激光-MAG復合焊能量配比對SMA490BW耐候鋼焊縫的影響

楊　濤，陳　勇，陳衛林，楊瑞欣，陳　輝

（西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

激光-MAG復合焊能量配比對SMA490BW耐候鋼焊縫的影響

楊濤，陳勇，陳衛林，楊瑞欣，陳輝

（西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

針對耐候鋼的激光-MAG復合焊，研究不同能量配比系數對復合焊縫熔深、熔寬、微觀組織的影響。研究結果表明：隨著能量配比系數的增大，焊縫總熔深逐漸增加，熔寬逐漸減小，熱影響區面積先減小后小幅增大。激光功率對熔深起主導作用，電弧區的熱影響區寬度明顯大于激光區的熱影響區寬度。熱影響區中過熱區晶粒組織粗化較明顯。與焊縫電弧區相比，焊縫激光區的微觀組織晶粒更加細小。中厚板焊接中打底層應選用大的能量配比系數，填充蓋面層應選用小的能量配比系數，對接焊結果表明優化后的參數能夠獲得無缺陷、成形良好的焊縫。

耐候鋼；激光-MAG復合焊接；焊縫熔深熔寬；微觀組織

0　前言

SMA490BW耐候鋼具有較好強度、塑性及韌性，且耐大氣腐蝕性能優良，被廣泛應用于高速列車轉向架焊接構架中。目前轉向架SMA490BW耐候鋼主要的焊接方法為熔化極活性氣體保護焊MAG（Metal Active Gas Arc Welding），存在的主要問題是板厚較大，焊接速度較低、熔深淺、熱輸入量大、組織粗化、變形大、殘余應力復雜，由此增加了焊后工件打磨修整、矯形工作量，有些部位甚至會出現未焊透等缺陷[1－2]。

激光-電弧復合焊綜合利用激光-電弧復合焊接技術作為一種優質、高效的焊接方法，被廣泛地應用于鎂鋁合金、不銹鋼、碳鋼等中厚板的焊接。在激光-電弧復合熱源焊接過程中，電弧提高激光的能量利用率，提高焊縫的搭橋能力，降低激光焊對工件裝配誤差的要求。從理論上講，激光-MAG復合焊接具有能量集中、焊接速度較大、熱輸入小，可以減小接頭坡口尺寸，減少填充量等特點，有利于控制變形、殘余應力，提高轉向架構架的質量[3-4]。

對于轉向架焊接結構中厚板的焊接，存在多層多道焊接及焊接參數的選擇，為防止過大的熱輸入對焊接接頭組織性能造成損傷，需要控制總的熱輸入。本研究采用激光-MAG復合焊焊接12 mm厚SMA490BW耐候鋼，通過改變不同的激光能量與電弧能量的配比，研究其對焊縫熔深、熔寬、微觀組織的影響，為中厚板焊接參數的選取提供理論支撐。

1　試驗材料和測試方法

1.1試驗材料

試驗材料為高速列車轉向架常用的SMA490BW耐候鋼，焊接試樣為板材，試樣尺寸300 mm×150 mm× 12 mm。填充焊絲為軌道車輛用高強度耐大氣腐蝕鋼焊絲JM-55II，直徑1.2 mm。

母材及填充焊絲的化學成分如表1所示。

表1　SMA490BW耐候鋼及JM-55II焊絲化學成分％

1.2焊接設備

試驗采用IPG YLS-4000光纖激光器，光纖芯徑200 μm，輸出波長1.06 μm，聚焦透鏡焦距310mm，焦點處光斑直徑0.2 mm，額定功率4.2 kW。試驗所用的焊機為KmpArc-450焊機，焊機通過控制送絲速度確定焊接電流和電壓。激光-MAG復合焊接的光絲間距2 mm，激光離焦量0 mm，保持焊槍高度不變，采用激光在前電弧在后的復合方式。焊接過程采用保護氣流量為25 L/min的φ（Ar）80％＋φ（CO2）20％。實驗用焊接系統如圖1所示。

