激光－電弧復(fù)合焊工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響

蔡源超 ，朱加雷 ，畢雪松 ，王 凱 ，馮 聰

（1.北京化工大學(xué)，北京 100029；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617；3.唐山開元焊接自動(dòng)化技術(shù)研究所，河北唐山063020）

0 前言

20世紀(jì)80年代初，英國學(xué)者W.M.Steen首先提出激光與電弧復(fù)合焊接的概念，當(dāng)時(shí)的主要目的是增加熔深，提高焊接效率[1]。激光電弧復(fù)合焊是將激光和電弧兩種截然不同的熱源復(fù)合，共同作用于工件的同一位置。既發(fā)揮了兩種熱源的優(yōu)勢，又彌補(bǔ)了各自的不足，因此具有焊接速度快、橋接能力好、深寬比理想、裝配精度低等優(yōu)勢，是一種新型高效的焊接方法，近幾年也受到高校和企業(yè)的廣泛關(guān)注[2-5]。目前主流的復(fù)合形式有激光-TIG、激光-MIG/MAG、激光-等離子體弧以及激光雙絲電弧等焊接方法[6]。復(fù)合焊的工藝參數(shù)非常多，不同的工藝參數(shù)影響焊縫形貌，不同的焊接組合也直接影響著焊接質(zhì)量。研究激光-MAG復(fù)合焊接的工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響對于實(shí)際焊接過程中工藝參數(shù)組合的選取有著重要的指導(dǎo)意義。另外，在石油管道、鍋爐壓力容器和船舶制造等領(lǐng)域，有些場合無法進(jìn)行雙面焊接，單面焊雙面成型是常見的焊接解決方法[7]。隨著成型材料的發(fā)展和對焊縫成形質(zhì)量要求越來越高，目前常用的氣體保護(hù)焊已經(jīng)無法滿足厚板所需的焊接質(zhì)量。因此，采用光纖激光器和MAG電弧復(fù)合的方式研究焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律，得出最佳工藝參數(shù)組合，并驗(yàn)證激光-電弧復(fù)合焊在單面焊雙面成型工藝上的可行性。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用美國IPG公司的YLS-4000型光纖激光器，額定功率4 kW，焦距為300 mm，光斑直徑0.4 mm。MAG焊接電源選用芬蘭KEMPPI公司生產(chǎn)KMS500型焊機(jī)，通過自主研制的復(fù)合焊接裝置進(jìn)行旁軸復(fù)合焊接，復(fù)合焊焊炬示意如圖1所示。

圖1 激光MAG復(fù)合焊焊炬組合示意Fig.1 Diagram of torch setup of hybrid laser-MIG welding

試驗(yàn)?zāi)覆臑?0 mm厚度的Q345B鋼板，焊絲直徑φ1.2 mm。保護(hù)氣體采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體，氣體流量20 L/min。試驗(yàn)前用丙酮溶液去除試件表面油污，用角磨機(jī)和鋼絲刷去除焊接區(qū)域的表面氧化膜。

試驗(yàn)過程中，除特定研究變量外，未做說明的參數(shù)均為：激光功率P=3000W，MAG電流I=180A，焊接速度v=1000mm/min，光絲間距D=2mm，焊絲干伸長l=25 mm，激光離焦量Δf=0 mm，焊槍與激光夾角α=30°，采用激光在前、MAG電弧在后的復(fù)合方法。

工藝參數(shù)研究采用平板焊，焊后將試板沿橫截面切開，選取焊縫長度的1/3處取樣，避開不穩(wěn)定階段。選取焊縫成形良好、無明顯焊接缺陷的焊縫部分制備標(biāo)準(zhǔn)的金相試樣，通過測量熔深和熔寬來評定復(fù)合效果。

通過對工藝參數(shù)的研究獲得最佳參數(shù)組合范圍，然后驗(yàn)證單面焊雙面成型焊接的可行性。采用5 mm和6 mm板厚的Q345B高強(qiáng)鋼進(jìn)行對接試驗(yàn)，采用同樣方法進(jìn)行金相試驗(yàn)，通過觀察焊縫形貌來評定復(fù)合焊接效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 激光-電弧復(fù)合作用

在激光電弧復(fù)合焊中，焊接參數(shù)之間會相互影響，任一參數(shù)的變化都會導(dǎo)致最終焊接結(jié)果的變化。只有在一定范圍內(nèi)找出各參數(shù)之間合理的組合，才能保證熱源的有效耦合，得到增強(qiáng)的焊接熔深和焊接質(zhì)量。

