激光-MAG電弧復(fù)合焊接單面焊雙面成型工藝

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（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.唐山開(kāi)元焊接自動(dòng)化技術(shù)研究所有限公司，河北唐山063000；3.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617）

0 前言

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

20世紀(jì)80年代初，英國(guó)學(xué)者W.M.Steen首先提出了激光與電弧復(fù)合焊接概念[1]，激光電弧復(fù)合熱源將電弧與激光復(fù)合在一起，同時(shí)作用于同一個(gè)工件，不僅很好地結(jié)合了二者優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自的不足，并且產(chǎn)生了“1+1＞2”的效果[2]。根據(jù)電弧種類(lèi)不同，激光電弧復(fù)合焊接主要分為：激光-TIG復(fù)合焊接、激光-MIG/MAG復(fù)合焊接、激光等離子弧復(fù)合焊接、激光雙電弧復(fù)合焊接。在此主要研究激光-MAG電弧復(fù)合焊接，此復(fù)合焊接可以焊接的板厚更大，適應(yīng)性更強(qiáng)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

實(shí)驗(yàn)采用的激光設(shè)備是美國(guó)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(tǒng)、激光器、水冷系統(tǒng)組成。焊機(jī)采用芬蘭KEMPPI公司生產(chǎn)的KMS500專(zhuān)用焊機(jī)，采用自行設(shè)計(jì)的復(fù)合焊接機(jī)構(gòu)進(jìn)行旁軸復(fù)合，通過(guò)數(shù)控三維平臺(tái)帶動(dòng)焊件實(shí)現(xiàn)焊接所需的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖1 激光復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental Platform of laser composite welding

實(shí)驗(yàn)采用4～10 mm的Q345B結(jié)構(gòu)鋼板進(jìn)行對(duì)接焊，焊絲為直徑1.2 mm的神鋼MG-51T焊絲。保護(hù)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(yàn)前用丙酮或者酒精去除試件表面油污，用角磨機(jī)和鋼絲刷去除試件表面氧化膜。焊接完成后，避開(kāi)焊接起始和結(jié)束處的不穩(wěn)定階段，選取焊縫長(zhǎng)度1/3處進(jìn)行取樣，觀察焊縫橫截面宏觀形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 不同厚度、不同焊接參數(shù)下鋼板對(duì)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(yàn)。

通過(guò)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(shù)，分別對(duì)4 mm的Q345B鋼板進(jìn)行單面焊接，在2號(hào)試件中加入1.5 mm間隙和1.5 mm錯(cuò)邊，各組試件的工藝參數(shù)見(jiàn)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(fù)合焊接時(shí)對(duì)參數(shù)的改變不敏感，一定參數(shù)范圍內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，且成型效果良好，在1.5mm間隙和1.5 mm錯(cuò)邊量下仍可以實(shí)現(xiàn)很好的單面焊雙面成型。

表1 4 mm鋼板對(duì)接的焊接參數(shù)Table 1 Welding parameters of butt joint of 4 mm steel plate

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

圖3 2號(hào)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(yàn)。

通過(guò)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(shù)，分別進(jìn)行5 mm和6 mm的Q345B鋼板單面焊接，3號(hào)試件是5 mm鋼板；4號(hào)試件是6 mm鋼板，在4號(hào)試件中加入2 mm間隙和1.5 mm錯(cuò)邊。各組試件的焊接工藝參數(shù)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(duì)接的焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters of butt joint of 5 mm and 6 mm steel plate

圖4 3號(hào)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(fù)合焊接時(shí)對(duì)焊接參數(shù)的改變也不太敏感，表2中的參數(shù)均可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，成型效果良好。在2 mm間隙和1.5 mm錯(cuò)邊情況下，6 mm的鋼板對(duì)接也實(shí)現(xiàn)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(yàn)。

此組實(shí)驗(yàn)材料為10 mm的Q345B鋼板，開(kāi)50°V型坡口，1～3 mm鈍邊，試件5有0～2 mm的漸變間隙。通過(guò)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(shù)進(jìn)行焊接，觀察鋼板的成型效果。各組試件的焊接工藝參數(shù)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(duì)接的焊接參數(shù)Table 3 Welding parameters of butt joint of 10 mm steel plate

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

結(jié)果表明，10 mm的Q345B鋼板在1 mm鈍邊和3 mm鈍邊的情況下復(fù)合焊接成型效果均良好。2 mm間隙的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同參數(shù)同樣能完成單面焊雙面成型且效果較好，說(shuō)明激光電弧復(fù)合焊能夠允許一定的間隙量。

2.2 焊縫宏觀形貌

（1）無(wú)間隙無(wú)錯(cuò)邊的各試件焊縫形貌。

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

無(wú)間隙和錯(cuò)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(gè)試件均能焊透，成型效果良好，內(nèi)部無(wú)明顯缺陷。激光功率對(duì)焊縫熔深影響較大，激光功率越高，熔深越大；電流大小對(duì)熔寬影響較大，電流越大，熔寬越大。

（2）有間隙和錯(cuò)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(shí)際焊接生產(chǎn)過(guò)程中，焊接坡口加工和焊件裝配精度有時(shí)會(huì)產(chǎn)生間隙或錯(cuò)邊等情況，針對(duì)這種情況開(kāi)展激光-MAG復(fù)合焊接對(duì)錯(cuò)邊和間隙的適應(yīng)性研究具有重大實(shí)際意義。在一定間隙和錯(cuò)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(cuò)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(cuò)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(cuò)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(cuò)邊的試件中，當(dāng)錯(cuò)邊達(dá)到1.5 mm時(shí)仍可獲得良好的焊縫形貌，錯(cuò)邊處的焊縫和母材金屬過(guò)渡圓滑，未出現(xiàn)焊漏和塌陷等缺陷，該復(fù)合焊接工藝對(duì)間隙和錯(cuò)邊有良好的適應(yīng)性。

3 結(jié)論

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

（2）在合適參數(shù)下，激光-MAG電弧復(fù)合焊能夠輕松實(shí)現(xiàn)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(cuò)邊情況下，激光-MAG電弧復(fù)合焊依然可以完成單面焊雙面成型，并且成型質(zhì)量良好，說(shuō)明激光-MAG電弧復(fù)合焊對(duì)間隙和錯(cuò)邊具有良好的容忍度。

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