厚壁橫梁管激光-MAG電弧復(fù)合焊坡口形式及工藝窗口優(yōu)化研究

劉偉亮，何廣忠，李凱，王春生

摘要：針對軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架常用20 mm厚壁S355J2H橫梁管激光電弧復(fù)合焊工藝，從坡口形式、打底焊工藝窗口、蓋面焊工藝窗口、焊接氣孔抑制等方面進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：控制焊縫成形的主要因素有焊縫坡口、光絲間距和激光束離焦量等。采用鈍邊高度為8 mm、單邊20°～25°的Y型坡口，光絲間距DLA=2～4 mm，離焦量-2～0 mm，可以獲得表面成形連續(xù)的打底焊焊接接頭;采用激光功率500～1000 W、電弧電流200～250 A、離焦量-2～0 mm的蓋面焊工藝參數(shù)，可以獲得連續(xù)一致、均勻美觀，焊縫表面無裂紋、氣孔等焊接缺陷的焊縫成形。實現(xiàn)了20 mm厚橫梁管激光-MAG電弧復(fù)合焊焊接，驗證了激光-MAG電弧復(fù)合焊接橫梁管的可行性。

關(guān)鍵詞：厚壁橫梁管;激光電弧復(fù)合焊;坡口形式;工藝窗口

中圖分類號：TG456.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0086-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.15

0? ? 前言

隨著軌道車輛、船舶、石油管道等中厚板碳鋼焊接對生產(chǎn)效率和焊接變形的要求越來越高，對優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的焊接方法的需求日益增加，兩個或兩個以上焊接熱源的協(xié)同作用是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本焊接的重要途徑，激光電弧復(fù)合焊便是其中最具發(fā)展前景的先進(jìn)焊接方法之一，具有能量利用率高、熱輸入小、焊縫熔深大、焊接速度快及間隙適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-7]。

文中針對軌道客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架常用20 mm厚S355J2H橫梁管，采用激光電弧復(fù)合焊從坡口形式、打底焊工藝窗口、蓋面焊工藝窗口、焊接氣孔抑制等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為激光復(fù)合多層多道焊在軌道車輛生產(chǎn)中的實際應(yīng)用提供必要的試驗基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)備、材料和方法

試驗采用中車長春軌道客車股份有限公司工藝試驗室的激光-MAG電弧復(fù)合焊系統(tǒng)，如圖1所示，該套焊接系統(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。

采用激光-MAG復(fù)合焊，材料為直徑210 mm、壁厚20 mm的橫梁管，材質(zhì)為S355J2H低碳低合金鋼，其外觀如圖2所示。焊接材料為德國進(jìn)口的φ1.2 mm B?HLERNiCu1-IG焊絲。采用20 mm厚平板對接試驗，Y型坡口，坡口示意如圖3所示，包括鈍邊尺寸h、坡口角度θ和組對間隙a。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 坡口設(shè)計及優(yōu)化

選擇鈍邊尺寸4 mm、6 mm、8 mm、10 mm進(jìn)行試驗，坡口角度均為60°，結(jié)果如圖4所示，鈍邊為6 mm和8 mm時都獲得了良好的試驗結(jié)果。鈍邊為10 mm時由于激光功率過大，產(chǎn)生的等離子體更為劇烈，焊接效果不夠穩(wěn)定，且由于焊縫深寬比過大，可能容易使氣孔留在焊縫中，同時焊縫側(cè)壁可能產(chǎn)生未熔合缺陷（見圖5），因此最終選擇的鈍邊高度為8 mm。

在坡口角度方面，設(shè)計了單邊坡口角度為20°～

30°的3種坡口，即θ為40°～60°。不同坡口角度的焊縫成形如圖6所示，由圖6可知，θ為50°～60°時焊縫成形良好，但坡口角度較大，不利于后續(xù)填充焊。這是因為當(dāng)焊接層數(shù)和單層熔敷量增加時，產(chǎn)生氣孔的幾率均會上升，因此要盡量減小坡口角度。當(dāng)θ為40°時，由于坡口較窄，電弧容易被坡口兩側(cè)吸引，導(dǎo)致坡口兩側(cè)母材熔化，而激光與電弧分離，穿過間隙加熱背面夾具或圓管另一側(cè)。

實際上，通過調(diào)整能量配比和光絲間距可以解決上述問題。加大激光功率并減小電弧電流和光絲間距后，使激光壓縮電弧的效果加強(qiáng)，強(qiáng)制電弧能量向下方輸出而不是兩側(cè)坡口，但是對光絲間距要求較高：當(dāng)光絲間距過近時，首先影響了焊縫成形（見圖7），產(chǎn)生明顯波動，飛濺也相對較大;其次，熔滴過渡時激光與電弧之間的干擾，可能導(dǎo)致氣孔率上升;最后，由于電弧能量減小，焊縫冷卻速度加快，容易導(dǎo)致弧坑處產(chǎn)生縱向裂紋（見圖7a），甚至有可能在應(yīng)力作用下導(dǎo)致整個焊縫開裂形成貫穿焊縫中心的縱向裂紋（見圖7b），因此需要適當(dāng)減小電弧電流，保證焊接效果。

