高強鋼厚板機(jī)器人激光焊接及接頭硬度

楊昌權(quán)

（黃岡師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院，湖北黃州438000）

高強鋼厚板機(jī)器人激光焊接及接頭硬度

楊昌權(quán)

（黃岡師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院，湖北黃州438000）

采用高功率光纖激光焊接機(jī)器人對S355高強鋼厚板進(jìn)行高速焊接，獲得無缺陷的焊縫，結(jié)合硬度實驗研究焊接工藝參數(shù)對表面硬度的影響。結(jié)果表明：S355鋼的基體硬度為190～200 HV時，其熱影響區(qū)硬度會增加至450～500 HV；隨著焊接速度增加或激光功率減小，焊縫平均硬度逐漸升高，熱影響區(qū)的平均寬度逐漸減小。通過降低焊接速度可以縮小基體與焊縫的硬度差異。

厚板；激光焊接；焊縫硬度

0　前言

伴隨高功率光纖激光器的發(fā)展，激光焊接的應(yīng)用范圍越來越廣。由于汽車制造業(yè)需求巨大，激光焊接主要用于薄板焊接。相比CO2激光器等傳統(tǒng)激光器，高功率激光器具有更好的吸收率、光束質(zhì)量以及效率，還不會對匙孔頂部的金屬蒸氣產(chǎn)生敏感[1]。相比傳統(tǒng)的電弧焊接，激光焊接的熱影響區(qū)較窄，因此減少了工件的熱變形。實際生產(chǎn)過程中，制造業(yè)一直需要一種易實現(xiàn)自動化的快速、可靠的厚板焊接方法[2]。

激光焊接過程中，表層材料吸收激光能量后溫度升高，進(jìn)而熔化、汽化產(chǎn)生匙孔。激光束穿過匙孔后，熔融材料快速冷卻，導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)材料發(fā)生硬化。理想接頭質(zhì)量需具有足夠的強度和一定的硬度，因為硬度過高會大大降低焊接質(zhì)量。有研究表明，影響冷卻循環(huán)的主要參數(shù)是焊接速度和激光的輸出功率[3]。為此，本研究采用焊接機(jī)器人對S355高強鋼厚板進(jìn)行高速焊接，獲得沒有缺陷的焊縫，并結(jié)合硬度實驗研究焊接工藝參數(shù)對表面硬度的影響，為厚板激光焊接工藝的實際應(yīng)用提供參考。

1　實驗研究

1.1實驗設(shè)備和材料

研究的目的是確定實現(xiàn)厚板激光全熔透焊接的最佳工藝參數(shù)與設(shè)備的組合。采用高功率光纖激光器（HPFL）焊接機(jī)器人對S355高強鋼板進(jìn)行焊接，可變的工藝參數(shù)有：激光功率、焊接速度、焦點位置以及材料厚度。S355高強鋼廣泛用于海上結(jié)構(gòu)、采礦設(shè)備、風(fēng)力機(jī)塔組件的制造過程，其主要化學(xué)成分如表1所示。采用高壓水切割器將板厚分別為20 mm和25 mm的高強鋼板切割成200 mm×75 mm的測試鋼板。S355高強鋼的最小屈服強度為355MPa，拉伸強度470～630 MPa。

表1　S355高強鋼化學(xué)成分％

激光焊接頭安裝在工業(yè)機(jī)器人上（見圖1），由機(jī)械臂控制激光焊接頭按照一定的焊接速度沿夾緊鋼板移動。實驗前首先對鋼板進(jìn)行噴砂處理，清理待焊件邊緣。鋼板被緊緊地固定與夾具上，使焊接方向垂直于工件表面。保護(hù)氣體Ar通過銅管送到焊縫，流速20 L/min。激光焊接參數(shù)為：操作模式為連續(xù)波（CW）模式，額定輸出功率30 kW，發(fā)射波長為1 070 nm，工作光纖纖芯直徑200 μm，準(zhǔn)直透鏡焦距140mm，聚焦透鏡焦距300mm，焦點直徑420μm，纖維直徑200 μm。

