崔輝， 徐良， 楊海鋒， 徐富家， 王旭友

(哈爾濱現(xiàn)代焊接技術有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

碳素鋼因其優(yōu)良的綜合性能、低溫性能、冷沖壓性能、焊接性能和可切削性以及較高的性價比被廣泛地應用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等方面[1]。目前，碳鋼板的焊接普遍采用埋弧自動焊、焊條電弧焊以及熔化極惰性氣體保護電弧焊(MIG)等方法。

MIG 焊在厚板的焊接過程中，飛濺大、焊接過程穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)焊縫成形不良。

埋弧焊則需要填充較多焊劑，并且一旦出現(xiàn)焊劑不純或裝配不良時，容易產生熔透不足及夾渣等焊接缺陷[2]。

激光焊具有能量密度高、精度高、速度快、穿透比大等特點[3-4]，在中厚板碳鋼的焊接中獨具優(yōu)勢，國內外已經開展了廣泛的研究。然而，這些研究大多數(shù)都是在單光束模式下進行的，對于同樣焊接厚度下，光斑大小對擺動光束激光焊的焊縫成形以及氣孔率的影響研究較少[5-6]。

基于當前碳鋼激光焊接工藝的現(xiàn)狀，研究了單光束激光與擺動激光兩種光束模式下的焊接效果，并就激光光斑直徑大小對碳素鋼的焊縫成形和氣孔率的影響進行了研究，為碳鋼的激光焊接應用提供一定試驗依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗采用平板堆焊，單面焊雙面成形，激光熱源為 YLS-10000 型激光器，光纖芯徑φ=400 μm，激光焦距l(xiāng)=300 mm。擺動激光為垂直擺動模式，擺幅H=1mm，頻率f=60 Hz。試驗材料為 6 mm 厚的Q345 碳鋼，母材的化學成分見表1。保護氣體純氬氣，焊接工藝參數(shù)見表2，試驗原理如圖1 所示。

表1 母材及焊絲的化學成分(質量分數(shù),%)

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 試驗原理

2 試驗結果及分析

2.1 光束模式對焊縫成形與氣孔的影響

在激光束作用點位于焦點位置時來考察單光束和擺動光束兩種光束模式對焊縫成形和氣孔率的影響，結果見表3。從表3 可以看出，擺動激光焊的正面成形優(yōu)于單光束激光焊，相比于擺動激光焊，單光束激光焊焊縫正面下凹程度更大，咬邊缺欠也更為嚴重，并且更易產生飛濺，其背部的飛濺顆粒大小差異較大，均勻性較差。兩種激光模式的焊縫背面均可成形，相比于單光束激光焊，擺動激光焊的焊縫背部余高稍矮、背部熔寬稍寬，鋪展更為均勻、連續(xù)、穩(wěn)定。

表3 兩種光束模式的焊縫成形

表4為激光束作用點位于焦點位置，兩種光束模式激光焊焊縫的 X 射線探傷照片，焊縫氣孔率統(tǒng)計如圖2所示，結果表明，同樣在焊透 6 mm 接頭的條件下，擺動光束激光焊的焊縫氣孔率為 2.8%，相比單光束激光焊氣孔率下降了約 88.71%，擺動激光焊產生氣孔的傾向比單光束激光焊小，這說明擺動光束在抑制氣孔方面比單光束激光焊更有優(yōu)勢。

表4 兩種光束模式焊縫 X 射線照片

圖2 兩種光束模式焊縫氣孔率

2.2 光斑尺寸對焊縫成形與氣孔率的影響

2.2.1光斑尺寸對焊縫成形的影響

表5為負離焦下不同光斑尺寸對兩種光束模式激光焊焊縫成形的影響。從表5可以看出，兩種光束模式激光焊焊縫的正面成形咬邊缺陷均較為嚴重，并且隨光斑大小的變化，兩種光束模式激光焊焊縫的正面咬邊缺陷并沒有明顯改善，但相比于單光束激光焊，擺動光束激光焊的背面成形更為連續(xù)、穩(wěn)定，背部鋪展更為均勻、一致。隨著光斑直徑逐漸變大，兩種光束模式激光焊焊縫背面成形有所改善，鋪展趨于均勻、穩(wěn)定。

表5 負離焦下光斑尺寸對的焊縫成形的影響

圖3為負離焦下兩種光束模式激光焊焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的變化規(guī)律，結果表明，焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的增大而增加，并且單光束激光焊背面熔寬的增加趨勢更為明顯。

