自保護(hù)藥芯焊絲激光-MAG電弧復(fù)合熱源堆焊工藝參數(shù)對(duì)焊道熔深和深寬比的影響

王清曌 徐亦楠 楊淼森 林曉輝 劉孔豐

摘要：以自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的低鎳含氮奧氏體不銹鋼自保護(hù)藥芯焊絲為研究對(duì)象，研究了激光-MAG電弧復(fù)合熱源堆焊參數(shù)對(duì)焊道熔深和深寬比的影響。研究結(jié)果表明：復(fù)合熱源堆焊過(guò)程中，激光功率、堆焊電流和電弧電壓對(duì)熔深和深寬比的影響顯著，且其影響規(guī)律與光絲位置密切相關(guān);改變光絲間距可以調(diào)節(jié)熔深和深寬比，進(jìn)而對(duì)稀釋率產(chǎn)生影響;激光前置和光絲間距DLA<0 mm更有利于降低熔深和深寬比。堆焊工藝參數(shù)不同，主導(dǎo)熔深和深寬比的機(jī)制不同，DLA<0 mm、激光功率<2.0 kW、電流>160 A、電壓<28 V時(shí)，電弧主導(dǎo)熔深和深寬比;反之，激光主導(dǎo)熔深和深寬比。

關(guān)鍵詞：自保護(hù);激光堆焊;復(fù)合熱源;堆焊工藝;熔深

中圖分類(lèi)號(hào)：TG456.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0116-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.23

0? ? 前言

激光-電弧復(fù)合焊是一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的先進(jìn)焊接技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的電弧焊方法，具有焊接效率高、熔深大、焊接變形小、焊縫成形好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前國(guó)際上的一項(xiàng)熱門(mén)技術(shù)和研究熱點(diǎn)[1-3]。已應(yīng)用于汽車(chē)制造、船舶制造、軌道交通、壓力容器和石化管道等行業(yè)[4-8]。

表面堆焊作為焊接技術(shù)的分支，其目的不同于一般焊接方法，不是為了連接工件，而是通過(guò)將具有一定性能的合金材料熔覆于母體材料表面對(duì)工件表面進(jìn)行改性，以獲得具有耐磨性、耐熱性、耐蝕性等特殊性能的熔敷層，或恢復(fù)工件因磨損或加工失誤造成的尺寸不足的焊接工藝，是提高產(chǎn)品和設(shè)備性能、延長(zhǎng)使用壽命的有效手段。堆焊具有小的焊道熔深，大的焊道熔寬，從而可獲得較小的焊道深寬比，但堆焊時(shí)異種合金元素之間易發(fā)生稀釋作用，造成堆焊層內(nèi)成分和組織明顯變化，進(jìn)而影響工件性能[9-11]。目前，堆焊領(lǐng)域還是以電弧堆焊為主，激光、等離子和電子束等堆焊為輔[12-16]。電弧堆焊存在熱輸入大、電弧穩(wěn)定性差等缺陷，激光和電子束堆焊適用范圍小且成本較高。劉西洋等人[17] 以自保護(hù)藥芯焊絲414N-O為研究對(duì)象，借助焊道表面成形系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)自保護(hù)藥芯焊絲激光-電弧復(fù)合熱源堆焊焊道的表面成形特征，激光的加入有效克服了自保護(hù)藥芯焊絲長(zhǎng)弧堆焊氣孔問(wèn)題，光絲前后位置和光絲間距對(duì)焊道表面成形特征起決定性影響。秦國(guó)梁等[18]通過(guò)試驗(yàn)研究了Nd：YAG激光+脈沖MAG復(fù)合熱源堆焊過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)復(fù)合熱源平板堆焊焊縫表面成形的影響，結(jié)果表明在電弧功率變化過(guò)程中，隨著激光功率的增大，其對(duì)平板堆焊焊縫表面成形的影響也逐漸增大;在焊接速度變化過(guò)程中，激光束能量的加入不僅改善堆焊焊縫表面成形還極大地提高了焊接速度;而在光絲間距和離焦量變化過(guò)程中，激光束對(duì)復(fù)合熱源平板堆焊焊縫表面成形的影響很小。

文中以低鎳含氮奧氏體不銹鋼自保護(hù)藥芯焊絲復(fù)合堆焊碳鋼為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究了激光-電弧復(fù)合熱源堆焊工藝參數(shù)（光絲間距、光絲位置、激光功率、堆焊電流、電弧電壓）對(duì)焊道熔深和深寬比的影響，分析了激光- 電弧復(fù)合熱源自保護(hù)堆焊工藝參數(shù)對(duì)焊道熔深和深寬比的影響規(guī)律，對(duì)提高堆焊層性能具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值，為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用額定功率為6 kW的Nd：YAG 固體激光器，可輸出波長(zhǎng)1.06 μm的連續(xù)波，焦距285 mm，焦點(diǎn)直徑0.85 mm。弧焊電源型號(hào)NB-500IGBT。試驗(yàn)采用尺寸為300 mm×150 mm×20 mm的Q235鋼板，焊絲為08Cr19MnNi3Cu2N，直徑1.6 mm。選定的基礎(chǔ)試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

