激光—MAG電弧復(fù)合焊接工藝研究

喻海洋

【摘 要】本文結(jié)合軌道車輛承載部件的結(jié)構(gòu)中的典型接頭型式，研究激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝應(yīng)用于軌道車輛承載部件的可行性。通過對(duì)比激光-MAG電弧復(fù)合焊接和MAG焊接工藝參數(shù)、對(duì)焊縫成型、焊接接頭質(zhì)量和焊接接頭機(jī)械性能，為激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝在軌道車輛承載部件應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】激光-MAG電弧復(fù)合焊；焊接工藝；對(duì)比試驗(yàn)研究

0.引言

隨著激光焊接工藝應(yīng)用范圍推廣，激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝成為一種新興的焊接工藝備受青睞，應(yīng)用日益廣泛，如造船業(yè)、管道運(yùn)輸和車輛制造等領(lǐng)域。

軌道車輛的承載部件主要包括走形部轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和車體鋼結(jié)構(gòu)的牽枕緩，主要采用中厚低合金鋼板（板厚為8～16mm）通過冷加工壓型（或滾壓成型）的零件，相互拼焊組裝而成。通常焊接工藝為自動(dòng)或半自動(dòng)MAG焊接。

通過激光-MAG電弧復(fù)合焊和MAG焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證及性能試驗(yàn)，為激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝在軌道車輛承載部件應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究基礎(chǔ)。

1.激光—MAG電弧復(fù)合焊原理及特點(diǎn)

1.1激光-MAG電弧復(fù)合焊接原理

激光-MAG電弧復(fù)合焊接是將激光焊接和電弧焊接有機(jī)結(jié)合起來的一種高效優(yōu)質(zhì)焊接新工藝。它將激光和電弧這兩種熱源物質(zhì)的物理性能、能量傳輸機(jī)制截然不同的復(fù)合在一起，共同作用于被焊接件的表面，通過兩種熱源物質(zhì)的相互作用及復(fù)合熱源與工件的作用完成焊接過程。

采用激光+電弧的復(fù)合方式可以充分發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢(shì)，在同等條件下，激光-MAG電弧復(fù)合焊接比單一的激光焊或電弧焊具有更強(qiáng)的焊接工藝適應(yīng)性和更好的焊縫成型質(zhì)量。

1.2激光-MAG電弧復(fù)合焊接的特點(diǎn)

（1）焊縫熔深增大。熔化的熔池金屬可以提高對(duì)激光光源的吸收率，而激光束在熔池中產(chǎn)生小孔，保證在高速焊接條件下獲得理想的焊縫熔深，并保證焊接過程中的穩(wěn)定和獲得規(guī)則焊縫成型。

（2）焊縫質(zhì)量改善，焊接缺陷減少。激光束可以使焊縫加熱變短，不易產(chǎn)生晶粒過大而且熱影響區(qū)減小，改善焊縫組織性能。同時(shí)，在電弧的作用下，復(fù)合熱源能減緩熔池的凝固時(shí)間，有利于氣體和雜質(zhì)的溢出，有效減少焊縫中氣孔、裂紋、咬邊等缺陷。

（3）焊接過程穩(wěn)定。由于激光作用在熔池中會(huì)形成匙孔，對(duì)電弧有吸引作用，從而提高了焊接的穩(wěn)定性。匙孔也會(huì)使電弧的根部壓縮，從而增大電弧能量的利用率。

（4）生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)成本降低。激光和電弧的相互作用增大焊接速度，電弧的作用使得較小功率的激光器就能達(dá)到很好的焊接效果，與純激光焊接工藝相比可降低焊接設(shè)備成本。

激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝能夠形成大深寬比、高質(zhì)量焊接接頭，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的諸多優(yōu)勢(shì)，作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的焊接技術(shù)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

2.激光—MAG電弧復(fù)合焊接工藝可行性試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料及其化學(xué)成分和物理性能

試驗(yàn)焊件選用常用低合金鋼材Q345C（板厚12mm），試驗(yàn)填充焊絲選用ф1.2實(shí)心焊絲（牌號(hào) CHW-55CNH）。

2.2 試件組裝間隙及鈍邊調(diào)整試驗(yàn)驗(yàn)證

在坡口角度選定常用的60°時(shí)的激光-MAG電弧復(fù)合焊縫成型及外觀如圖1所示，其中鈍邊尺寸分別取為4mm和2mm，組焊間隙分別選取0和1mm。

圖1 焊縫成型及外觀

當(dāng)鈍邊尺寸為2mm時(shí)，無論組裝間隙為0還是1mm，焊縫根部完全熔透，焊縫表面成型良好，無缺陷。但是外層焊縫需要兩道才能完全熔合。

當(dāng)鈍邊尺寸為4mm時(shí)，無論組裝間隙為0還是1mm，焊縫根部完全熔透，焊縫表面成型良好，無缺陷，外層焊縫一道完全熔合。比較組裝間隙，由于當(dāng)離焦量為+2～+4mm時(shí)，對(duì)應(yīng)作用在焊件表面的激光斑束直徑一般為1.0～1.5mm，因此底層焊道的組裝間隙不應(yīng)大于1mm。同時(shí)，底層焊道均呈凹形，有利于后續(xù)焊道的填充。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)選用坡口角度60°、鈍邊尺寸4mm、組裝間隙0為宜，最大不能大于1mm。

