（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

0 前言

激光焊接功率密度高、焊接速度快、線能量輸入小、減小或避免了焊接變形、熱影響區(qū)較窄，工業(yè)價值巨大。然而國內(nèi)激光焊接技術(shù)發(fā)展較緩慢，且多用于薄板焊接，這是因?yàn)楹附雍癜宓募す馄鞴β室筝^高，設(shè)備投入成本太高，且工業(yè)制造技術(shù)的短板使得激光器功率的提升有限。

工程化激光焊接的技術(shù)原理多為穿孔型焊接，國內(nèi)工程化激光器最大功率為l0 kW，一次性穿孔型焊可透板厚有限。因此，本研究擬采用小功率激光焊接技術(shù)，厚板材料加工窄間隙坡口，配合填充焊絲填滿坡口間隙，來逐層完成船舶鋼厚板的激光焊接。一方面，工程應(yīng)用設(shè)備投入遵循最小成本及最大效益原則，小功率激光器焊接厚板大大降低生產(chǎn)成本，且可焊板厚不會受激光器功率上限的限制；另一方面，填充焊絲在一定程度上優(yōu)化了焊縫金屬的合金成分，且大大降低工件裝配精度，弱化激光焊裝配要求。同時，間隙坡口較窄，焊絲的撓度及擺動均受到母材側(cè)壁金屬部分限制，焊接難度大大提高[1-4]。

窄間隙激光填絲焊接利用中小功率的激光器來實(shí)現(xiàn)中厚板的有效焊接[5]，不僅可以通過添加填充金屬來改變焊縫金屬的成分與組織，提高焊接接頭的綜合性能，同時改善了激光自熔焊對坡口間隙的適應(yīng)性和容錯性，并且焊縫熱影響區(qū)較窄，焊后接頭的應(yīng)力較小，具有很大的工程應(yīng)用價值[6]。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為Q345E低合金鋼，工件示意如圖1所示。保護(hù)氣體為氬氣，流量10L/min，光絲間距1mm。

圖1 工件示意

焊縫如圖2所示。黑色區(qū)域使用激光焊將鈍邊連接起來，參數(shù)為：功率1.8kW，焊接速度0.6m/min，離焦量0 mm?；疑珔^(qū)域則采用激光填絲焊并提取熔深、熔寬數(shù)據(jù)。

圖2 焊縫

超窄間隙激光填絲焊試驗(yàn)平臺由IPG光纖激光發(fā)生器、ABB機(jī)器人、Fronius熔化極氣保護(hù)焊焊機(jī)（送絲功能）、激光焊接槍體、窄間隙送絲送氣系統(tǒng)及焊接工裝構(gòu)成。試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1所示。焊接完成后，觀察接頭宏觀金相，記錄焊縫處熔寬和熔深，如圖3～圖5所示。

圖3 Q345E鋼窄間隙激光填絲焊焊縫正面形貌

根據(jù)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，以形成正交試驗(yàn)，其結(jié)果如表2所示，結(jié)合表1中部分?jǐn)?shù)據(jù)，分析焊接速度對焊縫成形的影響。

表1 不同送絲速度下的焊接參數(shù)

圖4 Q345E鋼窄間隙激光填絲焊焊縫背面形貌

圖5 Q345E鋼窄間隙激光填絲焊焊縫宏觀金相

表2 不同焊接速度下的焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 送絲速度對焊縫成形的影響

結(jié)合表1和圖6可知，隨著送絲速度的增加，熔深增加而熔寬呈減小趨勢。原因是送絲速度增加使得單位時間可熔化的焊絲量增加，熔化焊絲所需的激光能量也增加，母材能吸收的激光能量降低，使熔寬降低。

圖6 焊縫隨送絲速度的變化曲線（激光功率5 kW，光絲間距1 mm）

由表1可知，送絲速度為5m/min時，填充焊縫填充高度5.82mm，送絲速度為6m/min時，焊縫填充堆高為6.05mm，較5m/min時提升20%。實(shí)際焊接過程中焊縫堆高上區(qū)別不大，可知送絲速度為6m/min時熔絲不良，由此確定焊接過程中的最大送絲速度應(yīng)為5 m/min。

2.2 焊接速度對焊縫成形的影響

分析表1中 1、4、9，12、15、18，21、24、25，2、5、9，13、18、26，3、6、10，14、16、20 這 7 組試樣及其變化曲線（見圖7）可知，在焊接過程中最大的送絲速度應(yīng)為5 m/min。

圖7 焊縫隨焊接速度的變化曲線（激光功率5 kW，光絲間距1 mm）

由這7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出，當(dāng)送絲速度為3 m/min，焊接速度分別為 0.36 m/min、0.48 m/min、0.6 m/min時，得到的焊縫表面都較為平滑，但隨著焊接速度的增加，堆高相應(yīng)減少。為了減少焊接道數(shù)，選用較小的焊接速度。當(dāng)送絲速度為4m/min，焊接速度為 0.36 m/min、0.48 m/min、0.6 m/min 時，得到的焊縫表面較平滑，但隨著焊接速度的增加，熔寬相應(yīng)變小，堆高量也減少。如焊接速度為0.48m/min時，焊縫窄長，說明側(cè)壁熔合變少，所以采用焊接速度為0.36 m/min。

綜上所述，焊接速度為0.36 m/min時得到的焊縫表面平滑，熔深和熔寬均符合要求，并且堆高量多，焊接道數(shù)相對較少。

3 結(jié)論

通過改變送絲速度以及焊接速度等焊接參數(shù)，發(fā)現(xiàn)Q345E低合金鋼窄間隙激光填絲在送絲速度5 m/min、焊接速度0.36 m/min時可獲得熔深和熔寬較好的焊接接頭，且宏觀金相下接頭成形良好。