Q345B鋼激光-電弧復(fù)合焊接工藝性能研究

摘要： 利用激光-電弧復(fù)合焊接方法，研究了6 mm厚Q345B板激光-電弧復(fù)合焊接成形的影響規(guī)律，并分析了該方式下工況適應(yīng)性及接頭性能。結(jié)果表明：在激光功率為4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min及光絲間距5 mm時獲得了良好的焊縫成形，且對間隙和錯邊的適應(yīng)性較好；焊縫X射線探傷可以達到I級合格；接頭力學(xué)性能表現(xiàn)良好。

關(guān)鍵詞： 激光-電弧復(fù)合焊；焊縫成形；工況；性能

中圖分類號： TG 456.7，TG 115.28

Study on the performance of laser arc hybrid welding process for Q345B steel

Wen Ziyuan， Jiang Bao， Wei Pengyu， Hang Pengbo， Yang Yicheng， Lei zhen

（Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， China）

Abstract： The influence law of laser arc composite welding on the forming of 6 mm thick Q345B plate was studied using the laser arc composite welding method， and the adaptability of the working conditions and joint performance under this method were analyzed. The results showed that good weld formation was achieved at laser power of 4 000 W， welding speed of 0.8 m/min， wire feeding speed of 8 m/min， and wire spacing of 5 mm， with good adaptability to gaps and misalignment; The Xray inspection of the weld seam can achieve Level I qualification; The mechanical performance of the joint is good.

Key words： laser arc hybrid welding; welding seam forming; working conditions; performance

0前言

激光電弧復(fù)合焊接作為一種新型的焊接技術(shù)，將激光與電弧兩種熱源進行復(fù)合，綜合了激光焊接熔深大、焊接效率高、焊接變形小和電弧焊接適應(yīng)性強、橋接能力好等優(yōu)點[1-3]。使用激光-電弧復(fù)合焊接進行薄板焊接，具有裝夾精度要求較低、后處理簡單、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)勢[4-5]，在船舶制造、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用價值[6-8]。

文中利用激光-電弧復(fù)合焊接方法，對6 mm Q345B板材進行焊接工藝試驗，研究不同參數(shù)對焊縫成形的影響，對優(yōu)化參數(shù)下的焊縫進行工況適應(yīng)性分析與接頭組織性能分析，為其應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1試驗設(shè)備及方法

試驗設(shè)備采用IPG10000W光纖激光器，最大輸出功率為10 000 W；激光加工設(shè)備采用HIGHYAG激光頭，焦距470 mm；弧焊電源為福尼斯TPS500i焊機，最大輸出電流為500 A，采用脈沖電弧模式，光絲夾角為15°。

試驗材料選用6 mm厚Q345B，坡口形式為單邊15°，鈍邊4 mm的Y形坡口，采用氬氣和二氧化碳比例為80∶20的混合氣作為焊接保護氣。試驗通過激光-電弧復(fù)合焊接方法，研究6 mm厚Q345B材料激光焊接特性，試驗過程如圖1REF_Ref24949618*MERGEFORMAT所示。

2試驗結(jié)果

2.1激光功率對焊縫成形的影響

研究了在激光功率對焊縫正背面成形的影響規(guī)律，固定參數(shù)：焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm，分析了激光功率分別為3 000 W、4 000 W和5 000 W時焊縫正背面成形特征，如圖 2REF_Ref251755285*MERGEFORMAT和圖 3REF_Ref1372356388*MERGEFORMAT所示。

由圖可知，激光功率較小或較大時，焊縫正背面焊縫均勻性都會降低，焊縫容易出現(xiàn)正面塌陷、變窄及背面焊瘤，而激光功率為4 000 W時左右時可以獲得相對良好的正背面焊縫成形。

2.2送絲速度對焊縫成形的影響

研究了送絲速度對焊縫正背面成形的影響規(guī)律。固定參數(shù)為激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、光絲間距5 mm。分析了送絲速度分別為7 m/min、8 m/min和9 m/min時焊縫正背面成形特征，如圖 4REF_Ref557884427*MERGEFORMAT和圖 5REF_Ref1073092314*MERGEFORMAT所示。

由圖可知，焊縫正面成形隨送絲量的增加其變化趨勢相對較為明顯。其中在所選參數(shù)范圍內(nèi)，隨送絲量的增加，焊縫正面并非單純的越來越飽滿：當(dāng)送絲速度為7 m/min和8 m/min時，焊縫正面相對飽滿均勻，焊縫鋪展性也較好；而當(dāng)送絲速度增加到9 m/min時，正面焊縫寬度變窄，飽滿性和均勻性變得相對較差，鋪展性也不太好。

其原因之一是送絲量增加后，雖然電弧能量也同時增加，但由于焊接速度本身較快，單純憑借電弧能量不能很好的將焊絲熔化鋪展開，需要同時調(diào)整激光功率才能更好的實現(xiàn)正面焊縫的良好成形。而對于焊縫背面，不同送絲速度下均獲得良好的焊縫成形。

2.3焊接速度對焊縫成形的影響

焊接速度對焊縫正背面成形的影響規(guī)律見圖 6REF_Ref1971207863*MERGEFORMAT和圖 7REF_Ref1482866137*MERGEFORMAT。固定參數(shù)為激光功率4 000 W、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm，分析了焊接速度分別為0.8 m/min、0.9 m/min和1.0 m/min時的焊縫正背面成形特征。