通過(guò)改變光絲間距、光絲位置、激光功率、堆焊電流和電弧電壓等工藝參數(shù)，測(cè)量焊縫熔深和熔寬的變化并計(jì)算熔深比，以分析激光-電弧復(fù)合熱源參數(shù)對(duì)焊道熔深和熔寬比的影響。焊道橫截面示意如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光絲間距和光絲位置對(duì)熔深和深寬比的影響

當(dāng)激光功率PL=2.0 kW、堆焊電流I=220 A、堆焊電壓U=26 V、光斑直徑d=2 mm時(shí)，不同光絲位置下，激光-電弧復(fù)合熱源堆焊的熔深和深寬比隨光絲間距的變化曲線如圖2所示。光絲間距DLA為激光光斑中心到焊絲端頭與工件表面接觸點(diǎn)的距離。

由圖2可知，無(wú)論是激光前置還是激光后置，激光-電弧復(fù)合堆焊的熔深和深寬比都隨光絲間距DLA的增加先增大后減小。當(dāng)光絲間距DLA<0 mm 時(shí)，復(fù)合堆焊熔深和深寬比均小于MAG堆焊，隨著光絲間距的增加，復(fù)合堆焊深寬比接近電弧堆焊的;當(dāng)光絲間距DLA>0 mm 時(shí)，復(fù)合堆焊熔深和深寬比均大于MAG堆焊的，隨著光絲間距的增加，復(fù)合堆焊熔深和深寬比先增大后減少;當(dāng)光絲間距DLA=4 mm 時(shí)，熔深和深寬比達(dá)到最大值。

分析原因：光絲間距DLA<0 mm 時(shí)，激光主要作用在焊絲上，熔深和深寬比主要由堆焊電流決定;復(fù)合焊接時(shí)，MAG 焊的實(shí)際輸出電流顯著下降（如圖3 所示），使得復(fù)合堆焊的熔深和深寬比小于電弧堆焊。光絲間距DLA>0 mm 時(shí)，激光主要作用在母材上，當(dāng)DLA=4 mm 時(shí)，激光-電弧之間耦合作用最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的熔深和深寬比達(dá)到最大值，隨著光絲間距的繼續(xù)增加，耦合作用減弱，熔深和深寬比減小。綜上可知，通過(guò)改變光絲間距可以調(diào)節(jié)激光- 電弧復(fù)合熱源堆焊的熔深和深寬比。

此外，激光前置比激光后置更有利于降低復(fù)合堆焊的熔深和深寬比。光絲間距DLA>0 mm，激光后置時(shí)，電弧對(duì)工件表面起到了預(yù)熱作用，提升了激光能量利用率，熔深增大;激光前置時(shí)，激光對(duì)工件表面起到了預(yù)熱作用，有利于電弧擴(kuò)展熔寬。光絲間距DLA<0 mm，激光后置時(shí)，激光部分能量穿過(guò)焊絲作用到了母材表面;激光前置時(shí)，激光部分能量穿過(guò)焊絲作用到了熔敷金屬上，因此激光前置的熔深小于激光后置。

2.2 激光功率對(duì)熔深和深寬比的影響

堆焊電流I=220 A、堆焊電壓U=26 V、光斑直徑d=2 mm、激光前置，不同光絲間距下，激光-電弧復(fù)合熱源堆焊的熔深和深寬比隨激光功率的變化曲線如圖4所示。不同光絲間距下激光功率對(duì)復(fù)合堆焊熔深和深寬比影響規(guī)律不同。光絲間距DLA=0 mm，DLA=+2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊熔深和深寬比均隨激光功率的增加而增大，且高于電弧堆焊的，激光功率越大影響越顯著;光絲間距DLA=-2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊熔深和深寬比隨激光功率的增加而減小，且低于電弧堆焊的。

激光功率對(duì)實(shí)際輸出電流的影響如圖5所示。分析認(rèn)為，激光一方面對(duì)母材表面及焊絲起預(yù)熱作用，有利于電弧能量擴(kuò)展熔池;另一方面會(huì)提高焊絲熔化速度，降低MAG 實(shí)際輸出電流（見(jiàn)圖5），不利于電弧能量擴(kuò)展熔池。小功率激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)，熔深和深寬比由電弧主導(dǎo)。光絲間距DLA=0 mm，+2 mm時(shí)，激光對(duì)熔深和深寬比起到了增加的效果;光絲間距DLA=-2 mm 時(shí)，激光對(duì)熔深和深寬比起到了弱化的效果。

大功率激光- 電弧復(fù)合焊接時(shí)，熔深和深寬比由激光和電弧共同主導(dǎo)。光絲間距DLA=0 mm，+2 mm時(shí)，母材上出現(xiàn)匙孔效應(yīng)，熔深和深寬比隨著激光功率的增加顯著增大;光絲間距DLA=-2 mm 時(shí)，焊絲出現(xiàn)預(yù)熔化或氣化效應(yīng)，復(fù)合堆焊實(shí)際輸出電流明顯低于MAG 焊（見(jiàn)圖5），復(fù)合堆焊熔深和深寬比小于電弧堆焊。

