激光-MAG電弧復合焊接單面焊雙面成型工藝

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（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.唐山開元焊接自動化技術研究所有限公司，河北唐山063000；3.北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

0 前言

單面焊雙面成型是焊接生產中的常用方法，可以提高生產率，降低生產成本，在管道安裝、造船業、鍋爐、壓力容器等行業更顯突出作用。

20世紀80年代初，英國學者W.M.Steen首先提出了激光與電弧復合焊接概念[1]，激光電弧復合熱源將電弧與激光復合在一起，同時作用于同一個工件，不僅很好地結合了二者優點，彌補了各自的不足，并且產生了“1+1＞2”的效果[2]。根據電弧種類不同，激光電弧復合焊接主要分為：激光-TIG復合焊接、激光-MIG/MAG復合焊接、激光等離子弧復合焊接、激光雙電弧復合焊接。在此主要研究激光-MAG電弧復合焊接，此復合焊接可以焊接的板厚更大，適應性更強。

1 實驗設備、材料和方法

實驗采用的激光設備是美國IPG公司的YLS-4000光纖激光器，最大激光功率4 kW，主要由激光焊接頭、控制系統、激光器、水冷系統組成。焊機采用芬蘭KEMPPI公司生產的KMS500專用焊機，采用自行設計的復合焊接機構進行旁軸復合，通過數控三維平臺帶動焊件實現焊接所需的相對運動。

圖1 激光復合焊接實驗平臺Fig.1 Experimental Platform of laser composite welding

實驗采用4～10 mm的Q345B結構鋼板進行對接焊，焊絲為直徑1.2 mm的神鋼MG-51T焊絲。保護氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體，氣體流量20 L/min；激光采用垂直入射方式，MAG焊槍與垂直方向夾角為20°～40°。試驗前用丙酮或者酒精去除試件表面油污，用角磨機和鋼絲刷去除試件表面氧化膜。焊接完成后，避開焊接起始和結束處的不穩定階段，選取焊縫長度1/3處進行取樣，觀察焊縫橫截面宏觀形貌。

2 實驗結果和分析

2.1 不同厚度、不同焊接參數下鋼板對接單面焊雙面成型效果

（1）4 mm鋼板單面焊雙面成型可行性試驗。

通過改變激光功率、焊接電流、焊接電壓、送絲速度和焊接速度等參數，分別對4 mm的Q345B鋼板進行單面焊接，在2號試件中加入1.5 mm間隙和1.5 mm錯邊，各組試件的工藝參數見表1。兩組典型的正反面成型效果如圖2和圖3所示。

可以看出，4 mm鋼板復合焊接時對參數的改變不敏感，一定參數范圍內均可以實現單面焊雙面成型，且成型效果良好，在1.5mm間隙和1.5 mm錯邊量下仍可以實現很好的單面焊雙面成型。

表1 4 mm鋼板對接的焊接參數Table 1 Welding parameters of butt joint of 4 mm steel plate

圖2 1號鋼板正反兩面成型效果Fig.2 Shaping effect of No.1 steel plate

圖3 2號鋼板正反兩面成型效果Fig.3 Shaping effect of No.2 steel plate

（2）5mm、6mm鋼板單面焊雙面成型可行性試驗。

通過改變激光功率、焊接電流、焊接電壓、送絲速度和焊接速度等參數，分別進行5 mm和6 mm的Q345B鋼板單面焊接，3號試件是5 mm鋼板；4號試件是6 mm鋼板，在4號試件中加入2 mm間隙和1.5 mm錯邊。各組試件的焊接工藝參數如表2所示，兩組典型的正反面成型效果如圖4、圖5所示。

表2 5 mm和6 mm鋼板對接的焊接參數Table 2 Welding parameters of butt joint of 5 mm and 6 mm steel plate

圖4 3號鋼板正反兩面成型效果Fig.4 Shaping effect of No.3 steel plate

從成型效果看，5 mm和6 mm的鋼板復合焊接時對焊接參數的改變也不太敏感，表2中的參數均可實現單面焊雙面成型，成型效果良好。在2 mm間隙和1.5 mm錯邊情況下，6 mm的鋼板對接也實現了單面焊雙面成型。

（3）10 mm鋼板單面焊雙面成型可行性試驗。

此組實驗材料為10 mm的Q345B鋼板，開50°V型坡口，1～3 mm鈍邊，試件5有0～2 mm的漸變間隙。通過改變激光功率、焊接電流、焊接電壓、送絲速度和焊接速度等參數進行焊接，觀察鋼板的成型效果。各組試件的焊接工藝參數如表3所示，幾組典型的正反兩面的成型效果如圖6和圖7所示。