3.激光—MAG電弧復(fù)合焊與MAG焊工藝對(duì)比

板厚12mm的板材對(duì)接焊縫焊接工藝對(duì)比。

對(duì)比板厚12mm的板材對(duì)接焊縫，坡口角度60°、鈍邊尺寸4mm、組裝間隙0試件，激光-MAG電弧復(fù)合焊比MAG焊接線能量減少50%以上，焊縫填充金屬的質(zhì)量減少60%左右。表明激光-MAG電弧復(fù)合焊具有焊接線能量低，焊接速度快和節(jié)約焊接熔敷金屬等焊接特點(diǎn)。

（1）對(duì)接接頭力學(xué)性能對(duì)比結(jié)果表明：焊接接頭及熱影響區(qū)的維氏硬度方面，激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝高于MAG焊接工藝試件；拉伸、彎曲性能兩者相當(dāng)，但沖擊韌性方面，激光-MAG電弧復(fù)合焊接接頭優(yōu)于常規(guī)MAG焊接接頭。

兩種焊接工藝的焊接接頭區(qū)域的焊縫和熱影響區(qū)的維氏硬度都低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的退貨狀態(tài)下最高硬度值320 HV10，符合要求。

（2）對(duì)接接頭對(duì)比—沖擊掃描對(duì)比：兩種焊接工藝的焊接對(duì)接接頭—沖擊掃描對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 接頭沖擊掃描對(duì)比結(jié)果

經(jīng)過低溫沖擊試驗(yàn)后，激光-MAG電弧復(fù)合焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊斷口起裂區(qū)均呈現(xiàn)韌窩狀微觀斷裂特征，屬于典型的韌窩斷裂性質(zhì)。而MAG電弧焊接接頭的焊縫區(qū)的沖擊斷口呈準(zhǔn)解理+少量韌窩狀的混合斷裂特性；其熱影響區(qū)的沖擊斷口起裂區(qū)韌窩狀，為韌性斷裂特征。

（3）對(duì)接接頭對(duì)比—接頭宏觀、微觀組織對(duì)比：兩種焊接工藝的焊接對(duì)接接頭—宏觀、微觀組織對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 宏觀、微觀組織對(duì)比結(jié)果

宏觀組織對(duì)比：MAG焊接接頭中，焊縫根部完全熔合，焊道之間及焊道與母材之間完全熔合，沒有氣孔等缺陷。激光-MAG電弧復(fù)合焊接接頭中，焊縫根部完全熔合，焊道之間及焊道與母材之間完全熔合，沒有氣孔等缺陷，焊縫具有較大的深寬比。表面焊縫的成型主要依靠電弧焊，而底層焊縫主要借助于激光束的匙孔效應(yīng)，保證了完全熔透和完好的背面成型。

兩種焊接接頭宏觀組織對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，激光-MAG電弧復(fù)合焊接接頭中，焊縫與母材之間的焊趾部位圓滑過渡，可以明顯降低焊縫應(yīng)力集中程度，有利于接頭疲勞強(qiáng)度改善。

微觀組織對(duì)比：兩者的焊接接頭特征區(qū)劃分相同，焊接熱影響區(qū)分為熔合區(qū)、粗晶區(qū)（過熱區(qū)）、相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）和不完全重結(jié)晶區(qū)（不完全正火區(qū)），焊縫及熱影響區(qū)各微觀區(qū)的組織結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，只是由于激光-MAG電弧復(fù)合焊的線能量較小，接頭區(qū)域冷卻速度較快，使得接頭區(qū)域的晶粒度在一定程度上細(xì)化，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)寬度減小，從而改善焊接接頭的力學(xué)性能。

4.結(jié)論

（1）通過焊接工藝可行性試驗(yàn)表明：激光-MAG電弧復(fù)合焊焊接板厚12mm的低合金鋼板對(duì)接焊縫時(shí)，采用坡口角度60°、鈍邊尺寸4mm、組裝間隙0～1mm，焊接質(zhì)量高，焊縫成型好。

（2）通過激光-MAG電弧復(fù)合焊接與MAG焊接工藝對(duì)比表明，激光-MAG電弧復(fù)合焊接線能量減少50%以上，焊縫填充金屬的質(zhì)量減少60%左右。體現(xiàn)激光-MAG電弧復(fù)合焊具有焊接線能量低，焊接速度快和節(jié)省焊接材料的工藝特點(diǎn)。

（3）通過激光-MAG電弧復(fù)合焊接與MAG焊接焊縫的宏觀組織對(duì)比表明，激光-MAG電弧復(fù)合焊接接頭中，焊縫與母材之間的焊趾部位圓滑過渡，可以明顯降低焊縫應(yīng)力集中程度，有利于接頭疲勞強(qiáng)度改善。

（4）通過激光-MAG電弧復(fù)合焊接與MAG焊接焊縫的微觀組織對(duì)比表明，激光-MAG電弧復(fù)合焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)各微區(qū)的顯微組織沒有發(fā)生變化，只是由于復(fù)合焊接的線能量較小，接頭各區(qū)域冷卻速度較快，使得接頭區(qū)域的晶粒度在一定程度上細(xì)化，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)寬度減小，從而改善焊接接頭的力學(xué)性能。

（5）軌道車輛主要承載結(jié)構(gòu)焊接量大，焊接質(zhì)量要求高。通過驗(yàn)證結(jié)構(gòu)中典型的對(duì)接接頭的激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝，能有效提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境，提高焊接質(zhì)量。

【參考文獻(xiàn)】

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