王續(xù)躍,孟慶軒,徐文驥,王連吉,梁延德

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連 116024)

多邊形異形管作為管材產(chǎn)品的一種,具有截面形狀復(fù)雜、壁薄質(zhì)輕、金屬利用率高的特點(diǎn),更能適應(yīng)使用條件的特殊性,節(jié)約金屬和提高零部件制造的勞動(dòng)生產(chǎn)率,且在受平面彎曲的條件下,多邊形異形管的抗彎強(qiáng)度要比圓管大。因此,多邊形異形管被廣泛應(yīng)用在航空、汽車(chē)等方面,如飛機(jī)上的控速桿、無(wú)軌電車(chē)集電桿等。角接是多邊形異形管連接的主要形式,多分布在較小的封閉截面內(nèi),采用傳統(tǒng)的焊接方法不僅施焊條件差,操作困難,無(wú)法進(jìn)行雙面焊,且焊接時(shí)對(duì)焊絲要求較細(xì),若焊絲沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)焊縫處,也不能保證熔透深度,嚴(yán)重偏離中心時(shí),造成虛焊缺陷,影響焊縫質(zhì)量[1]。激光焊接具有焊縫和熱影響區(qū)窄、焊接邊接近平行、熔深大以及變形小,焊縫強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)基材強(qiáng)度,無(wú)需填絲的優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)包括復(fù)層材料在內(nèi)的單面焊接雙面成形。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞板材激光焊接的熔透模式、工藝及焊接質(zhì)量開(kāi)展了多種研究[2-5]。方俊飛[2]將焊接過(guò)程中匙孔和熔池的光輻射特征與焊縫的橫截面特征聯(lián)系起來(lái),根據(jù)匙孔是否穿透工件的背面,將激光深熔焊分為匙孔穿透型和匙孔未穿透型兩種熔透模式。吳東江等[3]用Nd:YAG脈沖激光作為焊接熱源,對(duì)殷鋼材料Invar36分別進(jìn)行了平板單道焊接試驗(yàn)和對(duì)焊試驗(yàn),分析了工藝參數(shù)(激光功率、焊接速度、脈沖寬度和離焦量)變化對(duì)焊縫的表面形貌、熔寬以及熔透性的影響。

角焊縫在進(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí),不能像對(duì)接焊縫那樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,一般嚴(yán)格按照制定的焊接工藝進(jìn)行操作,同時(shí)加強(qiáng)角焊縫的外觀檢查。研究發(fā)現(xiàn),角焊縫的幾何形貌對(duì)焊縫強(qiáng)度和疲勞壽命有很重要的影響[6-10]。M.M.A lam等[6]借助有限元應(yīng)力分析,研究了激光復(fù)合熱源角焊縫的幾何學(xué)和表面形貌對(duì)疲勞裂紋的影響,認(rèn)為焊縫表面變化不規(guī)則的條紋將導(dǎo)致疲勞開(kāi)裂。V.Caccese等[7]研究了焊縫輪廓對(duì)疲勞壽命的影響,并提出一種改進(jìn)的焊縫輪廓,提高疲勞壽命的同時(shí),獲得了更高的焊接速度。C.H.Lee等[8]發(fā)現(xiàn)增大焊縫厚度和焊趾半徑,可有效提高焊縫的疲勞壽命。角焊縫的外觀幾何形狀對(duì)焊縫根部和焊趾處的應(yīng)力集中影響較大,檢查中發(fā)現(xiàn)外觀常常出現(xiàn)凸凹不平、有粗波紋、過(guò)渡不平滑等缺陷。

目前對(duì)角焊縫的研究大多針對(duì)T型接頭,一般角度的角接頭焊接研究較少。異形管焊接要求板材端部以60°～120°角接,未見(jiàn)到采用激光熱源無(wú)填充焊接此類(lèi)角接頭的報(bào)道。本文提出采用角接頭部分搭接,焊縫完全熔透模式,焊件背面輔以支撐,先點(diǎn)焊、后縫焊的方法對(duì)角接頭進(jìn)行激光無(wú)填充焊接,并從焊縫幾何形貌評(píng)定對(duì)焊縫進(jìn)行分析。

