Q355E圓錐管激光-MAG復(fù)合焊可行性應(yīng)用研究

廖寧寧，王艷淼，周永東，林敏，張弛

1.株洲國(guó)創(chuàng)軌道科技有限公司 湖南株洲 412000

2.中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

在軌道交通制造領(lǐng)域，Q355鋼中厚板主要采用多層多道電弧焊焊接，焊接效率低，加工精度差，且工件產(chǎn)生較大變形。激光復(fù)合焊具有焊縫深寬比大、速度快、熱輸入小等優(yōu)勢(shì)，是一種新型高效的焊接工藝，引起了國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[1-5]。

近年來(lái)，激光焊及激光復(fù)合焊技術(shù)在現(xiàn)代航空航天、國(guó)防領(lǐng)域以及國(guó)家建設(shè)中扮演著越來(lái)越重要的角色[6]。吳虎等[7]采用激光-MAG復(fù)合焊對(duì)Q355B鋼進(jìn)行焊接，優(yōu)化后的激光-MAG復(fù)合焊工藝可得到成形良好的焊接接頭。彭春濤[8]采用激光-MAG復(fù)合熱源焊接方法對(duì)高強(qiáng)度耐磨鋼和中碳低合金Mn-Si鑄鋼異種鋼的焊接性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，選擇合理的焊前預(yù)熱溫度及最優(yōu)的焊接工藝可以消除焊接冷裂紋。

本文針對(duì)6mm厚Q355E鋼板，采用激光-MAG復(fù)合焊、激光焊和M A G焊工藝，對(duì)比分析3種焊接接頭相關(guān)性能，旨在體現(xiàn)激光-MAG復(fù)合焊的優(yōu)勢(shì)；而后采用激光-MAG復(fù)合焊完成軌道交通車輛圓錐管產(chǎn)品的焊接，并與原有MAG焊進(jìn)行對(duì)比。

2 試驗(yàn)材料和研究方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用350mm×150mm×6mm的Q355E鋼板，表面機(jī)械打磨，用丙酮清洗待焊接部位及兩側(cè)各20mm范圍后烘干。激光-MAG復(fù)合焊及MAG焊采用18%CO2+82%Ar作為保護(hù)氣體，激光焊采用高純氬（純度為99.999%）作為保護(hù)氣；采用直徑為1.2mm的AWS ER70S-6焊絲。Q355E鋼板和ER70S-6焊絲的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

（1）激光試驗(yàn)設(shè)備 采用IPG YLS 6000W光纖激光器及IPG D50熔焊頭進(jìn)行焊接試驗(yàn)，搭配KUKA H60A機(jī)器人及Fronius TPS4000焊機(jī)完成激光自動(dòng)焊接，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，激光器的主要性能參數(shù)見表2。

圖1 激光-MAG復(fù)合焊試驗(yàn)設(shè)備

表2 激光器主要性能參數(shù)

（2）激光-MAG復(fù)合焊工藝參數(shù)研究 毛鎮(zhèn)東等[9]研究10mm厚度、高強(qiáng)度低碳貝氏體鋼的激光復(fù)合焊工藝發(fā)現(xiàn)，采用激光功率5000W、單道焊接速度18mm/s、送絲速度12m/min等參數(shù)時(shí)，可有效避免背部焊瘤缺陷；李斌等[10]采用激光功率4600W、送絲速度12mm/s、焊接速度22mm/s，焊接6mm厚度BS960E高強(qiáng)鋼試板，可得到良好的焊接接頭。

結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本次試板不開坡口，采用激光-MAG復(fù)合焊對(duì)6mm厚Q355E鋼板進(jìn)行對(duì)接焊，焊接參數(shù)見表3。

表3 激光-MAG復(fù)合焊焊接參數(shù)

