激光－電弧復(fù)合焊工藝及焊縫成形質(zhì)量研究

中圖分類號(hào)：TG456.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

ResearchonLaser-ArcHybridWeldingProcessand Weld Formation Quality

WANG Yanlong'， DAI Xiaoming2（1.FirstMilitaryRepresetatieOfceofavyuangouGuangzou5015，Cina;CCHuagpu WecongSbuldingCoayLimited，Guangzhou ，China）

Abstract：Laser-arc hybrid welding，asanovel high-efficiency process，offers high productivityand effective control of welding distortion，making it highly suitable for thin-plate joining innaval products.This studyconducts laser-arc hybrid welding on EH36 steel plates， investigating the efects of heat source positioning sequence，current type，arc current，laser power，welding speed，and defocus distance on welding efficiency and weld formation. Microstructure and mechanical properties of the joints are analyzed， with recommended parameters proposed.

Key words： laser-arc hybrid welding; welding process; weld quality; thin-plate welding

1 引言

激光-電弧復(fù)合焊是一種將激光焊接和電弧焊接相結(jié)合的新型焊接工藝，充分利用激光的深熔能力和電弧的搭橋能力，可以有效增大焊接熔深，提高焊接效率及質(zhì)量。相對(duì)于單熱源焊接，復(fù)合焊接過程中兩熱源間的相互作用，使得高速焊接下熔滴過渡穩(wěn)定，同時(shí)可加入焊絲填充調(diào)整焊縫合金成分，減少氣孔、咬邊、未熔合等焊接缺陷的形成，顯著提高焊縫質(zhì)量[2]，減小焊接變形。

激光-電弧復(fù)合焊的諸多優(yōu)點(diǎn)使其受到船舶行業(yè)的關(guān)注，德國(guó)的Meyer船廠把激光復(fù)合焊接應(yīng)用于船體平面分段自動(dòng)化生產(chǎn)線；丹麥的Odense造船廠也配備了一臺(tái)集成有機(jī)床切割功能的 激光-熔化極氣體保護(hù)焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了裝配焊接一體化；美國(guó)的GE公司將高功率激光-電弧復(fù)合焊應(yīng)用于美國(guó)“福特”號(hào)航母建造，節(jié)省了金屬材料，縮短了焊接周期。本文通過研究熱源位置順序、電流類型、激光功率、焊接速度等工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量以及焊接效率的影響，獲得焊縫最優(yōu)成形效果時(shí)的焊接參數(shù)，并分析接頭的顯微組織以及力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的試板材質(zhì)為EH36鋼，該鋼材廣泛應(yīng)用于船舶制造的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性，能夠滿足船舶在復(fù)雜海洋環(huán)境下的使用要求。試板尺寸規(guī)格分為 1000mm×500mm×4mm 和 1000mm×500mm×6mm 兩種，以模擬不同厚度船體結(jié)構(gòu)的焊接需求。焊絲采用直徑為 Φ1.2mm 的YCJ501-1焊絲，該焊絲與EH36鋼具有良好的匹配性。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用RFL-6000型 6kW 光纖激光器，該激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，纖芯直徑為 0.4mm ，激光功率可調(diào)范圍為1000～6000W ，焊接過程中通過對(duì)激光功率的精確調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熔深和熔寬的有效控制。焊接頭為普雷茨特YW52激光焊接頭，準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡焦長(zhǎng)200mm ，聚焦鏡焦長(zhǎng) 300mm ，焦斑直徑 0.6mm ，確保激光能夠精確聚焦，實(shí)現(xiàn)高效焊接。MAG焊機(jī)則選用LorchS8型MAG焊機(jī)，焊機(jī)具有性能穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，能夠與激光器配合進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接。

試驗(yàn)過程通過平板對(duì)接方式進(jìn)行焊接，焊前對(duì)坡口及兩側(cè) 10mm 范圍內(nèi)表面鐵銹等污物進(jìn)行清除。由于鐵銹等污物會(huì)將雜志元素帶入焊縫，導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。清除過程采用機(jī)械打磨方法，使用砂輪片或鋼絲刷等工具，將焊件表面的鐵銹和氧化皮徹底去除，確保焊件表面清潔無雜質(zhì)。

焊后首先觀察焊縫表面形貌，檢查焊縫是否存在明顯的缺陷，如氣孔、裂紋、咬邊等。在焊后試件上取樣，觀察其金相組織及焊縫截面形貌，深入了解焊接過程對(duì)材料性能的影響。按照GB/T2651-2008以及GB/T653-2008試驗(yàn)方法，對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸和彎曲性能測(cè)試，以評(píng)估焊接接頭的力學(xué)性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1各工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形以及焊接效率的影響

