中厚板T形接頭激光-MAG復(fù)合焊接工藝研究

劉俊，賈玉發(fā)，萬(wàn)華，魏康明

銘鐳激光智能裝備（河源）有限公司 廣東河源 517000

1 序言

Q355低合金高強(qiáng)鋼具有高強(qiáng)度、高塑性、高韌性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于橋梁、車(chē)輛、船舶、建筑物、壓力容器及特種設(shè)備等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的焊接方式采用CO2氣體保護(hù)焊，在焊接中厚板T形接頭時(shí)需要開(kāi)坡口，進(jìn)行多層多道焊接，存在焊接效率低、焊接變形量大及焊接接頭質(zhì)量差等問(wèn)題[2-4]。激光-MAG復(fù)合焊將激光與電弧兩種熱源相結(jié)合，可減少焊道層數(shù)，降低熱變形，具有焊接效率高、焊縫熔深大等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。因此，研究T形接頭激光-MAG復(fù)合焊接工藝對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

本文采用20kW光纖激光器進(jìn)行激光-MAG復(fù)合焊接，對(duì)中厚板T形接頭Q355低合金高強(qiáng)鋼雙面焊接工藝進(jìn)行研究，確定了復(fù)合焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)材料

焊接試件為10～50m m厚的Q355低合金高強(qiáng)鋼。試件截面尺寸為300mm×150mm，接頭形式為T(mén)形接頭角焊縫、不開(kāi)坡口。焊絲牌號(hào)為ER50-6，直徑1.2mm。焊接前處理掉表面氧化層、鐵銹，并用異丙醇擦拭焊接位置，去除油污、水和灰塵。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2[9]。

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

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)采用創(chuàng)鑫MFMC20000光纖激光器，最大輸出功率20kW，激光波長(zhǎng)1064nm，準(zhǔn)直100mm，聚焦300mm，聚焦后的光斑直徑0.45mm；弧焊系統(tǒng)采用福尼斯TPS 500i焊機(jī)，最大焊接電流500A，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2混合氣體。激光-MAG復(fù)合焊接試驗(yàn)裝置如圖1所示。先對(duì)兩塊試板定位焊成T形接頭，再使用虎鉗夾緊固定，板材水平放置焊接。

圖1 試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊接角度與位置的確定

在T形接頭中，由于激光主要負(fù)責(zé)熔深穿透板材，所以激光入射方向需要盡量與焊接端面重合，但底板與焊接接頭存在干涉情況，導(dǎo)致激光無(wú)法水平焊接焊縫，與水平底板存在一定的角度，此角度為激光的入射角度（見(jiàn)圖2）。為確保焊縫全熔透激光從背面焊縫位置穿透，因此焊縫正面激光焊接位置點(diǎn)位于T形立板上。

圖2 焊接角度、位置示意

實(shí)際焊接測(cè)試時(shí)，不同厚度的板材焊接熔池形狀不同。當(dāng)熔深為8mm時(shí)，激光與弧焊熔池?zé)o明顯過(guò)渡，焊縫宏觀金相整體呈三角形；當(dāng)熔深為8～12mm時(shí)，激光與弧焊熔池有分離傾向，焊縫宏觀金相呈“喇叭”狀；當(dāng)熔深＞12mm時(shí)，激光與弧焊熔池明顯區(qū)分開(kāi)，弧焊熔池集中在焊縫表面位置，激光在焊縫中下位置，整體宏觀金相呈“釘子頭”狀。隨著板材厚度的不斷增加，焊縫熔寬從6mm逐漸縮小到2mm。

當(dāng)激光入射角度太大、焊接位置偏上時(shí)，容易造成板材拼接處出現(xiàn)焊偏、未熔合的現(xiàn)象。同時(shí)為避免焊接頭與底板干涉，實(shí)際焊接時(shí)選取較大的激光入射角度，焊接位置偏向焊縫底板處，在焊接薄板時(shí)，可發(fā)現(xiàn)熔池能從焊縫背面的底板上表面穿透出來(lái)。

試驗(yàn)得出不同厚度下最佳激光角度和焊接位置（與地板距離）見(jiàn)表3。

表3 不同厚度的激光入射角度與位置

當(dāng)板厚＞12mm時(shí)，激光-MAG復(fù)合焊接效果變差，弧焊熔池?zé)o法跟隨激光進(jìn)入板材深處，焊縫中下部激光的熔寬很窄，容易出現(xiàn)焊偏、未熔合現(xiàn)象。因此，需大幅調(diào)整激光入射角度，使激光束始終在焊縫附近。當(dāng)板材厚度＞18mm時(shí)，激光入射角度已經(jīng)降至最小角度7°。調(diào)節(jié)激光焊接位置靠近底板時(shí)，焊縫偏向底板，有效熔深變淺；激光焊接位置遠(yuǎn)離底板時(shí)，會(huì)使焊縫上表面激光與弧焊過(guò)渡點(diǎn)出現(xiàn)焊偏缺陷，以及未焊到底板上的現(xiàn)象。