1—焊接頭；2—焊接工作臺和固定設(shè)備；3—保護(hù)氣體系統(tǒng)。圖1　厚板激光焊接機(jī)器人設(shè)備

1.2實驗設(shè)計

為實現(xiàn)不同厚度高強鋼板的高質(zhì)量焊接，激光功率分為五個等級，同時調(diào)整合適的焊接速度。由于激光焊接過程受到多個工藝參數(shù)的影響，對于每個焊接功率和材料厚度條件下通過反復(fù)試驗確定采用最高焊接速度獲得合格焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)范圍。首先，在焊接速度2 m/min條件下對厚度20 mm的鋼板進(jìn)行預(yù)焊試驗，確定實現(xiàn)全熔透焊接時的最佳功率和焦點位置。通過外觀檢查，確定合格焊件。驗收標(biāo)準(zhǔn)為表面及根部焊縫光滑、飛濺少、沒有宏觀裂紋[4]。按照合格焊件對應(yīng)的工藝參數(shù)再次進(jìn)行試驗，驗證其為焊板全熔透的最佳工藝參數(shù)。工藝參數(shù)變化范圍如表2所示。

表2　IPG YLR 30000工藝參數(shù)

采用Lumenera相機(jī)和相關(guān)軟件觀察所有焊件截面，并按照EN ISO 13919-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析[5]。按照EN 895標(biāo)準(zhǔn)分別對熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行維氏硬度宏觀硬度測試。硬度測試試驗在室溫下進(jìn)行，測試點取三個位置：樣品中部、距離根部2 mm處、距離焊縫頂部2 mm處。測量之間的距離為0.3 mm。硬度試驗的目的是確定材料結(jié)構(gòu)的變化。

此外，還對能量消耗于材料改性之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究。激光線能量（EL）的計算方程為

式中PL為激光輸出功率電平（單位：kW）；vW為焊接速度（單位：m/min）。

2　實驗結(jié)果及分析

2.1外觀檢查

根據(jù)兩種板厚的焊接實驗結(jié)果，繪制焊接速度與激光功率變化曲線，如圖2和圖3所示。圖中圓圈標(biāo)注為焊接質(zhì)量合格的結(jié)果，采用十字、方形和三角形標(biāo)注切透、未焊透以及其他缺陷。相同激光功率和焊接速度條件下，不同的焦點位置也在實驗中進(jìn)行了標(biāo)記。

圖2　20 mm厚高強鋼的焊接質(zhì)量

本研究在激光功率15kW、20kW、25kW和30kW的條件下，分別對20mm和25mm厚的S355鋼板實施激光焊接實驗，旨在確定獲得合格焊接質(zhì)量的最大焊接速度。因此，實驗可變參量有激光功率、焊接速度和焦點位置，實驗結(jié)果如表3所示。

圖3　25 mm厚高強鋼的焊接質(zhì)量

表3　S355高強鋼板激光焊接的最大焊接速度

2.2硬度測試

焊縫的平均硬度與線能量的關(guān)系如圖4所示。可以看出，隨焊接線能量的增加，20 mm厚焊件的平均硬度值逐漸下降，這是由于熔融材料的冷卻速度隨線能量的減少而增加，導(dǎo)致材料凝固后硬度增加；但是線能量從11.2 J/mm增加至16.7 J/mm后，25 mm厚試樣的焊縫硬度未發(fā)生明顯改變。

圖4　焊縫的平均宏觀硬度

如圖5、圖6所示，激光功率和焦點位置不變，焊接速度從2.4 m/min增至2.8 m/min（17％），焊縫平均硬度由435.2 HV升至472.8 HV（8.6％），HAZ平均寬度由1.96 mm減少到1.76 mm（10.2％）。

