劉偉亮，何廣忠，李凱，王春生

摘要：針對軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架常用20 mm厚壁S355J2H橫梁管激光電弧復合焊工藝，從坡口形式、打底焊工藝窗口、蓋面焊工藝窗口、焊接氣孔抑制等方面進行了優(yōu)化。結(jié)果表明：控制焊縫成形的主要因素有焊縫坡口、光絲間距和激光束離焦量等。采用鈍邊高度為8 mm、單邊20°～25°的Y型坡口，光絲間距DLA=2～4 mm，離焦量-2～0 mm，可以獲得表面成形連續(xù)的打底焊焊接接頭;采用激光功率500～1000 W、電弧電流200～250 A、離焦量-2～0 mm的蓋面焊工藝參數(shù)，可以獲得連續(xù)一致、均勻美觀，焊縫表面無裂紋、氣孔等焊接缺陷的焊縫成形。實現(xiàn)了20 mm厚橫梁管激光-MAG電弧復合焊焊接，驗證了激光-MAG電弧復合焊接橫梁管的可行性。

關(guān)鍵詞：厚壁橫梁管;激光電弧復合焊;坡口形式;工藝窗口

中圖分類號：TG456.7? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0086-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.15

0? ? 前言

隨著軌道車輛、船舶、石油管道等中厚板碳鋼焊接對生產(chǎn)效率和焊接變形的要求越來越高，對優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的焊接方法的需求日益增加，兩個或兩個以上焊接熱源的協(xié)同作用是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本焊接的重要途徑，激光電弧復合焊便是其中最具發(fā)展前景的先進焊接方法之一，具有能量利用率高、熱輸入小、焊縫熔深大、焊接速度快及間隙適應能力強等優(yōu)點[1-7]。

文中針對軌道客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架常用20 mm厚S355J2H橫梁管，采用激光電弧復合焊從坡口形式、打底焊工藝窗口、蓋面焊工藝窗口、焊接氣孔抑制等方面進行優(yōu)化設計，為激光復合多層多道焊在軌道車輛生產(chǎn)中的實際應用提供必要的試驗基礎。

1 試驗設備、材料和方法

試驗采用中車長春軌道客車股份有限公司工藝試驗室的激光-MAG電弧復合焊系統(tǒng)，如圖1所示，該套焊接系統(tǒng)配備15 kW光纖激光器、6軸工業(yè)機器人、旋轉(zhuǎn)變位機、福尼斯TPS5000弧焊電源，能夠開展平板、管件的激光復合焊試驗研究。激光波長1 070 nm，光纖直徑0.3 mm，采用IPG的焦距250 mm激光鏡頭，聚焦光斑直徑0.6 mm，光束質(zhì)量（BPP） 4.0 mm·mrad。

采用激光-MAG復合焊，材料為直徑210 mm、壁厚20 mm的橫梁管，材質(zhì)為S355J2H低碳低合金鋼，其外觀如圖2所示。焊接材料為德國進口的φ1.2 mm B?HLERNiCu1-IG焊絲。采用20 mm厚平板對接試驗，Y型坡口，坡口示意如圖3所示，包括鈍邊尺寸h、坡口角度θ和組對間隙a。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 坡口設計及優(yōu)化

選擇鈍邊尺寸4 mm、6 mm、8 mm、10 mm進行試驗，坡口角度均為60°，結(jié)果如圖4所示，鈍邊為6 mm和8 mm時都獲得了良好的試驗結(jié)果。鈍邊為10 mm時由于激光功率過大，產(chǎn)生的等離子體更為劇烈，焊接效果不夠穩(wěn)定，且由于焊縫深寬比過大，可能容易使氣孔留在焊縫中，同時焊縫側(cè)壁可能產(chǎn)生未熔合缺陷（見圖5），因此最終選擇的鈍邊高度為8 mm。

在坡口角度方面，設計了單邊坡口角度為20°～

30°的3種坡口，即θ為40°～60°。不同坡口角度的焊縫成形如圖6所示，由圖6可知，θ為50°～60°時焊縫成形良好，但坡口角度較大，不利于后續(xù)填充焊。這是因為當焊接層數(shù)和單層熔敷量增加時，產(chǎn)生氣孔的幾率均會上升，因此要盡量減小坡口角度。當θ為40°時，由于坡口較窄，電弧容易被坡口兩側(cè)吸引，導致坡口兩側(cè)母材熔化，而激光與電弧分離，穿過間隙加熱背面夾具或圓管另一側(cè)。