考慮到焊縫成形、缺陷控制以及后續(xù)的填充工藝，選擇了鈍邊高度為8 mm，單邊坡口角度為20°～25°，θ=40°～50°，坡口間隙0.5～2.0 mm。

2.2 打底焊焊接工藝優(yōu)化

對于多層焊而言，打底層焊接有熔透鈍邊，保證根部成形的作用，對于焊縫質(zhì)量有重要的影響。

2.2.1 光絲間距

分別設(shè)置光絲間距為0 mm、2 mm、4 mm進(jìn)行焊接。不同光絲間距的焊接結(jié)果如圖8所示。當(dāng)光絲間距為0 mm時，由于激光和電弧距離過近，相互形成干擾，造成較大飛濺，焊縫成形較差，工件背面無法焊透。當(dāng)光絲間距為2～4 mm時，飛濺減小，焊縫成形逐漸穩(wěn)定，此時焊縫成形較好，無未焊透缺陷。這是因為電弧對工件的預(yù)熱能夠有效提高激光的能量密度，形成更強(qiáng)烈的等離子體強(qiáng)度和更深的“ 小孔 ”，有效增加熔深。同時，更強(qiáng)的等離子體相互作用能夠更大程度地收縮電弧并集中電弧能量，增強(qiáng)其對工件的預(yù)熱作用。

2.2.2 激光離焦量

激光離焦量即激光束焦點(diǎn)與母材（坡口）表面的距離，當(dāng)焦點(diǎn)位置在表面以上時為正離焦。分別設(shè)置激光離焦量為2 mm、0 mm、-2 mm、-4 mm進(jìn)行焊接。不同離焦量對應(yīng)焊縫背面成形如圖9所示。當(dāng)激光離焦量為2 mm時，由于激光束焦點(diǎn)在表面以上，當(dāng)激光束能量到達(dá)母材表面時，能量密度減小，有效功率降低，在8 mm鈍邊條件下，背面很難焊透;當(dāng)激光離焦量為0 mm時，激光束焦點(diǎn)落于坡口鈍邊表面，有助于增加熔深;當(dāng)激光離焦量為-2 mm時，激光束能量更集中地輸入熔池內(nèi)部，熔深增加，同時焊縫下部熔寬增加，焊縫成形更穩(wěn)定;當(dāng)激光離焦量降低為-4 mm時，由于激光束焦點(diǎn)深入坡口，雖然有助于增加熔池深度，但由于能量密度在深度方向上分布不均，激光形成的匙孔容易坍塌形成氣孔（見圖10），同時也使焊縫熔深不穩(wěn)定。

2.2.3 焊接速度

選用0.6～2.4 m/min焊接速度進(jìn)行打底焊試驗，試驗結(jié)果如圖11所示。當(dāng)焊接速度為0.6 m/min時，焊縫正反兩面成形良好，但焊縫中容易產(chǎn)生氣孔缺陷，可能是此時氣孔形核并長大，但由于采用的焊接規(guī)范較小，熔池冷卻速度較快，氣孔來不及溢出，最終留在焊縫中;當(dāng)焊接速度為1.2 m/min、1.8 m/min時，均可獲得良好的焊縫成形，無明顯缺陷，同時對間隙、錯邊等適應(yīng)性良好;當(dāng)焊接速度為2.4 m/min時，為了穩(wěn)定電弧，所需的激光能量和電弧能量較大，不利于其穩(wěn)定輸出，同時焊縫正面中心凸起、兩側(cè)凹陷，在進(jìn)行后續(xù)填充時可能產(chǎn)生氣孔等缺陷。

2.2.4 激光功率

打底焊的主要任務(wù)是焊透鈍邊，因此激光熱源起主要作用，應(yīng)選用較大功率;而電弧熱源的規(guī)范應(yīng)適當(dāng)小些，以避免其對激光的屏蔽作用可能導(dǎo)致的未焊透缺陷。圖12為焊接速度1.2 m/min，激光功率分別為6 000 W、6 500 W、7 000 W、7 500 W時的焊接結(jié)果。可觀察到，焊縫熔深隨著激光功率的增加顯著提高。當(dāng)激光功率為6 500 W和7 000 W時，焊縫成形良好;激光功率為6 000 W時，焊縫背面未熔透，而激光功率為7 500 W時，焊縫背面余高過大，被背面墊板強(qiáng)制成形，同時正面焊縫略有塌陷。另外，由于焊接速度較快，激光功率較大，對于激光匙孔的穩(wěn)定效果更好，在打底焊焊縫中均未發(fā)現(xiàn)明顯氣孔缺陷，尤其是匙孔坍塌型氣孔。

