T型接頭激光-MAG復(fù)合焊單面焊雙面成形工藝

李 凱 ，何廣忠 ，王春生 ，齊 晗 ，謝元立

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；2.一汽-大眾汽車有限公司，吉林長春 130001）

0 前言

軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架大多由中等厚度耐候鋼板、鋼管拼焊而成，對接、T型接頭是常見的焊接接頭形式。焊接方法以傳統(tǒng)MAG焊為主，存在焊接變形大、生產(chǎn)效率低、易出現(xiàn)熔合不良等缺陷。而激光電弧復(fù)合焊技術(shù)自20世紀(jì)70年代英國學(xué)者W.M.Steen[1]提出以來，已經(jīng)在船舶工程[2]、石油化工[3]、航空航天[4]等領(lǐng)域展現(xiàn)出了高效焊接方法特有的優(yōu)勢，采用該技術(shù)解決上述問題也是軌道交通行業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。杜兵[5]等人針對構(gòu)架材料進(jìn)行了激光-MAG復(fù)合焊工藝研究，得出復(fù)合焊接頭的疲勞性能優(yōu)于MAG焊，并評估了點(diǎn)固焊對焊接質(zhì)量的影響；陳輝[6]等人開展了激光電弧復(fù)合焊技術(shù)在轉(zhuǎn)向架橫梁等部件的應(yīng)用研究，從焊接變形、生產(chǎn)效率等多方面論證了復(fù)合焊應(yīng)用的優(yōu)勢。

但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，受料件加工、定位精度以及自動焊設(shè)備操作者人為因素的影響，焊接過程中與TCP位置相關(guān)的形位參數(shù)常發(fā)生變化，直接影響激光光束相對于焊接接頭的相對位置，從而影響焊接質(zhì)量。目前的研究[7]大多集中在工藝參數(shù)對組對間隙、錯邊量等裝配因素的適應(yīng)性上，為評估無坡口的T型接頭激光電弧復(fù)合焊該形位參數(shù)的變化對焊接工藝造成的影響，在此針對激光-MAG復(fù)合焊焦點(diǎn)位置偏移時(shí)的工藝參數(shù)適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

試驗(yàn)采用中車長春軌道客車股份有限公司工藝試驗(yàn)室的激光電弧復(fù)合焊系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)配備15 kW光纖激光器、6軸工業(yè)機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、福尼斯TPS5000弧焊電源，能夠開展平板、管件的激光復(fù)合焊試驗(yàn)研究。激光波長1 070 nm，光纖直徑0.3 mm，采用IPG的焦距250 mm激光鏡頭，聚焦光斑直徑 0.6 mm，光束質(zhì)量（BPP）4.0 mm·mrad。

圖1 激光電弧復(fù)合焊試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Laser-arc hybrid welding experimental system

采用激光-MAG復(fù)合焊方法，焊絲為BOHLER生產(chǎn)的ER80S-G，直徑φ1.2 mm；母材為S355J2W鋼板，尺寸500 mm×150 mm×12 mm。試驗(yàn)前用砂輪清理試板表面的氧化層，并采用丙酮清除工件表面油污，焊絲與母材化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)試板通過點(diǎn)固焊組對成無坡口的T型接頭形式，組對間隙 0.5 mm，焊接保護(hù)氣為 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣，流量25 L/min。

TCP位置變化時(shí)將影響激光光束聚焦點(diǎn)相對于焊接接頭的相對位置關(guān)系，在此針對垂直焊接方向的兩個(gè)平移量——離焦量d與焦點(diǎn)沿立板偏移量e的變化進(jìn)行研究，如圖2所示，離焦量d試驗(yàn)范圍-3.5～-1.0 mm，偏移量 e試驗(yàn)范圍0.25～2.5 mm。其他焊接參數(shù)為：激光前置，光絲間距4 mm，激光功率8.2 kW，焊接速度45 cm/min，焊接電壓26 V，送絲速度10.2 m/min，焊槍與激光相對位置及角度關(guān)系如圖2所示。

表1 焊絲與母材化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of wire and plate %

圖2 激光電弧復(fù)合焊試驗(yàn)的形位參數(shù)Fig.2 Position parameters of laser-arc hybrid welding experiment

焊接試驗(yàn)后對T型接頭進(jìn)行正面、背面焊腳長度測量及宏觀金相檢測，用于判斷上述參數(shù)變化對焊接質(zhì)量的影響。測量焊腳高度，取焊縫中段40 cm區(qū)域，每隔4 cm測量一次，統(tǒng)計(jì)分析各組結(jié)果；取焊縫中部進(jìn)行金相試樣切割，采用FeCl3飽和水溶液進(jìn)行試樣制備。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 離焦量d的影響

其他參數(shù)不變，改變離焦量d分別進(jìn)行激光電弧復(fù)合焊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同離焦量條件下的試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experiment results of different defocus