1）熱源位置順序?qū)附有实挠绊?/p>

激光和電弧位置的先后順序一般分為前送絲（電弧在前）和后送絲（電弧在后），熱源位置順序?qū)す猓娀?fù)合焊接熔池的影響如圖1a）、b）所示。選用前送絲焊接位置，電弧可以預(yù)先加熱工件，使工件的表面先熔掉一層，此時(shí)工件會(huì)減少對(duì)激光的反射，而增加對(duì)激光的吸收效率，因此可以增大熔深和熔寬，在工業(yè)化生產(chǎn)中進(jìn)一步降低成本，具有很高的實(shí)用性。后送絲焊接位置則可以使得起弧更加容易，也使得熔滴的過渡形式更加平穩(wěn)，但使焊接板材對(duì)中難度增加，對(duì)工裝的裝配精度要求更高，增加了勞動(dòng)量，導(dǎo)致焊接效率比前送絲方式低。在實(shí)際操作中，后送絲焊接位置需要更精確的板材定位和工裝調(diào)整，這不僅增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還容易出現(xiàn)焊接偏差，影響焊接質(zhì)量。因此，考慮到激光－電弧復(fù)合焊接工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用要求，激光和電弧位置的先后順序采用前送絲較為合適。

2）電流類型對(duì)焊縫成形的影響

激光-電弧復(fù)合焊過程中，電流類型（如恒定直流、脈沖直流）會(huì)影響電弧對(duì)工件的熱輸入量，進(jìn)而影響焊縫成形。在其他參數(shù)不變的條件下，改變電流類型，觀察焊縫成形效果，如圖2a）、b）所示。采用恒定直流焊接時(shí)，焊縫金屬能夠均勻熔化和凝固，從而獲得良好的成形效果，焊縫正面成形良好，焊縫與母材過渡光順，無飛濺。采用脈沖直流焊接時(shí)，熱輸入存在周期性變化，導(dǎo)致焊縫金屬的熔化和凝固過程不穩(wěn)定，從而影響了焊縫的成形質(zhì)量，焊縫正面成形余高較大，焊縫與母材過渡突變，有少量飛濺。因此，選擇恒定直流焊接方式能獲得較好的焊縫成形效果。

3）電弧電流對(duì)焊縫成形的影響

電弧電流是影響焊縫成形的重要因素之一。為探究焊接電流對(duì)焊縫成形的影響，在其他條件不變的情況下，設(shè)置不同焊接電流進(jìn)行激光－電弧復(fù)合焊，所得的焊縫成形如圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)焊接電流為120A時(shí)，焊縫表面成型不均勻，存在未熔化等表面缺陷。當(dāng)焊接電流為200A時(shí)，焊縫表面成形良好，有魚鱗紋產(chǎn)生，焊縫填充飽滿，無明顯可見缺陷，說明此條件下電弧和熔池穩(wěn)定；當(dāng)焊接電流增大至250A時(shí)，焊縫表面光滑，與母材過渡光順，焊縫飽滿均勻，表面無缺陷，容易脫渣；當(dāng)焊接電流增大至280A時(shí)，焊縫表面存在咬邊缺陷。由此可見，當(dāng)電流過小時(shí)，熱輸入量較小，導(dǎo)致焊絲熔敷量較少，進(jìn)而產(chǎn)生表面未熔合缺陷；當(dāng)電流過大時(shí)，熱輸入量較大，容易導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生咬邊缺陷。因此，對(duì)于不同厚度的板材焊接，需選擇合適的電流，以獲得成形良好的焊縫，如對(duì)于 3mm 以下的薄板焊接，一般選擇的焊接電流范圍為 160-170A ；而對(duì)于 3-6mm 的板材焊接，選擇200-250A焊接電流較為合適。

4）激光功率對(duì)焊縫成形的影響

激光功率是激光-電弧復(fù)合焊接過程中的主要熱源之一，也是影響焊縫成形的重要因素。在保證其他條件不變的情況下，改變激光功率，觀察焊縫成形情況，如圖4所示。由圖可以看出，隨著激光功率的增加，焊縫的熔深和熔寬都在增加，整體呈線性趨勢(shì)。顯然，當(dāng)激光功率從 1000W 逐漸增加到 5500‰ ，焊縫熔寬從 1.2mm 增加到 2.6mm ，熔寬增加了1倍左右。而焊縫熔深從 0.4mm 增加到 5.1mm ，熔深增加了11倍左右，由此可見，激光功率對(duì)焊縫熔深影響較大，而對(duì)焊縫熔寬影響較小。由于激光功率的增加能夠提高激光的能量密度，使得激光能夠更深入地穿透工件，從而增大了熔深，而熔寬的增加則受到多種因素的制約，如電弧的熱影響范圍、焊接速度等。因此隨著板厚的增加，激光功率應(yīng)適當(dāng)增大，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果， 4mm 試板激光功率選擇 4000W±5% ， 6mm 試板選擇 6000W±5% 較為合適。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)板材的具體厚度和焊接要求，對(duì)激光功率進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到最佳的焊接效果。