圖5　20 mm厚試件的硬度曲線（PL=20 kW，vW=2.4 m/min，fpp=-7.5 mm，EL=8.4 J/mm）

圖6　20 mm厚試件的硬度曲線（PL=20 kW，vW=2.8 m/min，fpp=-7.5 mm，EL=7.2 J/mm）

如圖5和圖7所示，焊接速度和焦點位置不變，激光功率由20 kW增加到25 kW，焊縫平均硬度由435.2 HV降至425.5 HV（0.02％），平均HAZ寬度由1.96 mm增加到2.18 mm（11.2％）。

在焊接速度2.4m/min時，對25 mm厚試件進(jìn)行焊接，為了獲得充分滲透必須適當(dāng)增加激光功率。如圖8所示，焊縫中間及根部的硬度明顯增加，這是焦點位置加深和冷卻速率增加導(dǎo)致的。

圖7　20 mm厚試件的硬度曲線（PL=25 kW，vW=2.4 m/min，fpp=-7.5 mm，EL=10.5 J/mm）

圖8　25 mm厚試件的硬度曲線（PL=30 kW，vW=2.4 m/min，fpp=-15 mm，EL=12.5 J/mm）

3　結(jié)論

采用高功率光纖激光焊接機(jī)器人分別對20 mm和25 mm厚的S355高強鋼板進(jìn)行了焊接實驗，研究焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量尤其是焊縫硬度的影響。對20 mm厚S355高強鋼板進(jìn)行激光焊接，焊接速度為1.8m/min和2.4m/min分別對應(yīng)的激光功率為15 kW和20 kW，焦點位置均為-7.5 mm。對25 mm厚S355高強鋼板進(jìn)行激光焊接，焊接速度1.8 m/min和2.4m/min分別對應(yīng)的激光功率為25kW和30kW，焦點位置分別為-12.5 mm和-15 mm。S355鋼的基體硬度為190～200 HV，其熱影響區(qū)硬度為450～500 HV。隨焊接速度的增加或激光功率的減小，焊縫平均硬度逐漸升高，熱影響區(qū)的平均寬度逐漸減小。伴隨線能量的增加，20 mm厚焊縫硬度呈下降趨勢，25 mm厚焊縫硬度變化不大。通過降低焊接速度可以縮小基體和焊縫的硬度差異。

[1]胡連海.10Ni3CrMoV鋼厚板激光焊接穩(wěn)定性與接頭組織及性能研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[2]黃堅，李鑄國，唐新華.中厚板的高功率激光焊接[J].航空制造技術(shù)，2010（02）：26-29.

[3]徐國建，王虹，唱麗麗，等.激光焊接的特性[J].電焊機(jī)，2010，40（11）：57-64.

[4]高世一，楊永強，楊凱珍.不等厚板激光焊接焊縫缺陷結(jié)構(gòu)光視覺檢測[J].激光技術(shù)，2011（04）：440-443.

[5]龔濤，鐘如濤，王輝，等.600 MPa級高Al冷軋雙相鋼與異種材料不等厚板搭配的激光焊接性能研究[J].電焊機(jī)，2014，40（09）：1-5.

Laser welding robot on thick plate and the weld hardness analysis

YANG Changquan
（College of Mathematics and Physics，Huanggang Normal University，Huangzhou 438000，China）

Using high power fiber laser welding robot to the high speed welding of high strength steel plate S355，get no weld defects，and combining the hardness experiments to study the influence of welding process parameters on surface hardness.The results show that S355 steel matrix hardness is 190～200 HV，the heat affected zone hardness increases to 450～500 HV.Along with the increase of welding speed or the decrease of the laser power，welding seam average hardness is increased，the average width of heat affected zone decreases.Can narrow the difference of the hardness of substrate and weld by reducing the welding speed.

thick plate；laser welding；weld hardness

TG456.7

A

1001－2303（2016）04－0101-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.22

2014-11-28；

2015-04-24

楊昌權(quán)（1964—），男，湖北蘄春人，副教授，碩士，主要從事大學(xué)物理教育的研究工作。