1 角接頭激光無(wú)填充焊接方法

根據(jù)異形管板材端部對(duì)接的要求及實(shí)際操作中對(duì)接情況的不同,異形管角接頭主要有3種形式(圖1)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)填充焊接,需計(jì)算接頭的填充量。以角對(duì)角形式的角接頭為例,填充量是液態(tài)金屬進(jìn)入焊縫所冷凝而成,忽略液態(tài)金屬和固態(tài)金屬體積的變化,則需要同體積金屬填充角接形成的“V”形空間,截面如圖2所示。此時(shí)S0=S1+S2,但焊縫深度較小且隨角接頭角度增大而減小,激光焊接時(shí)易下塌、燒穿;當(dāng)接頭處承受彎曲力時(shí),焊縫根部會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,造成焊縫斷裂。為此,考慮激光能量集中、熔深大的特點(diǎn),使角接頭部分搭接(圖1b),高能激光束使搭接部分迅速熔化填充焊縫,形成一定穿透深度,在實(shí)現(xiàn)無(wú)填充焊接的同時(shí)還可增加焊縫深度,提高強(qiáng)度,且外形連接好。圖1c為角接頭完全搭接,最易裝配,有較高強(qiáng)度,但接頭處不易焊透,無(wú)法實(shí)現(xiàn)單面焊接雙面成形工藝,且焊接后有明顯棱角。試驗(yàn)采用接頭部分搭接的角接頭。

圖1 角接頭形式

圖2 等面積無(wú)填充焊接

圖3 角接頭激光焊接原理圖

采用上述部分搭接的角接頭,當(dāng)激光作用在角接頭上時(shí),熔池內(nèi)部材料在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生激光等離子體。等離子體膨脹克服液態(tài)金屬的表面張力,并把熔融金屬吹向四周,從而在液態(tài)熔池中產(chǎn)生一個(gè)小孔,稱(chēng)為匙孔[11](圖3)。通過(guò)匙孔內(nèi)壁的多重反射,可吸收幾乎全部的激光能量,能量在匙孔內(nèi)壁以熱傳導(dǎo)的方式通過(guò)熔融材料傳到固體中去[12]。在掃描過(guò)程中,匙孔前面的材料首先熔化包圍匙孔,匙孔后面材料凝固形成焊縫。通過(guò)控制激光能量輸入?yún)?shù),如功率、掃描速度、離焦量等,可得到熔透情況不同的焊縫(圖4)。圖4a為能量輸入過(guò)大,焊縫過(guò)熔透,出現(xiàn)氣孔、下塌等缺陷,連接強(qiáng)度也隨著降低;圖4b為能量輸入適中,焊縫完全熔透且無(wú)下塌缺陷,焊縫質(zhì)量較好;圖4c為熔深不夠,不能產(chǎn)生完全熔透焊縫,不能實(shí)現(xiàn)單面焊接的工藝。焊接時(shí)調(diào)整工藝參數(shù),以得到圖4b所示的完全熔透又沒(méi)有下塌現(xiàn)象的焊縫。

圖4 激光焊接熔透模式

采取一定工藝措施,使多個(gè)板材角接形成截面封閉的多邊形,依次焊接角接頭,在激光作用下由板材和激光之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成焊縫,從而可得到封閉的多邊形異形管。

2 角接頭焊接試驗(yàn)條件

根據(jù)前面所述角接頭激光無(wú)填充焊接方法,對(duì)0.7 mm厚奧氏體不銹鋼板進(jìn)行焊接試驗(yàn)。如圖5所示,焊接設(shè)備采用JK 701H型Nd:YAG毫秒脈沖激光加工中心,功率0～550W 連續(xù)可調(diào),重復(fù)頻率0.2～500 Hz。數(shù)控系統(tǒng)為FANUC 4軸聯(lián)動(dòng),定位精度＜0.02mm,重復(fù)定位精度±0.003mm。輔助氣體采用側(cè)吹N2,壓力0.1 M Pa,其主要作用是保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染,同時(shí)增大焊縫表面的對(duì)流,加快冷卻速度。為減少焊接缺陷,試驗(yàn)前先用砂紙打磨角接頭端面,再用丙酮清洗。不同角度的角接頭焊接情況不同,所采用的工藝參數(shù)范圍見(jiàn)表1。

表1 激光焊接工藝參數(shù)

圖5 JK701H型Nd:YAG脈沖激光加工中心

為得到多邊形異形管,采用了如圖6所示的輔助支撐。圖中支撐的角度與角接頭角度一致。施焊時(shí),把鋁箔膠帶兩側(cè)的防粘、防固化紙撕去,分別粘在支撐和角接頭板件上,使兩個(gè)板材固定并形成一定角度。多個(gè)板件相連形成截面封閉的多邊形,同時(shí)在多邊形外面套兩個(gè)橡皮圈防止松動(dòng)。焊接時(shí),首先對(duì)每個(gè)棱邊在長(zhǎng)度進(jìn)行點(diǎn)焊,使板件連接起來(lái)形成多邊形管件,然后去掉支撐及橡皮圈,對(duì)每個(gè)棱邊施以縫焊,最終形成具有良好焊縫的多邊形異形管。