5）焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

為探究焊接速度對(duì)焊縫成形的影響，在其他條件不變的情況下，設(shè)置不同焊接速度進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊，所得的焊縫成形如圖5所示?？梢钥闯觯?dāng)焊接速度過低時(shí)，焊縫單位長(zhǎng)度的熱輸入較大，金屬熔化量較多，使得表面焊縫增寬度增加、余高增大，不僅會(huì)影響焊縫的外觀質(zhì)量，還可能導(dǎo)致焊接變形增大。當(dāng)焊接速度過快時(shí)，焊縫單位長(zhǎng)度的熱輸入降低，導(dǎo)致金屬熔化量減少、焊縫寬度減小、表面余高減小。對(duì)于一定的激光功率和電流，選擇合適的焊接速度能保證適當(dāng)?shù)臒彷斎肆亢腿鄯蠼饘?，減少咬邊等現(xiàn)象，進(jìn)而保證焊縫成形效果。因此，對(duì)于 4mm 以及 6mm 厚試板，選擇 20-22mm/s 的焊接速度范圍來獲得最佳焊縫成型效果。在這個(gè)速度范圍內(nèi)，熱輸入量適中，能夠使焊縫金屬充分熔化和凝固，同時(shí)避免了焊接缺陷的產(chǎn)生。

6）離焦量對(duì)焊縫成形的影響

離焦量指的是激光束焦點(diǎn)位置與工件表面之間的距離。通常認(rèn)為激光束焦點(diǎn)在工件表面時(shí)定義為零離焦量，焦點(diǎn)在工件表面之上為正離焦量、表面之下為負(fù)離焦量。為研究離焦量對(duì)焊縫成形的影響，在其他條件不變的情況下，改變離焦量，觀察焊縫成形，如圖6所示。

結(jié)果表明：當(dāng)離焦量為0、 -1mm 、 -2mm 時(shí)，焊縫表面光順，成形良好；當(dāng)離焦量為 1mm 、 2mm 時(shí)，焊縫表面有少量飛濺。當(dāng)離焦量為負(fù)時(shí)，工件內(nèi)部的功率密度大于表面處，焦點(diǎn)處的高能量密度完全用于熔化工件，可獲得更大熔深。而當(dāng)離焦量為正時(shí)，激光能量集中在工件表面之上，使得工件表面氣化嚴(yán)重，容易產(chǎn)生飛濺。因此，根據(jù)不同板厚選擇合適的離焦量，可獲得成形良好、熔深合適的焊縫。對(duì)于 3mm 以下的薄板焊接，通常選擇零離焦量；對(duì)于 3-6mm 的板材焊接，則需通過選擇 -1mm 、 -2mm 的離焦量來獲得足夠熔深。

3.2微觀組織與力學(xué)性能

為研究激光－電弧復(fù)合焊的微觀組織，對(duì) 6mm 的EH36材質(zhì)鋼板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，如圖7所示，焊接參數(shù)如下表1所示。

圖8為 6mEH36 采用激光－電弧復(fù)合焊獲得的焊接接頭，接頭分為上下兩部分，上部分主要為電弧作用區(qū)，下部分為激光主要作用區(qū)。雖然電弧作用區(qū)柱狀晶趨向較為明顯，但是，激光作用區(qū)主要以細(xì)晶粒等軸晶為主，能夠有效改善接頭根部力學(xué)性能，有利于焊接接頭綜合性能提升。

對(duì)激光－復(fù)合焊焊接接頭進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明EH36鋼采用激光-電弧復(fù)合焊焊接得到的接頭抗拉強(qiáng)度較高，斷裂位置都位于母材區(qū)，說明焊縫強(qiáng)度高于母材，彎曲性能合格，力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

4結(jié)論

研究了熱源位置順序、電流類型、電弧電流、激光功率、焊接速度、離焦量對(duì)激光－電弧復(fù)合焊焊接效率以及焊縫成形效果的影響，并分析了接頭的顯微組織與力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：

1）工業(yè)上應(yīng)用激光-電弧復(fù)合焊，選用電弧在前的前送絲方式，電流類型選擇恒定直流，可以有效提高焊接效率并保證良好的焊縫成形效果。焊接 3mm 以下的薄板時(shí)，焊接電流范圍為 160-170A ，通常選擇零離焦量；焊接 3-6mm 的板材時(shí)，焊接電流范圍為200-250A ，選擇 -1mm 、 -2mm 的離焦量；

2）針對(duì)于 4mm 厚EH36材質(zhì)鋼板，焊接時(shí)激光功率最佳參數(shù)為 4000W±5% ，對(duì)于 6mm 厚鋼板則為6000W±5% ，兩者均選用 20-22mm/s 的焊接速度；

3） 6mm EH36焊接接頭分為上下兩部分，上部分主要為柱狀晶趨向較為明顯的電弧作用區(qū)，下部分為以細(xì)晶粒等軸晶為主的激光作用區(qū)。接頭抗拉強(qiáng)度為580MPa ，斷裂位置位于母材區(qū)。

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