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        激光—MAG電弧復(fù)合焊接工藝研究

        2013-07-05 05:27:52喻海洋
        關(guān)鍵詞:焊接工藝

        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。通過對比激光-MAG電弧復(fù)合焊接和MAG焊接工藝參數(shù)、對焊縫成型、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;對比試驗研究

        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或半自動MAG焊接。

        通過激光-MAG電弧復(fù)合焊和MAG焊接工藝對比試驗驗證及性能試驗,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

        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,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

        (1)焊縫熔深增大。熔化的熔池金屬可以提高對激光光源的吸收率,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,在電弧的作用下,復(fù)合熱源能減緩熔池的凝固時間,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形成匙孔,對電弧有吸引作用,從而提高了焊接的穩(wěn)定性。匙孔也會使電弧的根部壓縮,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,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)用價值。

        2.激光—MAG電弧復(fù)合焊接工藝可行性試驗

        2.1試驗材料及其化學(xué)成分和物理性能

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

        2.2 試件組裝間隙及鈍邊調(diào)整試驗驗證

        在坡口角度選定常用的60°時的激光-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,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,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,對應(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,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焊工藝對比

        板厚12mm的板材對接焊縫焊接工藝對比。

        對比板厚12mm的板材對接焊縫,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。

        (1)對接接頭力學(xué)性能對比結(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)對接接頭對比—沖擊掃描對比:兩種焊接工藝的焊接對接接頭—沖擊掃描對比結(jié)果如圖2所示。

        圖2 接頭沖擊掃描對比結(jié)果

        經(jīng)過低溫沖擊試驗后,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)對接接頭對比—接頭宏觀、微觀組織對比:兩種焊接工藝的焊接對接接頭—宏觀、微觀組織對比結(jié)果如圖3所示。

        圖3 宏觀、微觀組織對比結(jié)果

        宏觀組織對比: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,有利于接頭疲勞強度改善。

        微觀組織對比: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表明:激光-MAG電弧復(fù)合焊焊接板厚12mm的低合金鋼板對接焊縫時,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。

        (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。通過驗證結(jié)構(gòu)中典型的對接接頭的激光-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)】

        [1]左鐵釧.制造用激光光束質(zhì)量、傳輸能量與聚焦質(zhì)量,科學(xué)出版社,2008.

        [2]劉天佑.金屬學(xué)與熱處理,冶金工業(yè)出版社,2009.

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