圖6 多邊形異形管焊接輔助支撐

3 角接頭焊接試驗(yàn)結(jié)果

角度為90°的角接頭為典型的 T型接頭,利用傳統(tǒng)雙面焊接方法即可實(shí)現(xiàn),故選擇角度分別為60°、108°、120°角接頭進(jìn)行焊接 。在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),通過(guò)大量試驗(yàn)得到部分搭接、完全熔透的焊縫。在激光器CCD監(jiān)視系統(tǒng)下觀察得到角焊縫輪廓和表面形貌,在焊縫長(zhǎng)度方向上選取間距相同的4個(gè)點(diǎn),分別測(cè)出寬度和厚度,取平均值得焊縫寬度和焊縫厚度,如表2所示(圖中十字形為CCD對(duì)準(zhǔn)十字)。

4 角焊縫幾何形貌評(píng)定與分析

角焊縫在進(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí),不能像對(duì)接焊縫那樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。本文從幾何形貌角度對(duì)焊接工藝進(jìn)行評(píng)定。角焊縫幾何形貌可從焊縫輪廓和焊縫表面情況兩個(gè)方面考慮[13]。研究表明焊縫輪廓類(lèi)似等腰三角形時(shí),有助于疲勞壽命提高[14-15]。對(duì)于90°的角接頭(T型接頭),美國(guó)焊接學(xué)會(huì)給出了兩種可接受的焊縫輪廓標(biāo)準(zhǔn),如圖7所示。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合角接頭不同角度和多邊形異形管外觀連接的實(shí)際情況,可接受的角焊縫輪廓如圖8所示,其中a為板件厚度,θ為夾角,h為熔深,w為縫寬。連接該輪廓端點(diǎn),得到近似的倒置等腰三角形。熔深越大,焊接強(qiáng)度越好。對(duì)于端部角接的焊縫,熔深始終比板材厚度小,因此焊縫輪廓需保證上部較平或略凸,以增大有效厚度。焊縫表面情況包括焊縫寬度和表面規(guī)則程度。日本的ShigenobuKainuma等[14]發(fā)現(xiàn),當(dāng)焊縫寬度與板件厚度的比值w/a大于0.5時(shí),疲勞強(qiáng)度保持不變;w/a小于0.5時(shí),疲勞強(qiáng)度隨著焊縫的減小而增加。考慮焊接厚度較大對(duì)焊接強(qiáng)度有利,熔深增加導(dǎo)致寬度增大,故寬度以大于0.5倍的板件厚度為宜。同時(shí),為避免焊縫表面出現(xiàn)粗波紋、過(guò)渡不平滑等對(duì)疲勞壽命有影響的缺陷,要求焊趾和表面波紋規(guī)則分布。對(duì)于多邊形異形管焊接強(qiáng)度評(píng)定,由于焊縫形式無(wú)法進(jìn)行一維拉伸試驗(yàn),參照平接對(duì)焊形式,強(qiáng)度達(dá)到基體材料拉伸強(qiáng)度。同時(shí),焊接質(zhì)量以幾何形貌評(píng)價(jià)為主。

表2 激光角焊縫幾何形貌

圖7 T型接頭焊縫輪廓標(biāo)準(zhǔn)

圖8 任意角度角焊縫輪廓

由表2所示的焊接結(jié)果發(fā)現(xiàn),在接頭部分搭接、焊縫完全熔透的模式下,隨著角接頭角度由60°增至120°,焊縫輪廓類(lèi)似等腰三角形,且上部保持了較平整的焊縫。這是由于板件端部為直角,在90°角接時(shí)板件的搭接部分可以與另一個(gè)板件的底面充分接觸,需要填充的空間較小,焊縫填充完畢后仍有少量液態(tài)金屬,形成凸起。大于或小于90°時(shí)搭接部分不充分接觸,熔化金屬流動(dòng)需填充由于接觸不充分而形成的空間,故輪廓較平。按前述焊縫輪廓評(píng)定,所得角焊縫輪廓上部均較平整,符合要求。試驗(yàn)得到的角焊縫表面有條紋,但條紋分布規(guī)則,過(guò)渡良好,無(wú)粗波紋出現(xiàn),焊趾在長(zhǎng)度方向呈直線(xiàn)型。焊縫寬度均大于板厚,由1.16 mm增至1.40 mm,焊縫厚度由0.44 mm增至0.58 mm。這是由于角接頭角度增大,焊縫的有效厚度減小,按焊接填充原理和強(qiáng)度考慮,需增大兩個(gè)板材的搭接部分以增大焊縫有效厚度,因此完全焊透所需要的激光輸入能量提高,從而導(dǎo)致焊縫寬度和穿透厚度增大。

