基于大離焦模式的Nd:YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊接工藝

掌麗華，雷振，秦國(guó)梁

（1.徐工機(jī)械建設(shè)機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221004；2.機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱 150028；3.山東大學(xué)材料連接技術(shù)研究所，山東 濟(jì)南 250061）

0 前言

激光-電弧復(fù)合熱源焊接是由英國(guó)學(xué)者Steen于20世紀(jì)70年代末提出的[1]，經(jīng)過(guò)20多年的研究與發(fā)展，該項(xiàng)焊接技術(shù)日益成熟，并逐漸發(fā)展成為一種新型、優(yōu)質(zhì)、高效的焊接技術(shù)。目前，該焊接技術(shù)已經(jīng)在造船、汽車(chē)制造、石油化工管道焊接、壓力容器制造、航空航天等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-5]。

從目前的研究和應(yīng)用狀況來(lái)看，激光-電弧復(fù)合熱源焊接中所用的激光器主要為YAG固體激光器和CO2激光器。在激光-電弧復(fù)合熱源焊接過(guò)程中，激光束的光斑直徑盡可能小，得到的激光功率密度非常高，以此來(lái)獲得最大的焊縫熔深。與傳統(tǒng)電弧焊相比，小光斑激光-電弧復(fù)合熱源焊接可以顯著增大焊縫熔深，提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，并提高焊接生產(chǎn)效率。盡管半導(dǎo)體激光器具有體積小、價(jià)格相對(duì)便宜的優(yōu)點(diǎn)，但是由于半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光光斑較大，照射在被焊工件上的激光功率密度相對(duì)較低，因此半導(dǎo)體激光器在激光-電弧復(fù)合熱源焊接領(lǐng)域沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。

基于大離焦模式的激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)的研究有望將體積小、價(jià)格相對(duì)便宜的半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于激光-電弧復(fù)合熱源焊接，因此研究大離焦激光-電弧復(fù)合熱源焊接工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

試驗(yàn)所用激光器為德國(guó)HASS公司生產(chǎn)的最大額定功率為2 kW的HL2006D型Nd：YAG激光器，試驗(yàn)中采用焦距為200mm的激光頭；所用焊機(jī)為奧地利Fronius公司生產(chǎn)的TPS5000型數(shù)字化焊機(jī)，焊接過(guò)程采用脈沖MAG焊，熔滴過(guò)渡頻率為1滴/脈沖。

試驗(yàn)材料為Q235鋼，試板尺寸為400mm×200 mm×10mm；焊絲為ER50-6碳鋼MAG焊絲，直徑1.2 mm。本試驗(yàn)通過(guò)改變焊接參數(shù)在試板上進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，對(duì)得到的焊縫熔深、熔寬及余高進(jìn)行測(cè)量，以此來(lái)研究大離焦激光-電弧復(fù)合熱源焊縫成形規(guī)律。試驗(yàn)過(guò)程中激光離焦量△z=+7mm（規(guī)定激光束焦點(diǎn)在工件上表面之上為正離焦）固定不變，Nd：YAG激光離焦量與光斑半徑的關(guān)系可由如下公式確定：

式中：R0為激光束焦點(diǎn)半徑（m）；△z為離焦量（m）。

對(duì)于焦距f=200mm的透鏡，聚焦激光束的焦點(diǎn)半徑光斑直徑R0=0.3×10-3m。經(jīng)上述公式計(jì)算離焦量△z=+7 mm時(shí)，激光束在工件上表面的光斑直徑d=1.73mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電弧功率對(duì)焊縫成形的影響

在1.5m/min的焊接速度下，固定激光功率（P=2 kW），通過(guò)調(diào)節(jié)送絲速度來(lái)改變電弧功率，從而研究電弧功率對(duì)焊縫成形的影響。從焊縫的表面成形狀況來(lái)看，隨著電弧功率的增大，無(wú)論是大離焦Nd：YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊縫還是單獨(dú)MAG焊縫，表面成形越來(lái)越差，當(dāng)焊接電流超過(guò)400 A后，在1.5m/min的焊接速度下焊縫都不能很好地成形。但是，在電弧功率合適的情況下，大離焦激光-電弧復(fù)合焊縫成形良好，圖1是在其他焊接參數(shù)相同的條件下得到的焊縫成形照片,其中，圖1a為大離焦Nd：YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊縫成形，主要焊接參數(shù)為：激光功率2 kW，焊接速度1.5m/min，焊接電流206 A，電弧電壓26.2 V；圖1b為其他焊接參數(shù)相同的條件下的單獨(dú)MAG焊焊縫成形，主要焊接參數(shù)為：焊接速度1.5m/min，焊接電流224 A，電弧電壓25.6 V。通過(guò)對(duì)兩條焊縫成形的比較可以看出，大離焦Nd：YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊縫成形美觀(guān)，而相同條件下的單獨(dú)MAG焊縫已經(jīng)不能很好地成形。

圖1 焊縫成形照片

圖2為本次試驗(yàn)得到的焊縫熔深隨電弧功率的變化曲線(xiàn)。從圖2中可以看出，除復(fù)合曲線(xiàn)中最后一個(gè)點(diǎn)（該點(diǎn)可能是因焊縫成形不好而出現(xiàn)的測(cè)量誤差造成的），在相同的電弧功率下復(fù)合焊縫熔深要大于單獨(dú)MAG焊焊縫熔深，而且這種現(xiàn)象在小電弧功率時(shí)更為明顯，在電弧功率小于6 kW時(shí)，復(fù)合焊縫熔深約為單獨(dú)MAG焊縫熔深的一倍左右。

圖2 焊縫熔深隨電弧功率變化曲線(xiàn)