2.2.5 電弧電流

圖13為打底焊電弧電流分別為120 A、150 A、180 A、210 A時的焊縫成形對比。當(dāng)電弧電流為120 A時，復(fù)合焊能量剛好可使熔池深度達(dá)到背面，但處于熔透的臨界狀態(tài)，并不穩(wěn)定，且要求間隙不能過大。當(dāng)電弧電流為150 A時，焊縫為典型的激光-電弧復(fù)合焊形貌，截面呈“ 高腳杯 ”狀。當(dāng)電弧電流為180 A時，由于電弧能量的增強(qiáng)，母材熔化量和焊絲填充量都增加，這種增加主要體現(xiàn)在焊縫背面熔寬增加，焊縫下部區(qū)域變寬。當(dāng)電弧電流為210 A時，由于電弧能量過強(qiáng)，雖然焊縫正面成形變得更為連續(xù)，但焊縫熔寬增加，尤其是焊縫下部熔寬增加，同時由于對激光的屏蔽作用較強(qiáng)，焊縫背面未熔合。

根據(jù)上述分析可知，優(yōu)化的工藝參數(shù)范圍為：鈍邊8 mm，坡口角度20°～25°，激光功6 200～7 500 W，電弧電流120～160 A，光絲間距2～4 mm，激光離焦量-2～0 mm，焊接速度1.0～1.8 m/min。采用該規(guī)范獲得的20 mm厚鋼板打底焊焊縫成形如圖14所示。

2.3 蓋面焊焊接工藝優(yōu)化

2.3.1 保護(hù)氣成分

試驗采用了純Ar和Ar+CO2的組合對焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，發(fā)現(xiàn)CO2的加入對焊接過程的穩(wěn)定性以及成形質(zhì)量有較大影響。選用不同成分的保護(hù)氣時，焊縫成形如圖15所示。

使用純Ar作為保護(hù)氣體時，表面焊縫紋路不夠平整，余高中部有較明顯的隆起，焊道存在咬邊的問題。隨著CO2的加入，焊縫表面光潔度得到較明顯地改善，焊縫紋路也趨于平整，焊道邊緣平直。由圖可見，分別在Ar中加入5%、10%的CO2，焊縫均成形美觀，無明顯飛濺，無明顯區(qū)別。這是因為CO2為多原子氣體，在激光和電弧等離子體的高溫作用下分解產(chǎn)生大量活性氧原子進(jìn)入熔池，氧含量的增加提高了熔池表面金屬的流動速率，減小了熔池的表面張力，使焊縫余高變得平整，咬邊問題得到解決。且CO2含量在5%～10%時，熔滴過渡方式為較穩(wěn)定的噴射過渡，因此具有較好的工藝穩(wěn)定性。繼續(xù)增加CO2含量至20%時，焊縫表面形貌變差，光潔度降低，紋理開始紊亂，同時出現(xiàn)了飛濺較大的問題。這是因為在激光-MAG復(fù)合焊接過程中，CO2含量的增加使焊接電弧呈現(xiàn)出明顯的短路過渡特征，在大熔滴脫離焊絲瞬間極易爆散形成飛濺，導(dǎo)致工藝穩(wěn)定性下降。

2.3.2 能量輸入

與打底焊不同，填充層焊接的主要任務(wù)是填滿坡口，因此電弧熱源起主要作用，應(yīng)選用較大的焊接規(guī)范;而激光熱源僅起到引導(dǎo)電弧的作用，應(yīng)選用較小的功率。不同能量輸入的填充焊正面成形如圖16所示。

試驗結(jié)果表明，在能量配比選取合適的情況下，線能量過小將導(dǎo)致填充金屬不足而出現(xiàn)咬邊缺陷;而線能量過大將引起焊接接頭的擴(kuò)大導(dǎo)致焊后材料的均一性變差。

2.4 焊接氣孔的抑制

在進(jìn)行焊縫成形控制的相關(guān)試驗過程中，發(fā)現(xiàn)焊接過程易產(chǎn)生氣孔缺陷，尤其是在蓋面焊過程中。在打底焊時，通過適當(dāng)降低電弧電流和焊接速度、增強(qiáng)保護(hù)氣流量，可以獲得無氣孔的打底焊焊縫。選用焊接速度1～1.5 m/min，光絲間距2～4 mm，激光離焦量-2～0 mm，激光功率6 200～7 200 W，電弧電流120～160 A，保護(hù)氣流量30～ 40 L/min。由于焊接時使用的激光功率較大，匙孔較穩(wěn)定，在焊縫中均未發(fā)現(xiàn)匙孔坍塌型氣孔。圖17為典型打底焊焊縫的X光檢測結(jié)果，為Ⅰ級焊縫。