對比激光-MAG復(fù)合焊（PL=3 kW，I=180 A）、單獨(dú)MAG焊（I=180A）以及單獨(dú)激光焊（PL=3kW）的焊縫橫截面形狀尺寸，如圖2所示?？梢钥闯觯瑥?fù)合焊的熔深約為單獨(dú)激光焊時(shí)的1.2倍，約為單獨(dú)MAG焊的2.1倍；復(fù)合焊熔寬與單獨(dú)MAG焊熔寬相差不大，但約為單獨(dú)激光焊熔寬的2.9倍；另外，單獨(dú)激光焊在PL=3 kW的條件下焊透5 mm鋼板的最高速度為500 mm/min，而復(fù)合焊在PL=3kW、I=180A的條件下焊透5 mm鋼板的速度可達(dá)900 mm/min以上，約為單獨(dú)激光焊接的1.8倍，大大提升了焊接效率。

圖2 焊縫橫截面宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of weld cross section

2.2 工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

2.2.1 激光電弧相對位置和光絲間距的影響

在焊接方向上，激光和電弧的相對位置影響著焊縫成形。當(dāng)激光作用于熔池前端時(shí)，焊接方向?yàn)榧す庠谇?，用laser-MAG表示；反之用MAG-laser表示電弧在前。焊接方向和光絲間距對熔深的影響如圖3所示，可以看出，隨著D的變化，laser-MAG在D=2 mm時(shí)得到最大熔深，MAG-laser在D=0 mm時(shí)得到最大熔深，laser-MAG比MAG-laser獲得的熔深更大。

圖3 焊接方向和光絲間距對熔深的影響Fig.3 Effect of the welding direction and the distance between laser and arc on penetration depth

這是因?yàn)楫?dāng)激光在前時(shí)，激光先作用在焊板上形成大熔深，此時(shí)電弧的等離子體對激光的聚焦效果干擾較小，而且MAG焊槍后傾，電弧力有將熔池金屬向前推動(dòng)的趨勢，形成一個(gè)凹槽，在D=2 mm附近達(dá)到凹槽最低點(diǎn)，復(fù)合熱源在此范圍內(nèi)能相互作用，達(dá)到最大熔深。超過這一臨界點(diǎn)，熔池流動(dòng)金屬堆積逐漸超過焊接平面，熔深逐漸減小。當(dāng)光絲間距繼續(xù)增大，復(fù)合熱源的相互作用降低，熔深進(jìn)一步減小。當(dāng)激光在后時(shí)，MAG焊槍前傾，電弧先作用于焊件表面，激光的效果容易受到電弧等離子體的干擾，影響能量傳輸效率，因此MAG-laser的熔深普遍小于laser-MAG的熔深。

2.2.2 激光功率和焊接電流的影響

為了研究激光功率和焊接電流對焊縫熔深的影響，設(shè)計(jì)三組不同的電流隨著激光功率變化的情況和一組單激光的對照試驗(yàn)，如圖4所示。

可以看出，激光和140 A電流復(fù)合的熔深變化趨勢和單純激光焊類似，熔深主要由激光功率決定，隨著功率的增加，熔深也線性增加。此時(shí)熔滴過渡形式為短路過渡，激光和電弧之間的協(xié)同效果較好，但繼續(xù)增大激光功率或者減小焊接速度，電弧不穩(wěn)定，飛濺較大。

圖4 激光功率及焊接電流對焊縫熔深的影響Fig.4 Effect of laser power and welding current on penetration depth

當(dāng)電流持續(xù)增大，熔滴過渡模式由短路過渡轉(zhuǎn)變?yōu)樯涞芜^渡，電弧形態(tài)為錐形電弧，在電弧壓力和熔滴形式對熔池的沖擊下，焊縫熔深得以增加。但隨著電流進(jìn)一步增加，電弧體積膨脹，對激光等離子體的稀釋作用減小，使得焊件對能量的吸收率降低，焊縫熔深有明顯減小。