由圖3可知，離焦量d對焊縫正面成形影響有限，但對背面成形有較明顯的影響。當(dāng)離焦量d較小時(shí)，激光熔透能力提高，形成的背面焊腳大，當(dāng)d=-3.0 mm時(shí)形成3 mm的背面焊腳。隨著離焦量d的增加，焊縫背面焊腳高度逐漸減小，當(dāng)d=-1.0 mm時(shí)，背面焊腳平均高度減小至2 mm。離焦量d的改變使復(fù)合熱源在焊縫截面內(nèi)的分布發(fā)生變化，熔池流動及匙孔的穩(wěn)定性也隨之改變，當(dāng)d≤-3.0mm時(shí)，宏觀金相檢測出未熔合缺陷和1.0 mm×0.4 mm的氣孔，如圖4a、圖4b所示。當(dāng)-2.5 mm≤d≤-1.5 mm時(shí)，如圖4c所示，焊縫背面成形相對最好，正面兩側(cè)焊腳高度趨于一致，焊縫熔合良好。當(dāng)d=-1.0 mm時(shí)，如圖4d所示，焊縫背面底板側(cè)焊縫鋪展有限，需要進(jìn)一步提高線能量才能形成良好的背面成形。因此，在該參數(shù)條件下，離焦量的最大允許變動范圍為-2.5～-1.5 mm。

圖4 不同離焦量條件下的金相照片F(xiàn)ig.4 Metallographic photos of different defocus

2.2 偏移量e的影響

其他參數(shù)不變，改變偏移量e分別進(jìn)行激光電弧復(fù)合焊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，偏移量e對正背面焊腳高度均有明顯影響，隨著偏移量e的增加，正面焊腳高度先增加后減小，當(dāng)0.75 mm≤e≤2.25 mm時(shí)，正面焊縫高度平均值約為8.1 mm；背面焊腳高度隨偏移量e的增加而逐漸減小，但逐步趨于穩(wěn)定。

一方面，偏移量e的變化影響了焊槍在T型試板的相對位置，從而影響了熔池中金屬流動，使焊縫正面成形受到影響，從標(biāo)準(zhǔn)偏差可以看出，當(dāng)e≤0.75 mm時(shí)，焊腳高度差別較大，且在金相檢測中出現(xiàn)了不同程度的氣孔，如圖6a所示，最大尺寸1.25 mm×0.75 mm；此外在e=2.5 mm時(shí)焊縫外觀可見明顯的咬邊現(xiàn)象（見圖6d）。

另一方面，偏移量e的變化改變了熱源前端對焊縫背面的作用位置，當(dāng)熱源前端從T型接頭底板逐步移動至立板后，背部成形趨于穩(wěn)定。但由于底板與立板熱量分配變化，導(dǎo)致背部兩側(cè)焊腳高度差別逐漸增大，且在e≥2.25 mm時(shí)開始出現(xiàn)未熔合缺陷（見圖 6c、圖 6d）。

因此，上述焊接參數(shù)條件下，偏移量e的允許變動范圍為1～2 mm。

圖5 不同偏移量條件下的試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experiment results of different offset

2.3 復(fù)合焊試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述得到的離焦量d及偏移量e的允許變動范圍，選擇離焦量d=-2 mm、偏移量e=1.5 mm進(jìn)行激光-MAG復(fù)合焊試驗(yàn)，以驗(yàn)證工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，如圖7所示。

圖6 不同偏移量條件下的金相照片F(xiàn)ig.6 Metallographic photos of different offset

由圖7可知，焊縫正反面的成形良好，焊縫表面光滑、一致性好，無咬邊、焊穿等缺陷。金相結(jié)果顯示無裂紋、未熔合及較大氣孔缺陷。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在此參數(shù)條件下，激光-MAG復(fù)合焊能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的無坡口12 mm厚T型接頭單面焊雙面成形。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)激光電弧復(fù)合焊的離焦量發(fā)生變化，其他參數(shù)保持不變時(shí)，單面焊雙面成形的焊縫背面受到顯著影響，背部焊腳高度隨著離焦量的增加而減小，當(dāng)離焦量為-2.5～-1.5 mm時(shí)，焊縫成形最好，焊縫熔透穩(wěn)定且無未熔合及氣孔缺陷。

圖7 工藝參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experiment results of process parameter verification

（2）當(dāng)偏移量e發(fā)生變化，其他參數(shù)保持不變時(shí)，激光電弧復(fù)合焊焊縫熔合狀況受到顯著影響。當(dāng)偏移量很大時(shí)，T型接頭存在未熔合缺陷，且表面發(fā)生咬邊；當(dāng)偏移量較小時(shí)，焊縫內(nèi)部有少量氣孔產(chǎn)生；當(dāng)偏移量為1～2 mm時(shí)，焊縫成形最佳且未見明顯缺陷。

參考文獻(xiàn)：

[1]Steen W M.Augmented Laser Welding[J].Metal Construction，1979，11（7）：332-333.

[2]王凱，朱加雷，焦向東，等.激光焊接技術(shù)在船舶制造中的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2017，47（2）：58-64.

[3]雷正龍，檀財(cái)旺，陳彥賓，等.X80管線鋼光纖激光-MAG復(fù)合焊接打底層組織及性能[J].中國激光，2013，40（4）：79-85.

[4]趙耀邦，徐愛杰，姜勇，等.激光焊接技術(shù)研究進(jìn)展及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].航天制造技術(shù)，2013（3）：55-58.

[5]杜兵，徐良，王保全.鐵路機(jī)車轉(zhuǎn)向架激光-MAG復(fù)合焊接工藝[J].機(jī)車車輛工藝，2016（S1）：28-30.

[6]陳輝，茍國慶，朱宗濤，等.激光-MIG復(fù)合焊工藝及其在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2015，45（5）：11-14.

[7]馮聰，馬瑞芳，朱加雷，等.激光-MAG電弧復(fù)合焊接單面焊雙面成型工藝[J].電焊機(jī)，2017，47（12）：104-108.