圖1　激光-脈沖MAG復合焊接系統

1.3試驗方法

試驗前打磨鋼板表面以去除表面銹跡和油污，能量配比焊接采用平板堆焊的方式，焊接參數如表2所示。實驗中總功率PH為焊接過程中電弧功率PM與激光功率PL的總和，即PH=PL+PM，激光功率為激光器輸出功率PL，電弧功率為PM=U×I，其中U為MAG脈沖焊的平均電壓，I為MAG脈沖焊的平均電流。實驗中假設激光與電弧的能量利用率相同，選用的總功率約為8 000 W，通過逐漸增加激光功率，同時逐漸減小電弧功率的方式進行能量的配比研究，并定義激光功率與總功率的比值為能量配比系數R=PL/PH，各能量配比系數對應參數關系如表2所示。焊機輸出的平均電流與送絲速度之間為線性關系，如圖2所示。焊后切割接頭，經過鑲樣、研磨、拋光和腐蝕制成金相試樣，采用VHX-1000超景深三維顯微鏡拍攝焊縫形貌并測量焊縫的熔深、熔寬。

表2　激光-MAG復合焊試驗焊接工藝參數

2　試驗結果和討論

2.1不同能量配比對焊縫熔深、熔寬的影響

不同能量配比條件下激光-MAG復合焊的焊縫截面照片如圖3所示，從焊縫截面形貌可以看出不同功率配比下激光-MAG復合焊焊縫熱影響區（HAZ）寬度、熔深熔寬存在較大差異。R1為典型的MAG焊焊縫形貌，焊縫熔深較淺，深寬比較小。隨著能量配比系數的增大，激光輸入能量對熔深產生較大的影響，深寬比增大，焊縫截面形狀逐漸變為釘頭形。由于復合焊過程中電弧和激光束之間的耦合作用，激光會對電弧產生吸引和壓縮作用，對焊縫成形產生影響。

圖2　實驗中送絲速度與焊接電流之間的關系

熔化極電弧焊接形成的焊縫熔寬較大，熔深較淺；激光熱源由于能量密度比較集中，形成的焊縫窄而深。根據電弧與激光兩種不同熱源作用焊縫成形的差異，將復合焊焊縫劃分為電弧區和激光區，并定義總焊縫熔深為H=H1+H2，其中電弧區熔深為H1，激光區熔深為H2，如圖4所示。

圖3　不同能量配比下激光-MAG復合焊的焊縫截面照片

圖4　復合焊熔深區域劃分

通過測量焊縫熔深、熔寬變化，由圖5可知，隨著電弧功率的減小，焊縫熔寬逐漸減小。這是由于送絲速度的減小使得熔化的焊絲金屬減少，同時復合焊由于激光的壓縮作用，復合電弧作用范圍、熱流分布范圍小于MAG電弧，因此相同焊接速度下焊道變窄，熔寬逐漸減小。在總功率不變的情況下，隨著激光功率的增加，激光-MAG復合焊的焊縫總熔深近似呈線性增加，且激光-MAG復合焊的焊縫熔深大于MAG焊熔深；由此可以看出，在復合焊接過程中，在相同的輸入功率條件下，激光功率對焊縫熔深起著主導作用。

圖5　不同能量配比下的焊縫熔深熔寬

不同能量配比下電弧區熔深與激光區熔深存在明顯的差異。隨著電弧功率的減小，電弧作用熔深逐漸減小，激光區熔深逐漸增大。如圖5所示，由R2至R3激光功率增加1 kW，激光作用熔深增加量比由R1至R2增加變化顯著，這是因為在焊接過程中，激光功率密度超過一定的閾值后，材料表面發生汽化、蒸發，產生的蒸氣壓力大于熔池金屬表面張力和重力時，熔池表面下凹，形成“匙孔”現象，激光由“熱導焊”模式轉變為“深熔焊”模式；在激光形成“匙孔”以后其主要通過菲涅爾吸收和逆韌致輻射吸收兩種機制吸收激光能量；逆韌致輻射吸收是等離子體對激光能量的吸收，主要集中于小孔上部，最終會使焊縫形成“釘頭”形狀；菲涅爾吸收是通過小孔壁多次反射吸收能量，使熱源能量在深度方向上均勻分布，焊縫更容易形成窄而深的熔深。由圖3可知，隨著激光功率的增加，熔深逐漸增大且焊縫熔深變得更窄，熱影響區作用范圍也越來越小。