2.4.1 保護(hù)氣流量

在進(jìn)行蓋面焊時，若使用與打底焊相同的保護(hù)氣流量，由于熔池面積擴(kuò)大，保護(hù)氣流量過強(qiáng)，對熔池有強(qiáng)烈的沖擊和攪拌作用，使電弧不穩(wěn)定，在焊縫中殘留許多氣孔;減小保護(hù)氣流量后，氣孔逐漸消失（見圖18）。

2.4.2 焊接速度

不同焊接速度對焊縫氣孔的影響如圖19所示。當(dāng)采用相同的打底焊工藝時，由于打底焊未產(chǎn)生氣孔缺陷，因此圖19中的焊接缺陷均為蓋面層焊接過程中產(chǎn)生。可以看到，當(dāng)焊接速度為0.6 m/min及0.8 m/min時，焊縫檢測結(jié)果良好，為Ⅰ級焊縫。而當(dāng)焊接速度為0.3 m/min和1.0 m/min時氣孔缺陷逐漸增多。通過金相分析（見圖20）可知大部分氣孔為層間氣孔。這是因為焊縫清理不可能達(dá)到完全無污染的程度，因此在進(jìn)行多層焊時，若焊接速度過慢，填充層較厚，熔池深度較大，氣泡在溢出過程中充分長大，但容易殘留在焊縫表層附近。若焊接速度過快，會導(dǎo)致氣孔難以長大和溢出，形成一系列的小氣孔，殘留在焊縫中下部。

另外，當(dāng)焊接速度為0.3 m/min時，填充3層即可使焊縫填滿，余高較大，但熔池深度較大，產(chǎn)生的氣泡較多。當(dāng)焊接速度超過0.8 m/min時，需要填充4層，且有時由于速度過快，焊縫沒有余高，甚至略有凹陷或者咬邊。因此，為了兼顧填充效率和缺陷控制兩方面因素，選擇焊接速度0.6～0.8 m/min，四層填充，逐漸降低焊接速度，保證每層填充量。

2.5 復(fù)合焊試驗驗證

根據(jù)上述焊接工藝試驗優(yōu)化后得到的焊接參數(shù)（見表1、表2），開展了厚壁橫梁管模擬件的激光-MAG復(fù)合焊焊接試驗，以驗證工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，試驗結(jié)果如圖21所示。

由圖21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。上述試驗結(jié)果表明，在此參數(shù)條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)20 mm厚壁橫梁管的激光-MAG復(fù)合焊焊接。

3 結(jié)論

（1）控制焊縫成形的主要因素有焊縫坡口、光絲間距和激光束離焦量等。采用鈍邊高度為8 mm、單邊20°～25°的Y型坡口，光絲間距DLA=2～4 mm，離焦量-2～0 mm，可以獲得表面成形連續(xù)的打底焊焊接接頭，且焊縫質(zhì)量可達(dá)到Ⅰ級焊縫要求。

（2）采用激光功率500～1 000 W、電弧電流200～

250 A、離焦量-2～0 mm的蓋面焊工藝參數(shù)，和激光功率6 200～7 500 W、電弧電流120～160 A、離焦量-2～0 mm、光絲間距2～4 mm、焊接速度1 000～ 1 800 mm/min的打底焊工藝參數(shù)均可獲得連續(xù)一致、均勻美觀，焊縫表面無裂紋、氣孔等焊接缺陷的焊縫成形。實現(xiàn)了20 mm厚橫梁管激光-MAG電弧復(fù)合焊焊接，驗證了激光-MAG電弧復(fù)合焊接橫梁管的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡連海，黃堅，吳毅雄，等.激光-雙MIG電弧復(fù)合焊耦合機(jī)制及熔滴過渡研究[J].中國激光，2016，43（6）：93-100.

[2]谷曉鵬，段珍珍，鄧鋼，等. S355J2W+N鋼激光-MAG復(fù)合焊與MAG焊對比[J].材料工程，2015，43（2）：20-25.

[3]李鑄國.高功率激光焊接技術(shù)、工藝及其應(yīng)用[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2014-11-06.

[4]趙耀邦，成群林，徐愛杰，等.激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].航天制造技術(shù)，2014（4）：11-14.

[5]胡佩佩，楊斯達(dá)，金誠，等. 30CrMnSi激光-GMA復(fù)合焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響[J].應(yīng)用激光，2013，33（2）：164-168.

[6]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形工藝[J].電焊機(jī)，2017，47（12）：112-116.

[7]朱曉明. 新型中厚度高強(qiáng)鋼激光焊接適應(yīng)性研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.