從表3可知，當(dāng)采用參數(shù)1焊接時(shí)，焊縫背面出現(xiàn)未焊透及焊瘤現(xiàn)象，經(jīng)分析是由激光功率過(guò)小或焊接速度過(guò)快導(dǎo)致的；當(dāng)采用參數(shù)2焊接時(shí)，增大激光功率至4400W，未焊透及焊瘤現(xiàn)象得到一定程度的改善；最終，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)，采用參數(shù)5能得到單面焊雙面成形良好的接頭，無(wú)明顯氣孔、裂紋及未熔合等缺陷，故采用該工藝參數(shù)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)研究。

（3）激光-MAG復(fù)合焊、激光焊、MAG焊對(duì)比研究 6mm厚試板對(duì)接，激光及激光-MAG復(fù)合焊不開坡口；MAG焊為對(duì)接、60°V形坡口，2層2道焊接。保護(hù)氣體流量為22L/min，具體焊接參數(shù)見表4。

表4 激光-MAG復(fù)合焊、激光焊、MAG焊焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊縫形貌

焊后將試件切割成12mm×10mm×6mm的試樣，分別經(jīng)過(guò)打磨、拋光并使用4%硝酸酒精溶液侵蝕后，置于OLYMPUS DSX110三維視頻顯微鏡下觀察其宏觀金相。

3種焊接工藝的焊縫橫截面形貌如圖2所示，余高與熔寬對(duì)比如圖3所示。由圖2可知，激光-MAG復(fù)合焊焊縫熔寬約6mm，焊縫成形飽滿，單面焊雙面成形，焊縫無(wú)宏觀缺陷（見圖2a）；激光焊的焊縫、母材熔透，焊縫底部熔池流動(dòng)且無(wú)焊接材料填充，表面出現(xiàn)塌陷，焊縫熔寬最小，僅3mm（見圖2b）；MAG焊焊縫熔寬較大，約為12mm，焊縫表面較為平整（見圖2c）。

Hussain等[20]研究發(fā)現(xiàn)S.subserrata中化合物53、64、122、142對(duì)革蘭陽(yáng)性菌巨大芽胞桿菌和革蘭陰性桿菌大腸桿菌具有良好的抑菌作用，對(duì)真菌花藥黑粉菌的作用較弱。韓立芹[6]報(bào)道了旱柳葉的不同提取物的抑菌活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示石油醚層提取物對(duì)大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌具有抑菌作用，最小抑菌濃度為5 mg/mL，醋酸乙酯層提取物對(duì)大腸桿菌具有抑菌作用，最小抑菌濃度為25 mg/mL。

圖2 焊縫橫截面形貌

圖3 余高與熔寬對(duì)比

采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織，如圖4～圖6所示。MAG焊接頭的焊縫及熱影響區(qū)晶粒尺寸均明顯較大，主要是因?yàn)橄啾燃す?MAG復(fù)合焊及激光焊，MAG焊整體熱輸入量大且接頭冷卻速率相對(duì)慢很多，熱量長(zhǎng)時(shí)間停留在焊縫，從而導(dǎo)致晶粒粗大（見圖6）。

圖4 激光-MAG復(fù)合焊微觀金相

圖5 激光焊微觀金相

圖6 MAG焊微觀金相

對(duì)比激光-MAG復(fù)合焊與激光焊焊縫區(qū)，在相同的焊接速度和激光功率下，激光焊的晶粒尺寸卻較為粗大（見圖5a）。主要原因是電弧所產(chǎn)生的電弧力和熔滴的沖擊力作用于復(fù)合焊熔池，電弧力和熔滴的沖擊力對(duì)熔池產(chǎn)生機(jī)械攪拌作用，促進(jìn)了金屬液流動(dòng)，降低了熔池的溫度梯度，使焊縫組織得到細(xì)化[11]。

3.2 顯微硬度

采用Q60A維氏硬度計(jì)對(duì)焊縫橫截面進(jìn)行顯微維氏硬度檢測(cè)，加載力500g（4.9N），保載時(shí)間15s，間距0.35mm，焊接接頭的顯微硬度如圖7所示。由圖7可看出，接頭硬度以焊縫為中心大致呈對(duì)稱分布（M形）趨勢(shì)。