2.2.3 離焦量的影響

離焦量Δf是指激光焦點(diǎn)偏離工件上表面的距離，改變Δf實(shí)質(zhì)是改變激光輻照在工件表面的功率密度[8]。焦平面在工件表面上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。因此得出結(jié)論：當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，工件內(nèi)部的功率密度大于工件表面，在一定范圍內(nèi)能獲得較大熔深。離焦量對熔深的影響如圖5所示，復(fù)合焊在Δf=-2 mm時(shí)得到最大熔深，而激光焊在Δf=-3 mm時(shí)得到最大的熔深。

圖5 離焦量對熔深的影響Fig.5 Effect of defocusing distance on penetration depth

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合焊在Δf=-2 mm時(shí)飛濺較大，表面成形效果不好；在Δf=0 mm時(shí)，復(fù)合焊接過程穩(wěn)定，飛濺較少。這是因?yàn)樵讦=0 mm時(shí)激光焦平面和焊接表面重合，在熔池表面金屬汽化形成的氣泡會直接溢出，導(dǎo)致飛濺較少，表面成型較好，因此在實(shí)際復(fù)合焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的離焦量。

2.3 單面焊雙面成型的可行性

研究激光-電弧復(fù)合焊在單面焊雙面成型工藝上的可行性主要是驗(yàn)證不同焊接過程對焊縫背面成型的影響。通過研究工藝參數(shù)，找出適合單面焊雙面成型的工藝參數(shù)，選取4組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對照，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，觀察焊縫宏觀形貌如圖6、圖7所示，焊后的試板經(jīng)過切割打磨，截面形貌如圖8所示。

可以看出，焊縫正面和背面成形均勻整齊，無縮孔、弧坑、咬邊和氣孔等缺陷。背面焊縫完全熔透，余高均小于1 mm，滿足預(yù)期要求。說明激光-電弧復(fù)合焊在單面焊雙面成型工藝上具有可行性，對組對間隙和錯(cuò)邊量有一定的容忍度。

表1 單面焊雙面成型工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of single-sided welding double-sided molding

圖6 5 mm鋼板對接焊正面、背面焊縫形貌Fig.6 Front，and back weld appearance of 5 mm steel plate butt welding

圖7 6 mm鋼板對接焊正面、背面焊縫形貌Fig.7 Front，and back weld appearance of 6 mm steel plate butt welding

圖8 4組實(shí)驗(yàn)的焊縫橫截面宏觀形貌Fig.8 Cross-section macroscopic morphology of welds in four groups

4 結(jié)論

（1）在特定參數(shù)組合下，激光和電弧之間具有良好的耦合效應(yīng)，焊接熔深和效率均可大幅提升。復(fù)合焊的熔深是單獨(dú)激光焊時(shí)的1.2倍，是單獨(dú)MAG焊的2.1倍；復(fù)合焊的速度約為激光焊的1.8倍以上。

（2）相同焊接參數(shù)下，laser-MAG的熔深普遍大于MAG-laser的熔深，其中l(wèi)aser-MAG焊接在D=2 mm時(shí)獲得最大熔深。

（3）激光在和小電流復(fù)合的情況下，熔深隨著激光功率的增加而線性增加，當(dāng)電流超過200 A時(shí)，電流對激光的屏蔽作用明顯。

（4）激光-電弧復(fù)合焊在單面焊雙面成型工藝上具有可行性，對組對間隙和錯(cuò)邊量有一定的容忍度。

[1] Steen W M.Arc augmented laser processing of materials[J].Appl Phys.，1980，51（11）：5636-5641.

[2] 肖榮詩，吳世凱.激光－電弧復(fù)合焊接的研究進(jìn)展[J].中國激光，2008（35）：1680-1685.

[3] 袁小川，趙虎，王平平.激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2010（5）：2-7.

[4] 朱加雷，崔志芳，焦向東.高強(qiáng)度管線鋼激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2014，44（5）：115-119.

[5] 劉雙宇，張宏，石巖，等.CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)對熔滴過渡特征和焊縫形貌的影響[J].中國激光，2010（12）：3172-3179.

[6] 牛寬，劉雙宇，劉鳳德，等.激光-電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)對焊縫形貌及焊接穩(wěn)定性的影響[J].應(yīng)用激光，2014（1）：51-56.

[7]孫壯.單面焊雙面成型的焊接工藝試驗(yàn)[J].中國重型裝備，2013（1）：36-38.

[8] 許良紅，彭云，田志凌，等.激光-MIG復(fù)合焊接工藝參數(shù)對焊縫形狀的影響[J].應(yīng)用激光，2006（1）：5-9.