由圖可知，在所選焊接速度范圍內(nèi)，雖然都可以獲得較為良好的正面焊縫成形，但隨焊接速度的增加，正面焊縫的鋪展性和穩(wěn)定性會受到一定限制。其中，焊接速度為0.8 m/min和0.9 m/min時，焊縫成形效果一致性較好，焊縫鋪展性和均勻性都能較好滿足要求；而焊接速度達到1.0 m/min時，正面焊縫寬度有些變窄，鋪展性較差，實際焊接過程中穩(wěn)定性也不能得到很好的保證。

在所選焊接速度范圍內(nèi)，均可以實現(xiàn)較為良好的焊縫背面成形，背透較為飽滿均勻，無凹坑、少肉等缺陷。其中，焊接速度為0.8 m/min時，焊縫熔透更加飽滿，焊接過程中背透成形穩(wěn)定性和適應(yīng)性更好一些。

2.4光絲間距對焊縫成形的影響規(guī)律

選擇了兩組差值較大的光絲間距參數(shù)并分析了其對焊縫成形的影響，如圖 8REF_Ref1326263017*MERGEFORMAT和圖 9REF_Ref1717620013*MERGEFORMAT所示。固定參數(shù)：激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min。

由圖可知，光絲間距的大小，對焊縫正背面成形均有較明顯的影響，其中較小的光絲間距如5 mm時更有利于實現(xiàn)焊縫的正背面成形，其焊縫成形更加飽滿均勻；而過大的光絲間距如6 mm容易造成焊縫均勻性變差，易出現(xiàn)焊縫均勻性降低、正面變窄、背面焊瘤等缺陷。

其原因為激光電弧復(fù)合焊接時，激光與電弧兩個熱源相距較近時，熱源復(fù)合效果更好；而過大的光絲間距會導(dǎo)致兩個熱源間的復(fù)合效果變差，從而導(dǎo)致焊縫成形不良。

2.5工況適應(yīng)性分析

文中主要分析了工藝參數(shù)對錯邊和間隙的適應(yīng)能力，根據(jù)上述成形規(guī)律，這里選擇一組成形相對良好的焊接參數(shù)：激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm。

2.5.1對錯邊的適應(yīng)性

由圖 10REF_Ref2064760131*MERGEFORMAT和圖 11REF_Ref11290347*MERGEFORMAT可知，所選工藝參數(shù)對錯邊的適應(yīng)性較好，在坡口錯邊量由0.2 mm漸變至0.8 mm的過程中，正面焊縫總體均可保持較為良好的成形，無明顯塌陷和咬邊產(chǎn)生；背面焊縫總體同樣均可保持較為良好的成形，無明顯凹坑、少肉和咬邊產(chǎn)生。

2.5.2對間隙的適應(yīng)性

由圖 12REF_Ref589364851*MERGEFORMAT和圖 13REF_Ref868596017*MERGEFORMAT可知，焊縫正面成形對間隙適應(yīng)性較差一些，在對接間隙由0.1 mm漸變至0.8 mm的過程中，正面焊縫呈現(xiàn)出逐漸收窄的趨勢，其焊縫寬度隨間隙的增大逐漸變小，甚至在超過約0.5 mm的間隙量后正面焊縫會有較明顯收窄甚至出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象；而背面焊縫總體成形均良好，無凹坑、少肉或咬邊產(chǎn)生，說明背面焊縫對間隙的適應(yīng)性好于正面。

2.6.1樣件焊接及X射線探傷檢測

根據(jù)上述焊縫成形規(guī)律，并經(jīng)過參數(shù)的優(yōu)化后，選擇工藝參數(shù)：激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm，進行樣件焊接并進行X射線探傷檢測和金相檢驗，如圖 14REF_Ref35941625*MERGEFORMAT和圖 15REF_Ref1934173249*MERGEFORMAT所示。

如圖16所示，焊縫正背面成形良好，且經(jīng)X射線探傷檢測，可以達到I級合格，符合技術(shù)要求；同時，經(jīng)過金相檢驗，試樣腐蝕后未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透、未熔合及夾渣等缺陷。

2.6.2力學(xué)性能分析

針對上述樣件接頭，進行了拉伸、彎曲和沖擊試驗，試驗結(jié)果如表 1REF_Ref411608102*MERGEFORMAT～表 3REF_Ref870898218*MERGEFORMAT所示。

其中，拉伸試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2652-2008進行。由表 1REF_Ref411608102*MERGEFORMAT可知，樣件接頭平均抗拉強度可以達到437.5 MPa，試驗結(jié)果符合要求。

彎曲試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2653-2008進行。在進行接頭彎曲試驗中，未發(fā)現(xiàn)有裂紋或斷裂情況，接頭彎曲性能合格，如表 2REF_Ref562589783*MERGEFORMAT所示。

上述樣件檢測結(jié)果可知，針對6 mm厚碳鋼激光-電弧復(fù)合焊接，此次所選工藝參數(shù)不僅可以獲得良好的焊接接頭，同時無論從內(nèi)部質(zhì)量檢測，還是力學(xué)性能檢測，均能達到較好的效果，且對間隙和錯邊的適應(yīng)性較好。

3結(jié)論

（1）采用激光-電弧復(fù)合焊接方法，在激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm左右時，可以獲得良好的正背面焊縫成形。

（2）優(yōu)化后的參數(shù)對間隙和錯邊的適應(yīng)能力較強，其中對錯邊的適應(yīng)能力要優(yōu)于對間隙的適應(yīng)能力。

（3）經(jīng)X射線探傷檢測及金相檢測，焊縫可達到I級合格。

（4）接頭力學(xué)性能結(jié)果表現(xiàn)良好，其抗拉強度、彎曲性能及沖擊性能均合格。

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收稿日期： 2024-04-20

溫子緣簡介： 1998年出生，碩士研究生。主要從事激光電弧復(fù)合焊接方面研究。