為分析復合熱源對材料的熱影響范圍，使用圖像分析軟件Image-Pro Plus 6對焊縫的各區面積進行測量，定義受熱區域總面積為S1，焊縫區域面積為S2，熱影響區面積為S3。由圖6可知，隨著能量配比系數的增大，受熱區域總面積、焊縫區的面積逐漸減小，其原因為電弧輸入功率減小，即送絲速度的減小會使單位時間內的焊絲熔化量減少，因此焊縫區域的面積逐漸減少。熱影響區的面積先減小后小幅度上升趨于平緩，其原因為相同能量輸入時電弧能量的作用范圍比較寬且電弧熱源的能量密度較分散，因此其熱影響區的面積比較大。高能量密度的激光熱源的引入使焊縫在熔深方向的熱源影響區域增大，但是其熱影響區的面積遠小于相同電弧能量輸入時的熱影響區面積。

圖6　不同能量配比下的焊縫各區面積

2.2不同能量配比對接頭組織的影響

在激光-MAG復合焊接過程中，由于電弧與激光熱源的能量密度差異，采用不同的能量配比進行焊接，熱循環過程的差異將造成接頭組織的非均勻分布。本研究主要通過對比激光與電弧作用的焊縫區、熱影響區范圍以及受熱源影響較大的過熱區等微區微觀組織形貌，分析不同能量配比下接頭組織的非均勻性。不同能量配比接頭各微區的顯微組織如圖7所示。

由圖7可知，焊縫的激光區組織主要為沿原奧氏體晶界分布的白色先共析鐵素體，以及少量粒狀貝氏體，晶內為針狀鐵素體和珠光體。焊縫電弧區中部主要為晶界鐵素體和細小的針狀鐵素體，也存在少量的珠光體。與焊縫電弧區相比，激光區的微觀組織晶粒更加細小。分析其原因：焊縫底部的激光作用區主要受激光熱源的作用，焊縫上部的電弧區受復合電弧加熱作用，由于激光焊接的冷卻速率比電弧焊接快，晶粒來不及長大，因此激光區的晶粒較小。同時可以看出，隨著能量配比系數的增大，焊縫激光區的組織晶粒也隨之細化。

由圖7對比可知，由于電弧熱源的能量較激光熱源更分散，電弧區的熱影響區的范圍要明顯大于激光區的熱影響區的范圍，隨著能量配比系數的增大，激光區的熱影響區的范圍也有所增大。熱影響區組織主要為先共析鐵素體同時存在少量的珠光體和貝氏體；在激光-電弧復合焊過程中，電弧區的過熱區的晶粒粗化較明顯，主要為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和少量貝氏體。激光區的過熱區晶粒稍有粗化，微觀組織主要為針狀鐵素體和貝氏體。由于電弧區的過熱區的熔池存在時間長，局部融化凝固組織晶粒長大。而激光區的過熱區由于冷卻速度較快，因此過熱區晶粒較細小。

2.3耐候鋼不同能量配比復合焊對接焊縫宏觀形貌

對于耐候鋼厚板材料的激光-MAG復合焊接，采用的坡口結構如圖8所示。基于以上能量配比對焊縫成型的影響結果，由于電弧難以潛入底部熔池，可能會產生未焊透等缺陷，對于窄間隙小坡口的對接厚板焊接過程的焊縫成型優化原則為：打底焊接采用大功率的激光輸入，利用激光的“匙孔”效應獲得良好的背面熔透；同時為了減小熱影響區范圍，充分發揮激光的作用，應減小大電流對激光的屏蔽作用，因此在打底焊過程中需要控制總的輸入功率，采用大的能量配比系數。在填充層和蓋面層中，為了填充金屬、保證坡口的熔合及焊縫成形良好，因此需要采用大的電弧功率，同時為了提高高速焊接過程中電弧的穩定性，選用較小的激光功率，即選用小的能量配比系數。12 mm厚板對接焊試驗中選用的優化后參數如表3所示。

