能源安全具有十分重大的战略意义。海洋油气资源的开发需要建设大量的海洋工程，而海洋工程的建设与维护都离不开先进的焊接技术^[1]。水下焊接技术已经成为大型海洋结构组装、维护的关键所在^[2]。核能作为一种安全、清洁、经济、高效的绿色能源，是未来能源发展的一大趋势，对我国建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。与其他电能生产相比，核电厂在运行时要使用大量放射性物质，一旦发生事故，后果不堪设想。目前，核电设备的组装主要靠焊接，焊接技术对核电站的建造和运行维修具有非常重要的作用。对于核电设施在役维修而言，为了降低核辐射的影响，需要进行水下焊接维修作业^[3]。

按照焊接时焊件表面的状态可以将水下焊接分为湿法、干法和局部干法三大类。其中湿法焊接不需要采用特殊的排水装置，焊接直接在水中进行，具有设备简单、成本低廉、操作灵活及适应性强等优点^[4-5]。目前水下湿法焊接主要采用手工焊条电弧焊和药芯焊丝电弧焊^[6]。作为一种新型的水下焊接技术，水下激光焊接(Underwater laser beam welding, ULBW)具有焊接速度快、热输入低、热影响区(Heat affected zone, HAZ)小、变形小的优点，当使用光纤激光器时，光束可以通过光纤长距离传输至待焊部位，不需要潜水焊工的介入，易于实现自动化和适应精确位置的焊接^[7]。水下激光焊接相较于其他湿法焊接技术最突出的优点在于激光的传输不受水深压力的影响，而只与传输过程中穿透的水有关，因此能够在深海较大的环境压力下进行焊接。

激光在水下焊接领域的研究主要集中在局部干法激光焊接。ZHANG X D^[8]等研究了保护气体流量、水流速度角度对水帘式局部干法激光焊接稳定性和质量的影响，指出当干腔稳定时，能够得到稳定的、表面无缺陷的焊缝。姚杞^[9]对水下局部干法焊接AISI 304不锈钢工艺参数对激光光束质量的影响机制进行了研究，指出影响光束质量的主要因素包括气溶胶粒子的散射和折射作用以及气体密度分布，选择合适的气体流量，可获得与母材力学性能相当的接头。

水下湿法激光焊接的研究鲜有报导。GUO N^[10]等研究了水深对焊接质量和过程的影响，发现当水深小于3 mm时，水对焊接的影响很小，当水深达到7 mm以上时，由于水对激光的强烈屏蔽作用导致焊接无法进行。目前学术界对是否有必要完全将水排除以形成稳定的局部干腔仍存在争议，因此开展水下湿法激光焊接的研究能为激光在水下焊接中的应用提供理论基础和技术指导。文中以中碳钢为对象，探索了水下湿法激光焊接可行性，并对其焊缝成形行为及性能进行研究。

1 试验与方法 1.1 材料与方法

试验采用45钢作为母材，其尺寸为80 mm×100 mm×10 mm，在焊接前使用38 μm砂纸打磨，而后用酒精清洗。焊接时试样直接放置于自来水中，激光穿过水后辐照到基体表面进行焊接。

试验中使用光纤激光器，激光器最大输出功率为6000 W，波长1070 nm，焦距330 mm。激光经直径为200 μm的光纤传输至安装在六轴机器人上的焊接头，自制的水下环境模拟装备放置于激光焊接头下方可移动的焊接工作台上。

首先进行了水下湿法焊接可行性试验，对水下湿法焊接的机理进行了探讨。在此基础上探讨了水下湿法激光焊接工艺对焊缝成形行为的影响，最后对比研究了水下湿法焊接和空气中焊接焊缝的组织和性能。

1.2 表征和测试手段

沿垂直于焊缝方向切出金相试样，经打磨、抛光和4%的硝酸酒精腐蚀后，用Olympus GX-51型光学金相显微镜观察微观结构。

取焊缝纵向中心位置，沿垂直于焊缝方向作显微硬度分布测试，压力100 g，加载时间15 s。水平方向步长0.2 mm，每点测量3次取平均值。拉伸试样按GB/T 228.1−2010《金属材料拉伸试验标准》制备，制备时确保焊缝位于拉伸试样中心位置。室温下，使用WAW-600万能试验机进行拉伸试验，拉伸速率10 mm/min。每种焊缝拉伸试样各3件，取平均值。采用D8型X射线衍射仪检测焊缝的相结构，采用Cu靶的Kα射线，衍射范围20°~100°，衍射速度2°/min。通过Philips Quant200型扫描电子显微镜观察断口形貌。

2 结果与讨论 2.1 水下湿法激光焊接可行性

水下环境的复杂性和特殊性决定了水下湿法激光焊接极具挑战性。水下散热快，易引起裂纹、气孔、淬硬组织、残余应力等缺陷；水下压力大，导致熔池行为、熔滴过渡、气泡逸出与湮灭等机制与空气中焊接时不同；水与激光作用机制复杂，导致成形稳定性差、功率损耗大^[11-14]。