圖7 焊接接頭的顯微硬度

焊縫區(qū)平均硬度由小到大依次為：MAG焊＜激光焊＜激光-MAG復(fù)合焊，熱影響區(qū)平均硬度趨勢(shì)與焊縫區(qū)相同。由此可知，激光-MAG復(fù)合焊和激光焊在提高接頭硬度方面存在較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.3 力學(xué)性能檢測(cè)

（1）拉伸試驗(yàn) 依據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到激光-MAG復(fù)合焊、激光焊、M A G焊平均抗拉強(qiáng)度依次為580MPa、580MPa和589MPa，3種焊接工藝斷裂位置均位于母材，如圖8所示。

圖8 拉伸試樣斷裂形貌

（2）彎曲試驗(yàn) 依據(jù)GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，采用φ24mm的彎頭對(duì)試樣進(jìn)行正彎和背彎，結(jié)果如圖9所示，三類樣件彎曲180°后，表面均未發(fā)現(xiàn)開裂，彎曲試驗(yàn)結(jié)果均合格。

圖9 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

（3）沖擊試驗(yàn) 依據(jù)G/BT 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，開VWS0/0.5缺口，沖擊試樣尺寸為55mm×10mm×5mm，試驗(yàn)在-40℃下進(jìn)行。激光-MAG復(fù)合焊、激光焊、MAG焊的平均沖擊吸收能量依次為106.3J、94.3J和85.7J，由此可知激光-MAG復(fù)合焊焊縫沖擊性能最佳。

綜合可知，對(duì)6mm厚Q355E鋼板對(duì)接焊時(shí)，激光-MAG復(fù)合焊的焊縫形貌、顯微硬度、力學(xué)性能均具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。故后續(xù)采用該工藝對(duì)6mm圓錐管進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

4 激光-MAG復(fù)合焊焊接圓錐管

圖10 圓錐管焊接

4.1 產(chǎn)品焊接結(jié)果

采用優(yōu)化后的焊接參數(shù)（見表4），順利實(shí)現(xiàn)了圓錐管的激光-MAG復(fù)合焊制造。焊后的圓錐管焊縫美觀，焊接變形小，同軸度＜2mm，焊接過(guò)程如圖11所示，焊接效果對(duì)比如圖12所示。

圖11 激光-MAG復(fù)合焊過(guò)程

圖12 圓椎管焊接效果對(duì)比

4.2 產(chǎn)品結(jié)果分析

焊接熱輸入密度計(jì)算公式為

式中Q——熱輸入密度（kJ/mm）；

P——激光功率（W）；

v——焊接速度（mm/s）；

U——電弧電壓（V）；

I——焊接電流（A）；

η——焊接熱輸入影響因子 ，本次統(tǒng)一按照η＝1計(jì)算。

激光-MAG復(fù)合焊與原MAG焊熱輸入密度對(duì)比如圖13所示。

圖13 熱輸入密度對(duì)比

由圖13可知，采用激光-MAG復(fù)合焊的圓錐管熱輸入密度是MAG焊的3/10，這是使同軸度得以提升的根本原因。

焊絲消耗量計(jì)算公式為

式中T——焊接時(shí)間（min）；

v——焊接速度（m/min）；

v2——送絲速度（m/min）；

S——焊絲用量（m）。

采用激光-MAG復(fù)合焊焊接的圓錐管所需消耗焊絲量約為MAG焊的1/10（見圖12），但焊接效率卻是其10倍。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)采用激光-M A G復(fù)合焊、激光焊、MAG焊3種不同工藝對(duì)6mm厚Q355E鋼板進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)，得出激光-MAG復(fù)合焊具有明顯的工藝優(yōu)勢(shì)。

2）在保證圓錐管全焊透的同時(shí)，對(duì)比激光-MAG復(fù)合焊與MAG焊效果，得出激光-MAG復(fù)合焊在焊接效率、焊接材料消耗、焊接質(zhì)量方面都有大幅提升。本次試驗(yàn)研究可為激光-MAG復(fù)合焊技術(shù)在軌道交通的推廣應(yīng)用起到直接的借鑒作用。