3.2 預(yù)留間隙對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)焊接板厚＞12mm時(shí)，激光入射角度顯著減小，焊縫內(nèi)部極易出現(xiàn)焊偏、未熔合等缺陷。激光復(fù)合焊適應(yīng)性降低，根本原因在于激光-MAG復(fù)合焊效果變差，熔寬太窄。此狀態(tài)下極限焊接厚度為18mm。焊接板厚18mm以上板材時(shí)需改善焊縫熔池形狀，增加焊縫寬度。

當(dāng)激光功率為8kW、焊接電流為240A、電弧電壓為26V、焊接速度為0.9m/min、焦點(diǎn)為－2mm時(shí)，不同的預(yù)留間隙下激光-MAG復(fù)合焊接16mm厚T形接頭焊縫宏觀金相如圖3所示。

圖3 不同預(yù)留間隙下激光-MAG復(fù)合焊接T形接頭焊縫宏觀金相

由圖3可知，當(dāng)焊縫預(yù)留間隙為0mm時(shí)，激光焊接熔深為9mm，激光熔寬較窄；當(dāng)預(yù)留間隙為0.5mm時(shí)，焊縫熔深增加到11mm，激光熔寬變化不明顯；當(dāng)預(yù)留間隙為1mm時(shí)，焊縫熔深增加到13mm，熔寬明顯增加；當(dāng)預(yù)留間隙為1.5mm時(shí)，完全熔透16mm板材，焊縫熔寬進(jìn)一步變大。隨著預(yù)留間隙的不斷增大，焊縫熔深、熔寬也隨之增加；當(dāng)預(yù)留間隙在0.5mm以?xún)?nèi)時(shí)，熔深增加比較明顯；當(dāng)預(yù)留間隙為0.5～1mm時(shí)，熔深增加，熔寬緩慢變寬；當(dāng)預(yù)留間隙＞1mm時(shí)，焊縫熔深、熔寬明顯增加，焊縫熔池形態(tài)變好，焊接適應(yīng)性增加。

3.3 激光功率、離焦量對(duì)焊接熔深的影響

當(dāng)焊接電流為260A、電弧電壓為28.4V、離焦量為0mm、縫隙為0.7mm時(shí)，激光-電弧復(fù)合焊接激光功率對(duì)熔深的影響如圖4所示。不同離焦量下激光功率對(duì)復(fù)合焊熔深的影響不同。

圖4 激光功率對(duì)熔深的影響

當(dāng)厚度≤8mm時(shí)，激光和電弧焊兩種熱源耦合效果很好，焊縫熔深明顯大于單獨(dú)激光焊接時(shí)的熔深；當(dāng)厚度＞8mm時(shí)，弧焊熔深無(wú)法很好地滲透到焊縫底部，復(fù)合焊接熔深與單獨(dú)激光焊接熔深接近。

激光離焦量決定了激光焊接時(shí)的能量密度、小孔的穩(wěn)定性。試驗(yàn)了不同焦點(diǎn)下的焊縫熔深與離焦量為0mm時(shí)的熔深比，如圖5所示。

圖5 離焦量對(duì)熔深的影響

由圖5可知，當(dāng)激光離焦量在－8mm以下時(shí)，熔深快速降低，在到達(dá)－10mm時(shí)降低速率變緩，最終在－17mm時(shí)達(dá)到0mm離焦量熔深的0.5倍；當(dāng)離焦量為－8mm時(shí)，熔深達(dá)到最大，為0mm離焦量熔深的1.4倍；離焦量從－8～＋15mm時(shí)，激光熔深逐漸減少到0mm，為離焦量熔深的0.5倍。

3.4 雙面焊接的能力

為測(cè)試20kW激光-MAG復(fù)合焊能否雙面焊透50mm厚T形接頭焊縫，在30mm厚T形接頭焊縫上測(cè)試單面焊接熔深。當(dāng)激光功率為20kW時(shí)，直接穿透30mm厚T形接頭；當(dāng)降低功率到17kW時(shí)，焊接熔深控制為27mm，宏觀金相如圖6所示。

圖6 30mm厚T形接頭宏觀金相

當(dāng)激光入射角度為8°、激光功率為17kW、焊接位置1.5mm、離焦量為－8mm、焊接速度為0.6m/min、焊接電流為280A、電弧電壓為29.5V時(shí)，雙面焊透50mm，焊縫內(nèi)部無(wú)明顯缺陷，宏觀金相如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）不同厚度板材的激光入射角度不同，板材越厚激光入射角度越小。當(dāng)激光入射角度＜7°時(shí)，容易直接焊到豎板上，出現(xiàn)焊偏的現(xiàn)象。

2）合適的間隙有利于提升焊接熔深、熔寬，改善焊縫內(nèi)部熔池形狀。當(dāng)預(yù)留間隙為1.2mm時(shí)焊縫熔池形狀最好。

3）激光功率與熔深整體呈線性關(guān)系，熔深隨激光功率的增加而增加；合適的離焦量可以顯著增加熔深，在激光-MAG復(fù)合焊接中，當(dāng)離焦量為－8mm時(shí)熔深達(dá)到最大，為離焦量0mm時(shí)熔深的1.4倍。

4）當(dāng)預(yù)留1.2mm間隙、激光功率17kW，離焦量－8mm時(shí)，以0.6m/min的焊接速度可雙面焊透50mm厚T形接頭焊縫。