为了验证水下湿法激光焊接的可行性，在不同水深下进行了水下湿法焊接试验。具体试验参数为激光功率3000~6000 W，水深0~15 mm，焊接速度5 mm/s，离焦量0 mm。

图1是激光功率3000 W时，两种典型水深下激光焊接时的状态。从图中可以看到，当水深未达到阈值时，焊接能够正常进行，水面上方有金属羽辉，并伴随飞溅；当水深超过阈值时，焊接无法进行。

结果表明，水下湿法激光焊接的水深存在阈值，当水深小于阈值时，焊接能够正常进行，当水深大于阈值时，焊接无法继续。激光功率3000 W时，此阈值为7 mm，随着激光功率增加，水深阈值有所增大，但并不与功率成比例增加，激光功率达到6000 W时的阈值为10 mm。

水下湿法焊接可以分为两步：首先是入射激光与水、金属之间发生复杂的反应，从而形成“激光通道”，然后激光穿过此通道照射到工件表面进行焊接。此时的焊接过程与在空气中的焊接过程差别不大。焊接能否进行取决于能否在工件表面形成一个稳定的“激光通道”，其原理如图2所示。当水深小于阈值时，水的压力较小，金属羽辉和激光诱导等离子体能够突破水的束缚，扩散到周围的空气中，因此激光能量损耗小，焊接表面能量密度足够大，可以形成稳定的“通道”，焊接可以进行，如图2(a)所示。当水深大于阈值时，金属羽辉及激光诱导等离子体在水压力作用下被束缚在一个狭小的空间中，对激光产生强烈的屏蔽作用，导致工件表面达不到深熔焊所需要的能量密度，工件表面无法形成稳定的“通道”，如图2(b)所示。

2.2 水下湿法激光焊接焊缝成形行为

水下湿法焊接的影响因素有很多，除了激光功率、焊接速度、离焦量等影响因素外，还必须考虑水深对焊接的影响，文中主要研究了激光功率、离焦量和水深对焊缝成形性的影响。

图3是激光功率对焊缝成形行为的影响。其工艺参数为激光功率2000~6000 W，焊接速度5 mm/s，离焦量−2 mm，水深4 mm。从图3中可以看到，激光功率2000 W时，焊接无法进行，焊缝不连续；激光功率较小时(小于4000 W时)，焊接成形性差，焊缝表面起伏大，且有明显的缺陷；当功率增大至4500 W时，焊缝表面起伏得到改善，未见明显焊接缺陷；功率继续增加，焊接成形性进一步改善；功率达到6000 W时，焊缝连续美观，焊接成形性最好。

稳定的“匙孔”是激光深熔焊接的前提。由于“匙孔”的存在，激光束可以照射到金属内部，增加了材料对激光能量的吸收，促使“匙孔”周围的金属熔化形成熔池^[15]。当激光功率在4000 W以下，辐照到金属表面的能量不足以形成或维持“匙孔”的稳定存在，因此焊接质量较差。随着激光功率的增大，“匙孔”稳定存在，材料吸收的激光能量更多，熔池冷却变缓，有利于形成均匀美观的焊缝。

图4是离焦量对焊缝成形性的影响。其工艺参数为激光功率4000 W，焊接速度5 mm/s，离焦量−3~+3 mm，水深4 mm。从图中可以看到，当离焦量为正时，即激光焦点在基体表面上方时，焊缝成形欠佳；随着焦点位置的下降，焊缝成形变好。

对不同离焦量下的焊缝熔深、熔宽进行了测量，如图5所示。从图中可以看到，熔深、熔宽大体上呈对称分布，且均呈现随着离焦量的增大先增加后减少的趋势，在离焦量为−2 mm时熔深达到最大的7545 μm，并具有最大的深宽比。这与熔池的形成过程有关，当负离焦时，材料内部的功率比表面还高，有利于形成更强的熔化、气化，同时深熔焊时形成的“匙孔”具有“侧壁聚焦效应”使进入“匙孔”的光束部分被侧壁吸收，另一部分被反射至“匙孔”底部重新聚焦，因此“匙孔”深度不断增大，但每反射和聚焦一次，能量就衰减一部分，直至能量衰减到一定数值，“匙孔”深度不再增大，最终获得深而窄的焊缝。

图6是水深对焊缝成形性的影响。焊接方向从左至右，焊接时形成了“匙孔”，“匙孔”被熔池金属包围，熔化金属在重力和表面张力的作用下有使“匙孔”弥合的趋势，图中焊缝尾部的小孔就是因为基体冷却较快熔融金属回填不及时形成的。可以看到，随着水深的增加，焊缝热影响区变小，焊缝变窄，焊接成形性变差。

图7是不同水深下焊接时焊缝熔深、熔宽及深宽比。观察发现，水深小于3 mm时，熔深、熔宽变化都不大，总体趋势是熔宽随着水深的增加逐渐减小，而熔深随水深增加先增加后减小，当水深2 mm时焊缝有最大熔深，达到8.2 mm。当水深1 mm时，激光初始点火后，工件被迅速加热，由于热传导，热影响区等温线位于光束前方，有效地蒸发了工件表面的水，此时的焊接与在空气中进行焊接差别不大。水深2 mm时熔深增加而熔宽略有减少，其主要是受焊缝中O元素含量的影响。水深较浅时，水在激光及受热基体的作用下，气化分解成H和O，而焊缝中O元素的含量增加对熔深有较大影响。当焊缝中的氧的质量分数达到一定水平时，熔池中正的表面张力系数占主导地位，在熔池中心引起向内的两个涡流，方向相反；两股涡流在熔池上表面中心相遇，改变方向后合在一起，流向熔池中心底部，形成对该部位的冲击，并将热量传给基体，从而加速了该部位的熔化，大大增加了熔池深度。