2.3 堆焊電流對(duì)熔深和深寬比的影響

當(dāng)激光功率PL=2.0 kW、堆焊電壓U=26 V、光斑直徑d=2 mm、激光前置時(shí)，不同光絲間距下堆焊電流對(duì)激光-電弧復(fù)合熱源的熔深和深寬比的影響曲線如圖6所示。

由圖6a可知，隨著堆焊電流的增加，不同光絲間距對(duì)熔深影響規(guī)律不同。光絲間距DLA=2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊熔深隨堆焊電流的增大而增加，且明顯高于電弧堆焊;DLA=0 mm，DLA=-2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊熔深隨堆焊電流的增大先減少后增加，且小堆焊電流時(shí)其熔深大于電弧堆焊的，當(dāng)堆焊電流I=160 A時(shí)，熔深達(dá)到最小值。

當(dāng)光絲間距DLA=2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊熔深主要由激光主導(dǎo)，隨著堆焊電流的增加，熔池溫度上升，提高了激光能量的利用率，熔深增加。光絲間距DLA=0 mm，DLA=-2 mm，堆焊電流I<160 A時(shí)，激光與焊絲交點(diǎn)到母材表面之間的焊絲已全部熔化，且部分激光能量作用到母材表面，增加了熔深，故激光主導(dǎo)熔深;堆焊電流I>160 A時(shí)，激光透過(guò)焊絲的能量逐漸減少，激光主導(dǎo)作用隨之減弱，當(dāng)激光能量無(wú)法完全熔化焊絲時(shí)，堆焊電流便開(kāi)始主導(dǎo)熔深，熔深隨堆焊電流的增加而增大。

由圖6b可知，光絲間距DLA=+2 mm時(shí)，電弧堆焊和復(fù)合堆焊的深寬比隨著堆焊電流的增加而增大，在光絲間距DLA=-2 mm，DLA=0 mm時(shí)，復(fù)合堆焊的深寬比隨堆焊電流的增加先減少后增大，當(dāng)堆焊電流I=200 A時(shí)，深寬比達(dá)到最小值。小電流時(shí)激光主導(dǎo)熔深，堆焊電流的增加對(duì)熔深影響不大，對(duì)熔寬的擴(kuò)展顯著，深寬比減少;隨著堆焊電流的增大，熔深和熔寬轉(zhuǎn)變?yōu)橛啥押鸽娏髦鲗?dǎo)，隨著堆焊電流和深寬比的增加，與電弧堆焊電流對(duì)深寬比的影響相似。

2.4 電弧電壓對(duì)熔深和深寬比的影響

當(dāng)激光功率PL=2.0 kW、堆焊電流I=220 A、光斑直徑d=2 mm、激光前置時(shí)，不同的光絲間距下，激光-電弧復(fù)合熱源熔深和深寬比隨電弧電壓的變化曲線如圖7所示。

由圖7a、7b可知，在光絲間距DLA=0 mm，DLA=+2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊的熔深隨電弧電壓的增加而增大，深寬比隨電弧電壓的增加呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì);在光絲間距DLA=-2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊熔深和深寬比隨電弧電壓的變化與電弧堆焊相似，熔深隨電弧電壓增加而增大，深寬比隨電弧電壓增加而減小。在電弧堆焊和復(fù)合堆焊過(guò)程中，電弧電壓的增加一方面促使電弧長(zhǎng)度增大，進(jìn)而增加了實(shí)際光絲間距，熔深增大;另一方面增加了母材的熱輸入，同時(shí)擴(kuò)大了電弧的作用范圍，熔寬顯著增大，深寬比降低。

電弧電壓U>28 V，光絲間距DLA=0 mm，DLA=+2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊光絲間距增加到某一特定值，電弧和熔滴對(duì)激光的屏蔽作用減小，激光能量利用率提升，激光起主導(dǎo)作用，熔深和深寬比均增大。

3 結(jié)論

（1）采用激光前置可以獲得比激光后置更小的熔深和深寬比;光絲間距DLA>0 mm時(shí)，激光的加入增加了熔深和深寬比，光絲間距DLA<0 mm時(shí)，激光的加入減小了熔深和深寬比（小電流時(shí)除外）。

（2）光絲間距DLA=0 mm，DLA=+2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊熔深隨激光功率的增大而增加;光絲間距DLA=-2 mm時(shí)，影響規(guī)律則相反。

（3）當(dāng)光絲間距DLA=+2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊熔深和深寬比隨堆焊電流的增大而增加;光絲間距DLA=0 mm，DLA=-2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊的熔深和深寬比隨堆焊電流的增大先減少后增加，堆焊電流I=200 A時(shí)，深寬比達(dá)到最小值。

（4）當(dāng)絲間距DLA=0 mm，DLA=+2 mm時(shí)，復(fù)合堆焊的熔深隨電弧電壓的增加而增大，深寬比隨電弧電壓的增加呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì);光絲間距DLA=-2 mm，復(fù)合堆焊的熔深和深寬比隨電弧電壓的變化與電弧堆焊相似，熔深隨電弧電壓增加而增大，深寬比隨電弧電壓增加而減小。

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