圖3 焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的變化

表6為正離焦下不同光斑尺寸對兩種光束模式激光焊焊縫成形的影響，從表6 可以看出，正離焦下光斑大小的變化對兩種光束模式激光焊焊縫正面、背面影響的規(guī)律與負離成形改善不明顯，都存在咬邊、下凹等缺陷。

表6 正離焦下光斑尺寸對焊縫成形的影響

對于背面成形，隨著離焦光斑直徑的增大，兩種光速模式的單光束激光焊焊縫背面成形都逐漸趨于均一、穩(wěn)定。如圖4所示，總體上，擺動光束激光焊焊縫的背面成形穩(wěn)定性優(yōu)于單光束激光焊。

正離焦下兩種光束模式激光焊焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的變化規(guī)律與負離焦的類似，如圖4 所示，焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的增大而略有增加，并且單光束激光焊背面熔寬的增加趨勢更為明顯。

圖4 焊縫背部熔寬隨光斑尺寸的變化

總體而言，兩種光束模式激光焊的正面成形質量均較差，表面的塌陷是中厚板激光自熔焊沒有填充金屬導致的，但對于正面成形，擺動光束激光焊優(yōu)于單光束激光焊。對于背面成形，擺動光束激光焊的背部成形更為穩(wěn)定，鋪展更為連續(xù)。在正離焦與負離焦下，隨著光斑尺寸的增大，正正、背面焊縫成形均有所改善，且焊縫正正、背面的熔寬均有所增加。

2.2.2光斑尺寸對焊縫氣孔率的影響

表7為負離焦下不同光斑尺寸下兩種光束模式激光焊焊縫的 X 射線探傷照片。圖5為兩種光束模式激光焊焊縫氣孔率隨光斑大小的變化，從表7 和圖5 可以看出，在負離焦下，當光斑尺寸較小時，兩種光束模式激光焊的焊縫均有明顯的氣孔，隨著光斑尺寸的增加，兩種光束模式激光焊焊縫的氣孔率均降低，當光斑尺寸大于 0.6 mm 時，擺動光束激光焊焊縫氣孔消失，此時單光束激光焊焊縫仍有明顯的鏈狀氣孔，相同的光斑尺寸下，相比于單光束激光焊，擺動光束激光焊焊縫氣孔率更低。

表7 負離焦下不同光斑尺寸的焊縫X射線探傷

圖5 負離焦下焊縫氣孔率隨光斑尺寸的變化

表8 為正離焦下，兩種光束模式激光焊在不同光斑尺寸下的焊縫的 X 射線探傷。圖6為兩種光束模式激光焊焊縫氣孔率隨光斑大小的變化，從表8及圖6可以看出，正離焦下焊縫氣孔隨光斑尺寸的變化規(guī)律與負離焦的相似，當光斑尺寸較小時，兩種光束模式激光焊的焊縫均有明顯的氣孔，隨著光斑尺寸的增大，兩種光束模式激光焊焊縫的氣孔率均降低，當光斑尺寸大于 0.6 mm 時，擺動光束激光焊焊縫氣孔消失，此時單光束激光焊焊縫仍有明顯的鏈狀氣孔，相同的光斑尺寸下，相比于單光束激光焊，擺動光束激光焊焊縫氣孔率更低。

表8 正離焦下不同光斑尺寸的焊縫X射線探傷

圖6 正離焦量下焊縫氣孔率隨光斑尺寸的變化

總體而言，相同的光斑尺寸下，擺動光束激光焊氣孔率更低，其原因在于激光束的高頻擺動掃描，增強了焊接過程中匙孔的穩(wěn)定性，減少了由于匙孔坍塌失穩(wěn)而產生的氣孔，并且擺動激光束對熔池的攪拌作用增加了氣泡的逃逸能力；隨著光斑尺寸的增大，兩種光束模式激光焊焊縫氣孔均有所改善，這是由于光斑尺寸增大，激光匙孔直徑也隨之增大，對于相同的匙孔深度，其穩(wěn)定性增大，所以焊縫的氣孔率隨之降低[7-8]。

3 結論

(1)相對于單光束激光焊，擺動激光擺動光束氣孔率光束模式激光焊能夠有效改善焊縫成形、降低焊縫氣孔率。

(2)隨著光斑尺寸的增大，兩種光束模式下激光焊的焊縫成形均趨于均勻、穩(wěn)定，焊縫的氣孔率均明顯降低。

(3)該試驗條件下，光斑直徑d≥0.6 mm 時，擺動光束激光焊焊縫氣孔消失，此時單光束激光焊仍有明顯的氣孔存在。