2.3 水下湿法激光焊接焊缝组织性能

采用激光功率4000 W，焊接速度5 mm/s，离焦量−2 mm的焊接工艺，在4 mm水下进行焊接，得到了无缺陷的焊缝，如图8所示。

从焊缝的宏观形貌中可以看到，焊缝表面光亮，无氧化，焊缝均匀美观，无明显焊接缺陷；从微观图中可以看到，焊缝中无裂纹、气孔等缺陷。

将上述焊缝与空气中焊接的焊缝进行了对比研究。图9是空气中焊接与水下焊接热影响区金相组织。从图中可以看到，两种不同环境中焊接焊缝的热影响区大小差别很大，水下焊接的热影响区明显小于空气中焊接。45钢基体呈现典型的热轧状态组织特征，即珠光体和铁素体循加工方向呈带状分层分布。热影响区组织在焊接热循环的作用下转变为网状铁素体+珠光体，如图9(c)所示。

图10是空气中和水下焊接焊缝中心的金相组织。空气中焊接时，焊缝冷却速度慢，在焊缝中心形成了块状铁素体+珠光体的组织，并且从焊缝中心到焊缝底部，铁素体含量逐渐减少。在水下焊接时，由于工件周围水的冷却作用，使焊缝在很短的时间冷却，形成了针状马氏体+残余奥氏体的组织结构，并且可以明显看到不同晶粒内平行的马氏体位向是不同的。

图11是空气中和水下焊接焊缝XRD谱。从图中可以看到，与空气中焊接相比，水下湿法焊接焊缝的衍射峰强度有所降低，并且衍射峰向大角度方向出现偏移。主要原因是水的热导率空气的20倍，熔池散热更快，焊缝中熔融金属结晶速度快，晶粒更加细小。

图12是空气中与水下湿法焊接焊缝的显微硬度分布。空气中焊接焊缝硬度约为300 HV_0.1，HAZ硬度最大为543 HV_0.1，水下焊接焊缝中心硬度达到613 HV_0.1，HAZ硬度最大为651 HV_0.1。两种焊缝的最大硬度均出现在HAZ处，母材硬度最低。这是因为在焊接过程中HAZ受热发生了相变，相当于经历了一次淬火过程，因此硬度较高。与空气中焊接相比，水下焊接焊缝中心处硬度值也比较高，一方面因为水下焊接焊缝主要由硬质相马氏体组成，另一方面由于水的存在使焊缝极速冷却，焊缝中心处晶粒细小均匀。

对空气中和水下焊接的焊缝进行了拉伸实验，并与45钢基体进行了对比，图13为拉伸试样的断裂位置，图14是拉伸强度对比。

从图13中可以看到，45基体拉伸试样颈缩明显，断后伸长率为34.4%，而焊接后的拉伸试样断裂均发生在焊缝处，空气中焊接断后伸长率为9.3%，水下焊接仅为3.1%。空气中焊接后抗拉强度为681 MPa，略高于基体，水下焊接试样拉伸强度为606 MPa，达到基体的94.8%。

图15是拉伸试样断口SEM。可以看到基体拉伸试样断口为韧性断裂，断口中有大量的韧窝，并且有少量的滑移带；而空气中焊接和水下焊接断口为典型的脆性断裂，在两者的断口中可观察到大量的解理面，其中空气中焊接试样断口可见河流状花纹，主要为穿晶断裂，水下焊接断口起伏大，既有沿晶断裂又有穿晶断裂，为混合断裂。水下焊缝抗拉强度低的原因在于焊接过程中形成了淬硬组织。

3 结　论

(1) 水下湿法激光焊接在特定的条件下是可行的。水下焊接能否进行取决于能否在焊接表面形成稳定的“激光通道”，对不同的激光功率而言，存在一个极限水深，一旦超过此水深，激光诱导等离子体将对入射激光产生强烈的屏蔽作用，从而导致焊接无法进行。

(2) 在2000~6000 W功率范围内，增大功率有利于获得连续成形、外观良好的焊缝；适当的负离焦有利于激光能量吸收，形成深宽比大的焊缝，当离焦量为−2 mm时，焊缝的深宽比最大；焊缝成形性随工件表面水深的增加而变差，当水深超过6 mm时，不能形成连续焊缝。

(3) 与空气中焊接相比，水下焊接焊缝组织主要由针状马氏体+残余奥氏体组成，焊缝中心硬度达到613 HV_0.1。水下焊接的拉伸断口为典型的脆性断裂，拉伸强度606 MPa，达到基体的94.8%，断后伸长率3.1%，塑性严重下降。