根據(jù)上述得到的符合評(píng)定要求的焊縫,對(duì)不銹鋼板進(jìn)行焊接,分別得到三邊形、五邊形和六邊形的異形管(圖9)。

5 結(jié)論

在角接頭激光無(wú)填充焊接成形分析和焊接形貌評(píng)定的基礎(chǔ)上,對(duì) 60°、108°、120°角接頭進(jìn)行無(wú)填充焊接試驗(yàn)研究,得到如下結(jié)論:

圖9 試驗(yàn)所得多邊形異形管

(1)采用激光作為焊接熱源,接頭部分搭接,控制能量輸入得到最佳的熔透模式,并通過(guò)輔助支撐可實(shí)現(xiàn)無(wú)填充焊接角接頭,得到熔透性和幾何形貌均勻一致的焊縫。

(2)焊縫寬度隨接頭角度的增大而由1.16 mm增至1.40 mm,焊縫厚度由 0.44 mm增至0.58 mm,焊縫輪廓保持著較平整的狀態(tài),表面條紋分布規(guī)則,符合角焊縫幾何形貌評(píng)定要求。試驗(yàn)得到外形連接較好的多邊形異形管。

(3)角接頭激光無(wú)填充焊接,為角接頭異形管激光焊接成形提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

[1] 楊軍,元海兵.角接接頭焊縫的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度影響因素[J].焊接技術(shù),2009,38(4):59-61.

[2] 方俊飛.薄板激光深熔焊接熔透模式的機(jī)理研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[3] 吳東江,尹波,周秋菊,等.用Nd:YAG激光焊接殷鋼薄板材料[J].光學(xué)精密工程,2009,17(3):557-562.

[4] Numan A D,Sam i Y B.Quality assessment and metallurgical exam ination of laser w elded sheets[J].Advanced Materials Research,2010,83-86:611-615.

[5] 陳金濤,宮照坤,曲牡,等.振動(dòng)焊接對(duì)焊縫力學(xué)性能影響[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,49(1):35-37.

[6] A lam M M,Barsoum Z,Jonsén P,et al.The influence of su rface geometry and topography on the fatigue cracking behaviour of laser hybrid welded eccentric fillet join ts[J].Applied Surface Science,2010,256(6):51936-1945.

[7] Caccese V,Blomquist P A,Berube K A,et al.Effect of w eld geometric profile on fatigue life of cruciform w elds made by laser/GMAW p rocesses[J].Marine.Structu res,2006,19(1):1-22.

[8] LeeC H,Chang K H,Jang G C,et al.Effect ofweld geometry on the fatigue life of non-load carrying fillet w elded cruciform joints[J].Engineering Failu re Analysis,2009,16(3):849-855.

[9] Nguyen T N,Wahab M A.A theoreticalstudy of theeffectof weld geometry parameters on fatigue crack propagation life[J].Engineering Fracture Mechanics,1995,51(1):1-18.

[10] Lee J I,Rhee S.Prediction of process parameters forgasmetalarc w elding by multiple regression analysis[C].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,2000,214(6):443-449.

[11] Lee JY,Ko SH.Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2002,35(13):1570-1576.

[12] K rasnoperov M Y,Pieters R RG M.Laserw elding of thin steel sheet:energy transfer efficiency[C].Proceeding of the 1st Pacific International Conference on Application of Lasers and Optics,2004:33-38.

[13] Chang C L,Chen Y H.Measurementsof fillet weld by 3D laser scanning system[J].The International JournalofAdvanced Manufactu ring Technology,2005,25(5-6):466-470.

[14] Yan Jialing,You Min,Zheng Xiaoling,et al.The effect of fillet geometry on stress in weld-bonded joints[J].Advanced Materials Research,2010,97-101:767-770.

[15] Kainuma S,Mori T.A fatigue strength evaluation method for load-carrying fillet w elded cruciform joints[J].International Journal of Fatigue,2006,28:984-872.