采用激光-MAG復合焊焊接的12 mm耐候鋼（見圖9），大能量配比系數獲得的焊縫下部熔寬較窄，小能量配比系數獲得的焊縫熔合較好；焊縫內部無氣孔、未熔合、未焊透等缺陷，焊縫正面和背面成形均良好；選用不同的參數可以減少金屬填充量，減小焊接變形，提高效率。

圖7　不同能量配比的接頭各區顯微組織

圖8　激光-MAG復合焊對接坡口結構

表3　激光-MAG復合焊試驗焊接工藝參數

3　結論

（1）激光-MIG復合焊接中，在總輸入功率一定的條件下，隨著能量配比系數的增大，焊縫總熔深和激光區熔深逐漸增加，熔寬逐漸減小，激光功率對復合焊熔深起主導作用。

（2）在總輸入功率一定的條件下，隨著能量配比系數的增大，熱影響區面積先減小后小幅增大，焊縫激光區的組織晶粒也隨之細化。電弧區的熱影響區寬度要明顯大于激光區的熱影響區寬度，焊縫激光區的微觀組織晶粒較焊縫電弧區更加細小，熱影響區中過熱區晶粒組織粗化較明顯。

圖9　激光-MAG復合焊對接焊縫形貌

（3）在耐候鋼中厚板焊接參數選擇時，打底焊為獲得大熔深應采用大能量配比系數，填充和蓋面時為保證焊接過程的穩定性及焊縫成形良好，應選用小能量配比系數。試驗中優化參數得到的對接焊縫無明顯缺陷，焊縫正反面成形良好。

[1]吳向陽，陶傳琦，齊維闖，等.動車組構架激光-MAG復合熱源焊接工藝參數[J].大連交通大學學報，2013，34（6）：23-26.

[2]彭國平，高文慧，王海濤，等.轉向架用SMA490BW鋼激光-MAG復合焊接頭殘余應力[J].電焊機，2015，45（4）：158-160.

[3]陶傳琦，吳向陽，王秋影，等.SMA490BW耐候鋼激光-MAG復合焊與MAG焊對比研究[J].電焊機，2014，44（12）：35-39.

[4]崔麗，賀定勇，李曉延，等.焊接方向對光纖激光-MIG復合焊接鈦合金焊縫成形的影響[J].中國激光，2011，38（1）：1-7.

Effect of energy ratio on welded joint in laser-MAG hybrid welding of SMA490BW weather-resistance steel

YANG Tao，CHEN Yong，CHEN Weilin，YANG Ruixin，CHEN Hui
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Effects of energy ratio on the weld width，weld penetration and microstructure are investigated for hybrid laser-MAG welding of weather-resistance steel.The results show that with the increase of the energy ratio coefficient weld penetration increases，weld width decreases，the area of heat affected zone area decreases initially but then increases.Laser power plays a dominant role in the melting depth.The width of the heat affected zone in arc zone is wider than that in laser zone.The grains of coarse grained heat affected zone are coarsened.The grain size of the laser zone is finer than of that in arc zone.For the medium thick plate welding，large energy ratio coefficient should be chosen in the root pass welding，and small energy ratio coefficient for filling pass welding.The welded joint with good appearance，defects-free can be obtained under the optimum parameters.

weather-resistance steel；Laser-MAG hybrid welding；weld penetration and width；microstructure

TG456.7

A

1001－2303（2016）05－0019-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.05

2016－02－10；

2016－03－11

楊濤（1982—），男，黑龍江哈爾濱人，博士，講師，主要從事激光加工過程機器人及控制的研究工作。