實際上，通過調(diào)整能量配比和光絲間距可以解決上述問題。加大激光功率并減小電弧電流和光絲間距后，使激光壓縮電弧的效果加強，強制電弧能量向下方輸出而不是兩側(cè)坡口，但是對光絲間距要求較高：當光絲間距過近時，首先影響了焊縫成形（見圖7），產(chǎn)生明顯波動，飛濺也相對較大;其次，熔滴過渡時激光與電弧之間的干擾，可能導致氣孔率上升;最后，由于電弧能量減小，焊縫冷卻速度加快，容易導致弧坑處產(chǎn)生縱向裂紋（見圖7a），甚至有可能在應力作用下導致整個焊縫開裂形成貫穿焊縫中心的縱向裂紋（見圖7b），因此需要適當減小電弧電流，保證焊接效果。

考慮到焊縫成形、缺陷控制以及后續(xù)的填充工藝，選擇了鈍邊高度為8 mm，單邊坡口角度為20°～25°，θ=40°～50°，坡口間隙0.5～2.0 mm。

2.2 打底焊焊接工藝優(yōu)化

對于多層焊而言，打底層焊接有熔透鈍邊，保證根部成形的作用，對于焊縫質(zhì)量有重要的影響。

2.2.1 光絲間距

分別設置光絲間距為0 mm、2 mm、4 mm進行焊接。不同光絲間距的焊接結(jié)果如圖8所示。當光絲間距為0 mm時，由于激光和電弧距離過近，相互形成干擾，造成較大飛濺，焊縫成形較差，工件背面無法焊透。當光絲間距為2～4 mm時，飛濺減小，焊縫成形逐漸穩(wěn)定，此時焊縫成形較好，無未焊透缺陷。這是因為電弧對工件的預熱能夠有效提高激光的能量密度，形成更強烈的等離子體強度和更深的“ 小孔 ”，有效增加熔深。同時，更強的等離子體相互作用能夠更大程度地收縮電弧并集中電弧能量，增強其對工件的預熱作用。

2.2.2 激光離焦量

激光離焦量即激光束焦點與母材（坡口）表面的距離，當焦點位置在表面以上時為正離焦。分別設置激光離焦量為2 mm、0 mm、-2 mm、-4 mm進行焊接。不同離焦量對應焊縫背面成形如圖9所示。當激光離焦量為2 mm時，由于激光束焦點在表面以上，當激光束能量到達母材表面時，能量密度減小，有效功率降低，在8 mm鈍邊條件下，背面很難焊透;當激光離焦量為0 mm時，激光束焦點落于坡口鈍邊表面，有助于增加熔深;當激光離焦量為-2 mm時，激光束能量更集中地輸入熔池內(nèi)部，熔深增加，同時焊縫下部熔寬增加，焊縫成形更穩(wěn)定;當激光離焦量降低為-4 mm時，由于激光束焦點深入坡口，雖然有助于增加熔池深度，但由于能量密度在深度方向上分布不均，激光形成的匙孔容易坍塌形成氣孔（見圖10），同時也使焊縫熔深不穩(wěn)定。

2.2.3 焊接速度

選用0.6～2.4 m/min焊接速度進行打底焊試驗，試驗結(jié)果如圖11所示。當焊接速度為0.6 m/min時，焊縫正反兩面成形良好，但焊縫中容易產(chǎn)生氣孔缺陷，可能是此時氣孔形核并長大，但由于采用的焊接規(guī)范較小，熔池冷卻速度較快，氣孔來不及溢出，最終留在焊縫中;當焊接速度為1.2 m/min、1.8 m/min時，均可獲得良好的焊縫成形，無明顯缺陷，同時對間隙、錯邊等適應性良好;當焊接速度為2.4 m/min時，為了穩(wěn)定電弧，所需的激光能量和電弧能量較大，不利于其穩(wěn)定輸出，同時焊縫正面中心凸起、兩側(cè)凹陷，在進行后續(xù)填充時可能產(chǎn)生氣孔等缺陷。