表3 10 mm鋼板對接的焊接參數Table 3 Welding parameters of butt joint of 10 mm steel plate

圖6 5號鋼板正反兩面成型效果Fig.6 Shaping effect of No.5 steel plate

結果表明，10 mm的Q345B鋼板在1 mm鈍邊和3 mm鈍邊的情況下復合焊接成型效果均良好。2 mm間隙的實驗發現，相同參數同樣能完成單面焊雙面成型且效果較好，說明激光電弧復合焊能夠允許一定的間隙量。

2.2 焊縫宏觀形貌

（1）無間隙無錯邊的各試件焊縫形貌。

圖7 6號鋼板正反兩面成型效果Fig.7 Shaping effect of No.6 steel plate

無間隙和錯邊情況下獲得的焊縫截面照片如圖8～圖10所示。

圖8 4 mm板厚的焊縫宏觀形貌Fig.8 4 mm macro morphology of weld

圖9 5 mm板厚的焊縫宏觀形貌Fig.9 5 mm macro morphology of weld

不同情形下各個試件均能焊透，成型效果良好，內部無明顯缺陷。激光功率對焊縫熔深影響較大，激光功率越高，熔深越大；電流大小對熔寬影響較大，電流越大，熔寬越大。

（2）有間隙和錯邊的各試件的焊縫形貌。

圖10 10 mm板厚的焊縫宏觀形貌Fig.10 10 mm macro morphology of weld

在實際焊接生產過程中，焊接坡口加工和焊件裝配精度有時會產生間隙或錯邊等情況，針對這種情況開展激光-MAG復合焊接對錯邊和間隙的適應性研究具有重大實際意義。在一定間隙和錯邊量情況下獲得的焊縫截面照片如圖11～圖13所示。

圖11 帶間隙和錯邊4 mm板厚焊縫形貌Fig.11 4 mm weld morphology with gap and edge

圖12 帶間隙和錯邊9 mm板厚焊縫形貌Fig.12 9 mm weld morphology with gap and edge

圖13 帶間隙和錯邊10 mm板厚焊縫形貌Fig.13 10 mm weld morphology with gap and edge

可以看出，坡口間隙越大，焊縫背透熔寬、余高越大，焊縫熔深越小。在帶錯邊的試件中，當錯邊達到1.5 mm時仍可獲得良好的焊縫形貌，錯邊處的焊縫和母材金屬過渡圓滑，未出現焊漏和塌陷等缺陷，該復合焊接工藝對間隙和錯邊有良好的適應性。

3 結論

（1）在4～10mm的Q345B鋼板對接焊中，激光-MAG電弧復合焊可以在較寬的參數范圍下獲得良好的單面焊雙面成型。

（2）在合適參數下，激光-MAG電弧復合焊能夠輕松實現帶坡口的10 mm鋼板一次焊接完成，且單面焊雙面成型效果良好。

（3）在存在0～1.5 mm間隙和0～1.5 mm錯邊情況下，激光-MAG電弧復合焊依然可以完成單面焊雙面成型，并且成型質量良好，說明激光-MAG電弧復合焊對間隙和錯邊具有良好的容忍度。

[1]Steen W M.Arc augmented laser processing of materials[J].Journal of Applied Physics，1980，51（11）：5636-5641.

[2]肖榮詩，吳世凱.激光-電弧復合焊接的研究進展[J].中國激光，2008，35（11）：1680-1685.

[3]李志寧，都東，常保華，等.激光-等離子弧復合焊技術的研究進展[J].焊接，2007（9）：19-22.

[4]孫壯.單面焊雙面成型的焊接工藝試驗[J].中國重型裝備，2013（1）：36-38.

[5]王焱，梁朝旭，周清.純銅的TIG單面焊雙面成形工藝[J].焊接技術，2006，35（1）：47-48.

[6]高信.論單面焊雙面成型[J].山東工業技術，2016（3）：2-4.

[7]張凌.CO2氣體保護焊單面焊雙面成形技術[J].起重運輸機械，2003（5）：23-26.

[8]劉雙宇，張宏，石巖，等.CO2激光-MAG電弧復合焊接工藝參數對熔滴過渡特征和焊縫形貌的影響[J].中國激光，2010（12）：3172-3179.