圖3為本次試驗(yàn)得到的焊縫熔寬隨電弧功率的變化曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)可以看出，略去曲線(xiàn)上最后一組有出入的點(diǎn)，大離焦Nd：YAG激光-MAG復(fù)合焊縫熔寬要大于相同電弧功率下單獨(dú)MAG焊縫熔寬。

2.2 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

圖3 焊縫熔寬隨電弧功率變化曲線(xiàn)

圖4 焊縫熔深隨焊接速度的變化曲線(xiàn)

圖4為焊縫熔深隨焊接速度的變化曲線(xiàn)。從圖4中我們可以看出，復(fù)合焊縫熔深總是大于相同焊接速度下MAG焊熔深。這種現(xiàn)象在激光與小功率電?。ㄋ徒z速度Uf=6m/min，焊接電流為160 A左右）復(fù)合的情況下更為明顯，此時(shí)大離焦Nd：YAG激光-MAG復(fù)合焊縫熔深約為相同條件下單獨(dú)MAG焊縫熔深的一倍左右；激光與大功率電?。║f=12m/min，焊接電流為300 A左右）復(fù)合的情況下，大離焦Nd：YAG激光-MAG復(fù)合焊縫熔深略大于相同條件下的單獨(dú)MAG焊縫熔深，焊縫熔深約增加30%～40%。圖5為焊縫熔深隨焊接熱輸入的變化曲線(xiàn)。從圖5中曲線(xiàn)可以看出，大離焦Nd：YAG激光-MAG復(fù)合焊縫熔深要大于相同焊接熱輸入下的單獨(dú)MAG焊縫熔深，從而能夠說(shuō)明大離焦激光-電弧復(fù)合熱源焊接中，激光與電弧兩種熱源并不是簡(jiǎn)單的疊加，激光與電弧之間仍然存在著一系列的相互作用。

圖6為焊縫熔寬隨焊接速度的變化曲線(xiàn)。從圖6中可以看出，大離焦激光與小功率電?。║f=6m/min）復(fù)合時(shí)的復(fù)合焊縫熔寬要明顯大于相同條件下單獨(dú)MAG焊縫熔寬；而大離焦激光與大功率電?。║f=12 m/min）復(fù)合時(shí)，只有在低速（焊接速度小于1m/min）時(shí)，復(fù)合焊縫熔寬才大于相同條件下單獨(dú)MAG焊焊縫熔寬。圖7為焊縫余高隨焊接速度的變化曲線(xiàn)。從圖7中可以看出，大離焦Nd：YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊縫余高要小于相同條件下單獨(dú)MAG焊焊縫余高。綜合焊縫熔寬、焊縫余高隨焊接速度的變化的規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，與相同焊接條件下的MAG焊相比，大離焦Nd：YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊接能夠明顯改善焊縫的表面鋪展性。

圖5 焊縫熔深隨焊接熱輸入的變化曲線(xiàn)

圖6 焊縫熔寬隨焊接速度的變化曲線(xiàn)

圖7 焊縫余高隨焊接速度的變化曲線(xiàn)

圖8 焊縫的余高熔寬比隨焊接速度的變化曲線(xiàn)

為了更好地研究焊縫的鋪展性，我們用焊縫的余高熔寬比r來(lái)反映焊縫鋪展性的好壞，焊縫余高熔寬比越小，說(shuō)明焊縫金屬的鋪展性越好。圖8為焊縫余高熔寬比隨焊接速度的變化曲線(xiàn)。從圖8中可以看出，大離焦激光與小功率電弧（Uf=6m/min）復(fù)合時(shí)的復(fù)合焊縫余高熔寬比要明顯小于相同條件下單獨(dú)MAG焊焊縫余高熔寬比，從而說(shuō)明復(fù)合焊縫的鋪展性好；大離焦激光與大功率電?。║f=12m/min）復(fù)合時(shí)，只有在較低的焊接速度（焊接速度小于1m/min）下，復(fù)合焊縫的余高熔寬比才明顯小于相同條件下單獨(dú)MAG焊焊縫余高熔寬比。圖9為試驗(yàn)中在1m/min的焊接速度下送絲速度為6m/min時(shí)得到的焊縫橫截面。其中，圖9 a為大離焦Nd:YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊縫橫截面，圖9 b為相同條件下單獨(dú)MAG焊縫橫截面。從圖9中可以看出，大離焦Nd:YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊縫成形明顯優(yōu)于單獨(dú)MAG焊縫成形，具體表現(xiàn)在復(fù)合焊縫熔深、熔寬較大，焊縫余高合適，焊縫的鋪展性良好，可改善接頭的疲勞性能。

圖9 焊縫橫截面照片

3 結(jié)論

（1）與相同條件下的MAG焊相比，大離焦（d=1.73 mm）Nd:YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊接，可以提高焊接過(guò)程穩(wěn)定性，增加焊縫熔深。

（2）大離焦Nd:YAG激光與中小功率電弧復(fù)合時(shí)，激光與電弧的相互作用明顯，焊縫成形良好；大離焦Nd:YAG激光與大功率電弧復(fù)合時(shí)，在較低的焊接速度（焊接速度小于1m/min）下，激光與電弧的相互作用顯著，焊縫成形美觀(guān)，當(dāng)焊接速度超過(guò)1.5m/min后，焊接過(guò)程穩(wěn)定性變差，焊縫成形不好，甚至不能很好地成形。

（3）與單獨(dú)MAG焊相比，大離焦Nd:YAG激光-MAG復(fù)合熱源焊接能顯著地改善焊縫表面成形，提高焊縫金屬的鋪展性。

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