薄板激光-電弧復(fù)合焊接與電弧焊接的經(jīng)濟性對比分析

張欣

（長春理工大學(xué)，長春 130022）

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是將激光與電弧兩種不同性質(zhì)的熱源復(fù)合在一起、同時作用于工件表面的新型焊接技術(shù)，與電弧焊接技術(shù)相比，具有焊接速度快、焊接質(zhì)量高、經(jīng)濟效益大等特點，在薄板焊接上具有較大的優(yōu)勢。對于電弧焊接，有許多研究人員做了大量的經(jīng)濟性分析［1-3］，但是對于激光-電弧復(fù)合焊接的經(jīng)濟性分析還非常少。本文以6mm厚高強鋼薄板為對象，從焊接接頭形式、焊接熱輸入、焊材、焊接工時等方面對激光-電弧復(fù)合焊接與電弧焊接的技術(shù)經(jīng)濟性進行了對比分析。

1 焊接接頭形式

由于板厚較小，僅為6mm，屬于薄板焊接。采用電弧焊接需要雙面焊接成型，而采用激光-電弧復(fù)合焊接時，由于激光束具有較強的穿透能力，可以實現(xiàn)單面焊接雙面成型。為此，電弧焊接時采用雙V型坡口，激光-電弧復(fù)合焊接時采用Y型坡口，如圖1所示。由圖可見，電弧焊接坡口去除量為13.232mm2，激光-電弧復(fù)合焊接坡口去除量僅為3.282mm2，同時激光-電弧復(fù)合焊接的坡口根部間隙更小。

圖1 薄板不同焊接方法的坡口形式

2 焊接熱輸入

采用電弧焊接時，內(nèi)側(cè)焊縫的電弧電壓為27V、焊接電流為220A、焊接速度為400mm/min，焊接線能量為891J/mm；外側(cè)焊縫的電弧電壓為28.2V、焊接電流為240A、焊接速度為400mm/min，焊接線能量為1015J/mm，總焊接線能量為1906J/mm。而采用激光-電弧復(fù)合焊接時，電弧電壓為27.8V、焊接電流為230A、激光功率為2.5kW、焊接速度為800mm/min，焊接線能量為667J/mm。由此可見，激光-電弧復(fù)合焊接的線能量僅為電弧焊接的35%，如圖2所示。焊接線能量少有助于減小焊接變形。

圖2 薄板不同焊接方法的熱輸入

3 焊接接頭拉伸強度

拉伸試驗結(jié)果表明，高強鋼激光-電弧復(fù)合焊接接頭的拉伸強度為1120MPa、電弧焊接接頭的拉伸強度為640MPa，高強鋼激光-電弧復(fù)合焊接接頭的拉伸強度是電弧焊接的1.75倍，如圖3所示。

圖3 薄板不同焊接方法的焊接接頭拉伸強度

4 焊絲消耗

由圖4可知，電弧焊時內(nèi)側(cè)焊縫填充金屬的面積為：

3.14×［2/cos45?］2×（90?/360?）=6.28mm2

電弧焊時外側(cè)焊縫填充金屬的面積為：

3.14×［（6-2）/cos30?］2×（60?/360?）=11.16mm2

電弧焊時內(nèi)側(cè)、外側(cè)焊縫填充金屬的面積總和為：

6.28+11.16=17.44mm2

而激光-電弧復(fù)合焊時所需要填充金屬的面積為：

3.14×［（6-2.5）/cos15?］2×（30?/360?）+2.5×0.2=3.94mm2

焊道總長為13m，焊絲采用不銹鋼焊絲，對于電弧焊接而言，其采用雙面焊接，焊縫截面面積為17.44mm2，焊 絲 損 耗 系 數(shù) 取 1.08，消 耗 焊 絲1.922kg。而對于激光-電弧復(fù)合焊接來說，其采用單面焊接雙面成型，焊縫截面面積僅為3.94mm2，焊絲損耗系數(shù)取1.08，消耗焊絲0.434kg。薄板激光-電弧復(fù)合焊接所需焊絲僅為電弧焊接的23%。以焊絲單價84元/kg計算，電弧焊接時焊絲費用161.4元，激光-電弧復(fù)合焊接時焊絲費用36.5元，與電弧焊接相比，薄板激光-電弧復(fù)合焊接可節(jié)約焊絲成本77%。

圖4 薄板不同焊接方法的焊縫截面面積

5 焊接工時

采用電弧焊接時，焊接速度為400mm/min，雙面焊接，焊接13m焊道耗時65min；而采用激光-電

圖5 側(cè)傾角響應(yīng)Matlab仿真曲線

圖6 側(cè)傾角響應(yīng)TruckSim仿真曲線

由上圖分析可知，在相同的仿真條件下，利用Matlab仿真和TruckSim仿真得到牽引車穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角分別為 6.2°和 6.5°，掛車側(cè)傾角分別為 5.6°和5.9°。分析仿真曲線的變化趨勢和變化規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)兩種仿真方法得到的曲線在超調(diào)量、響應(yīng)時間、變化趨勢和穩(wěn)態(tài)值方面基本保持一致，進而驗證了所建立的半掛汽車列車動力學(xué)模型的有效性。

5 結(jié)論

本文分別對重型單車和汽車列車建模動力學(xué)建模進行了分析和研究，并在建模過程中將橫向載荷轉(zhuǎn)移量作為重要的變量引入到模型中去，并建立了重型單車7自由度和汽車列車12自由度動力學(xué)模型。并利用Matlab仿真和TruckSim仿真模擬了在相同輸入條件下的牽引車和半掛車側(cè)傾角響應(yīng)曲線，通過對比分析，驗證了所建立仿真模型的有效性。本文所建立的模型可為今后重型車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的研究提供理論基礎(chǔ)。

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