激光電弧復(fù)合光纖自動化焊接系統(tǒng)中T型低合金鋼焊接頭的開發(fā)

劉進(jìn)球

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州213164）

激光電弧復(fù)合光纖自動化焊接系統(tǒng)中T型低合金鋼焊接頭的開發(fā)

劉進(jìn)球

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州213164）

闡述了在大功率的光纖激光器下，使用自發(fā)激光焊或激光復(fù)合弧焊，采用6 mm、8 mm和10 mm厚度及T型接頭結(jié)構(gòu)，將低合金鋼S355和AH36進(jìn)行焊接的過程。目的是通過方法性地研究激光功率影響、焊接速度、相對于表面的射束校準(zhǔn)、氣隙、焦點(diǎn)位置及流程順序（用于激光復(fù)合弧焊），來理解影響圓角和焊縫結(jié)構(gòu)尺寸的因素，并在參數(shù)優(yōu)化之后，在所有厚度中獲得焊接質(zhì)量等級B級。

光纖激光器；自發(fā)激光焊接；激光復(fù)合弧焊；T型接頭；低合金鋼

0 前言

高效、高產(chǎn)的過程與易變靈活的焊接設(shè)備的結(jié)合引起了人們對提高焊接質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)可行性的高度期望。當(dāng)前，自發(fā)激光焊和激光復(fù)合弧焊技術(shù)在造船、運(yùn)輸和航空航天工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用可能性方面展開了廣泛研究。研究主要以焊接速度、激光功率和其他焊接基本工藝參數(shù)產(chǎn)生的影響為核心，同時嚴(yán)格遵守丁字接頭為標(biāo)準(zhǔn)的縫接結(jié)構(gòu)原則。過去比較成功的是基于CO2激光系統(tǒng)的丁字接頭的激光復(fù)合弧焊的研究，其估算了光束的定向、HLAW電弧以及氣隙對過程的影響。近期的研究探索了由基于光纖激光器的系統(tǒng)完成的對中厚T型接頭和偏角焊縫接頭的焊接。討論了自發(fā)激光和激光復(fù)合弧焊接過程中一側(cè)單通道T型接頭的形狀特征，其目的在于可以系統(tǒng)化了解影響此類低合金鋼焊接過程中的穩(wěn)定性因素。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

低合金鋼Ruukki激光S355MC（SFS-EN 10025-2）和AB AH36（防抱死制動系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)）造船鋼板材使用自發(fā)激光或激光復(fù)合弧焊接過程中，均在PA（1F）焊接部位的丁字接頭處接合。網(wǎng)面和凸緣的厚度和材料是一樣的。板材被激光切割成350 mm× 100 mm（長×寬）的碎片，致使網(wǎng)格破碎。使用的填充焊絲是φ1 mm的ESAB OK AristoRod 12.50，它是這類電弧焊中基礎(chǔ)材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)填充材料。測試樣品和填充焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 過程

試驗(yàn)由兩種不同的激光系統(tǒng)組成，系統(tǒng)中將連續(xù)波IPG光子Yb光纖激光器作為激光動力源使用。第一組試驗(yàn)將YLR-5000-S激光與ESAB Aristo LUD 450弧電源結(jié)合起來。第二組試驗(yàn)則使用YLS-10000激光源及Kemppi ProMig 530弧電源。此處使用的焊頭是Kugler LK190反射鏡光學(xué)激光焊頭及Binzel熔化極活性氣體保護(hù)焊。激光束的焦點(diǎn)直徑0.5 mm，源于300 mm焦鏡頭，125 mm準(zhǔn)直透鏡和φ200 μm進(jìn)程光纖。用于一些裝配中的0.5 mm氣隙是由放置在每個焊縫起始和末尾板材之間的鋼帶生成的。協(xié)同環(huán)境只有在使用脈沖電弧時才能得以不間斷的實(shí)現(xiàn)，因此，電弧電流和電壓要與填充焊絲的進(jìn)給速度保持一致。45°弧焊炬傾斜角、58°配平角、3 mm流程距離及15 mm的自由線長度均為常值參數(shù)。試驗(yàn)裝置及工藝變量如表2所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 %

表2 試驗(yàn)裝置及參數(shù)

焊縫估計(jì)會有視覺上的缺陷，因此制作了選定接頭的十字截面宏觀圖形，對穿透、接縫面積、尺寸、熔化帶形狀、高熱影響區(qū)相互之間的聯(lián)系以及接縫外形尺寸等進(jìn)行了全面的估計(jì)。在不同的焊接能量水平下，對選定的試樣進(jìn)行維氏硬度測試，即測量近地表的、接合點(diǎn)根部和接頭處的維氏硬度值。

2 分析與結(jié)論

一些焊接點(diǎn)的視覺質(zhì)量良好，有平滑的頂面和焊根。采用4.56 kW的激光可以在6 mm厚度之內(nèi)實(shí)現(xiàn)全熔透焊接，然而8 mm的焊接只有在功率高于6 kW時，使用激光復(fù)合弧焊和0.5 mm氣隙才能實(shí)現(xiàn)。不考慮部分穿透（75%的厚度），沒有預(yù)先調(diào)整氣隙的試驗(yàn)，同樣實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的焊接點(diǎn)。這就說明總能量輸入中電弧能量的百分比影響著焊接和穿透的形狀。

[1]劉達(dá)樊.CO2激光-MIG復(fù)合熱源焊接熔滴過渡的行為分析[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]王治宇.激光—MIG電弧復(fù)合焊接基礎(chǔ)研究及應(yīng)用[D].湖北：華中科技大學(xué)，2006.

[3]李志勇，王威，王旭友，等.大功率YAG激光-MAG復(fù)合熱源的光譜診斷與分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2010（11）：32-36.

[4] 肖榮詩，吳世凱.激光-電弧復(fù)合焊接的研究進(jìn)展[J].中國激光，2008（11）：46-51.

The development of T type low alloy steel welding head for automatic laser-arc hybrid fiber welding system

LIU Jinqiu
（Dept.of Mechanical and Electrical Engineering，Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China）

The processes of spontaneous laser welding and laser hybrid arc welding for low alloy steels S355 and AH36 by high-power fiber laser respectively with 6 mm,8 mm and 10 mm thickness and T type welding heads are introduced in this paper.Its purpose is to understand the influence factors of fillets and weld structure sizes by studying the laser power effect,welding speed,beam alignment relative to surface,air gap,focal position and sequence（for laser hybrid arc welding），and obtain welding quality grade B in all thickness after parameter optimization.

fiber laser；spontaneous laser welding；laser hybrid arc welding;T type welding head;low alloy steel

TG409

：A

：1001-2303（2015）10-0138-02

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.31

2014-12-16；

：2015-03-20

劉進(jìn)球（1958—），男，江蘇常州人，副教授，碩士，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)方面的研究工作。