2.2.4 激光功率

打底焊的主要任務是焊透鈍邊，因此激光熱源起主要作用，應選用較大功率;而電弧熱源的規(guī)范應適當小些，以避免其對激光的屏蔽作用可能導致的未焊透缺陷。圖12為焊接速度1.2 m/min，激光功率分別為6 000 W、6 500 W、7 000 W、7 500 W時的焊接結(jié)果。可觀察到，焊縫熔深隨著激光功率的增加顯著提高。當激光功率為6 500 W和7 000 W時，焊縫成形良好;激光功率為6 000 W時，焊縫背面未熔透，而激光功率為7 500 W時，焊縫背面余高過大，被背面墊板強制成形，同時正面焊縫略有塌陷。另外，由于焊接速度較快，激光功率較大，對于激光匙孔的穩(wěn)定效果更好，在打底焊焊縫中均未發(fā)現(xiàn)明顯氣孔缺陷，尤其是匙孔坍塌型氣孔。

2.2.5 電弧電流

圖13為打底焊電弧電流分別為120 A、150 A、180 A、210 A時的焊縫成形對比。當電弧電流為120 A時，復合焊能量剛好可使熔池深度達到背面，但處于熔透的臨界狀態(tài)，并不穩(wěn)定，且要求間隙不能過大。當電弧電流為150 A時，焊縫為典型的激光-電弧復合焊形貌，截面呈“ 高腳杯 ”狀。當電弧電流為180 A時，由于電弧能量的增強，母材熔化量和焊絲填充量都增加，這種增加主要體現(xiàn)在焊縫背面熔寬增加，焊縫下部區(qū)域變寬。當電弧電流為210 A時，由于電弧能量過強，雖然焊縫正面成形變得更為連續(xù)，但焊縫熔寬增加，尤其是焊縫下部熔寬增加，同時由于對激光的屏蔽作用較強，焊縫背面未熔合。

根據(jù)上述分析可知，優(yōu)化的工藝參數(shù)范圍為：鈍邊8 mm，坡口角度20°～25°，激光功6 200～7 500 W，電弧電流120～160 A，光絲間距2～4 mm，激光離焦量-2～0 mm，焊接速度1.0～1.8 m/min。采用該規(guī)范獲得的20 mm厚鋼板打底焊焊縫成形如圖14所示。

2.3 蓋面焊焊接工藝優(yōu)化

2.3.1 保護氣成分

試驗采用了純Ar和Ar+CO2的組合對焊接區(qū)域進行保護，發(fā)現(xiàn)CO2的加入對焊接過程的穩(wěn)定性以及成形質(zhì)量有較大影響。選用不同成分的保護氣時，焊縫成形如圖15所示。

使用純Ar作為保護氣體時，表面焊縫紋路不夠平整，余高中部有較明顯的隆起，焊道存在咬邊的問題。隨著CO2的加入，焊縫表面光潔度得到較明顯地改善，焊縫紋路也趨于平整，焊道邊緣平直。由圖可見，分別在Ar中加入5%、10%的CO2，焊縫均成形美觀，無明顯飛濺，無明顯區(qū)別。這是因為CO2為多原子氣體，在激光和電弧等離子體的高溫作用下分解產(chǎn)生大量活性氧原子進入熔池，氧含量的增加提高了熔池表面金屬的流動速率，減小了熔池的表面張力，使焊縫余高變得平整，咬邊問題得到解決。且CO2含量在5%～10%時，熔滴過渡方式為較穩(wěn)定的噴射過渡，因此具有較好的工藝穩(wěn)定性。繼續(xù)增加CO2含量至20%時，焊縫表面形貌變差，光潔度降低，紋理開始紊亂，同時出現(xiàn)了飛濺較大的問題。這是因為在激光-MAG復合焊接過程中，CO2含量的增加使焊接電弧呈現(xiàn)出明顯的短路過渡特征，在大熔滴脫離焊絲瞬間極易爆散形成飛濺，導致工藝穩(wěn)定性下降。

2.3.2 能量輸入

與打底焊不同，填充層焊接的主要任務是填滿坡口，因此電弧熱源起主要作用，應選用較大的焊接規(guī)范;而激光熱源僅起到引導電弧的作用，應選用較小的功率。不同能量輸入的填充焊正面成形如圖16所示。

試驗結(jié)果表明，在能量配比選取合適的情況下，線能量過小將導致填充金屬不足而出現(xiàn)咬邊缺陷;而線能量過大將引起焊接接頭的擴大導致焊后材料的均一性變差。

2.4 焊接氣孔的抑制

在進行焊縫成形控制的相關(guān)試驗過程中，發(fā)現(xiàn)焊接過程易產(chǎn)生氣孔缺陷，尤其是在蓋面焊過程中。在打底焊時，通過適當降低電弧電流和焊接速度、增強保護氣流量，可以獲得無氣孔的打底焊焊縫。選用焊接速度1～1.5 m/min，光絲間距2～4 mm，激光離焦量-2～0 mm，激光功率6 200～7 200 W，電弧電流120～160 A，保護氣流量30～ 40 L/min。由于焊接時使用的激光功率較大，匙孔較穩(wěn)定，在焊縫中均未發(fā)現(xiàn)匙孔坍塌型氣孔。圖17為典型打底焊焊縫的X光檢測結(jié)果，為Ⅰ級焊縫。

2.4.1 保護氣流量

在進行蓋面焊時，若使用與打底焊相同的保護氣流量，由于熔池面積擴大，保護氣流量過強，對熔池有強烈的沖擊和攪拌作用，使電弧不穩(wěn)定，在焊縫中殘留許多氣孔;減小保護氣流量后，氣孔逐漸消失（見圖18）。

2.4.2 焊接速度

不同焊接速度對焊縫氣孔的影響如圖19所示。當采用相同的打底焊工藝時，由于打底焊未產(chǎn)生氣孔缺陷，因此圖19中的焊接缺陷均為蓋面層焊接過程中產(chǎn)生。可以看到，當焊接速度為0.6 m/min及0.8 m/min時，焊縫檢測結(jié)果良好，為Ⅰ級焊縫。而當焊接速度為0.3 m/min和1.0 m/min時氣孔缺陷逐漸增多。通過金相分析（見圖20）可知大部分氣孔為層間氣孔。這是因為焊縫清理不可能達到完全無污染的程度，因此在進行多層焊時，若焊接速度過慢，填充層較厚，熔池深度較大，氣泡在溢出過程中充分長大，但容易殘留在焊縫表層附近。若焊接速度過快，會導致氣孔難以長大和溢出，形成一系列的小氣孔，殘留在焊縫中下部。

另外，當焊接速度為0.3 m/min時，填充3層即可使焊縫填滿，余高較大，但熔池深度較大，產(chǎn)生的氣泡較多。當焊接速度超過0.8 m/min時，需要填充4層，且有時由于速度過快，焊縫沒有余高，甚至略有凹陷或者咬邊。因此，為了兼顧填充效率和缺陷控制兩方面因素，選擇焊接速度0.6～0.8 m/min，四層填充，逐漸降低焊接速度，保證每層填充量。

2.5 復合焊試驗驗證

根據(jù)上述焊接工藝試驗優(yōu)化后得到的焊接參數(shù)（見表1、表2），開展了厚壁橫梁管模擬件的激光-MAG復合焊焊接試驗，以驗證工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，試驗結(jié)果如圖21所示。

由圖21可知，焊縫正反面的成形良好，焊縫表面光滑、一致性好，無咬邊、焊穿等缺陷。金相結(jié)果顯示無裂紋、未熔合及較大氣孔缺陷。上述試驗結(jié)果表明，在此參數(shù)條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)20 mm厚壁橫梁管的激光-MAG復合焊焊接。

3 結(jié)論

（1）控制焊縫成形的主要因素有焊縫坡口、光絲間距和激光束離焦量等。采用鈍邊高度為8 mm、單邊20°～25°的Y型坡口，光絲間距DLA=2～4 mm，離焦量-2～0 mm，可以獲得表面成形連續(xù)的打底焊焊接接頭，且焊縫質(zhì)量可達到Ⅰ級焊縫要求。

（2）采用激光功率500～1 000 W、電弧電流200～

250 A、離焦量-2～0 mm的蓋面焊工藝參數(shù)，和激光功率6 200～7 500 W、電弧電流120～160 A、離焦量-2～0 mm、光絲間距2～4 mm、焊接速度1 000～ 1 800 mm/min的打底焊工藝參數(shù)均可獲得連續(xù)一致、均勻美觀，焊縫表面無裂紋、氣孔等焊接缺陷的焊縫成形。實現(xiàn)了20 mm厚橫梁管激光-MAG電弧復合焊焊接，驗證了激光-MAG電弧復合焊接橫梁管的可行性。

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