趙孔標(biāo)，李利娜

（1 江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010；2 南通新創(chuàng)航海機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226000）

目前在大型構(gòu)件，例如飛機(jī)和船體制造都需要用到厚板鋼材，但是在大型輪船或者飛機(jī)制造中大型構(gòu)件已經(jīng)趨于通用化和一體化，這就給大尺寸、形狀復(fù)雜的成型模具制造帶來了很大的困難。現(xiàn)如今常用的成型模具多采用焊接技術(shù)制造而成。但是焊接技術(shù)在厚板鋼材中常常需要面臨一些焊接缺陷問題，比如說焊接過后造成成型模具的變形，焊接過后留下焊接裂紋或者氣孔，導(dǎo)致成型模具的氣密性較差，還有就是焊接過程中引入的雜質(zhì)可能會改變成型模具的熱膨脹系數(shù)。這些都是厚板鋼材在焊接成型模具中亟需解決的問題。

1 激光-電弧復(fù)合焊接的優(yōu)勢及原理

目前厚板鋼材最常用的焊接技術(shù)是埋弧自動焊技術(shù)，埋弧自動焊的原理將電弧在焊劑層下的燃燒來實(shí)現(xiàn)焊接接頭與母材的焊合[1]。埋弧自動焊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是焊接后的焊縫質(zhì)量較高，焊接效率好。而且埋弧自動焊技術(shù)的熱影響區(qū)大，焊接熔深大，熔敷量較高，所以特別適用于厚板鋼材的焊接[2]。但是埋弧自動焊技術(shù)在焊接時需要大量的焊劑填充，當(dāng)出現(xiàn)焊接參數(shù)不當(dāng)，焊劑供應(yīng)不足或者焊劑不純的情況時，會導(dǎo)致焊接的熔透不夠，還容易產(chǎn)生硫或者磷等夾雜物，造成焊接成型模具的氣密性下降，而且還可能改變母材的熱膨脹系數(shù)[3]。

厚板鋼材焊接中除了常用的埋弧自動焊技術(shù)，還有一種常見的焊接技術(shù)是非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG）。TIG焊接技術(shù)中需要在保護(hù)池中通入惰性氣體以保護(hù)熔池，在焊接過程中也無需添加焊劑。TIG焊接技術(shù)的優(yōu)勢是由于在焊接過程中無需添加額外的填充材料，所以焊縫的純度較高。因?yàn)橛卸栊詺怏w的保護(hù)所以焊接過程中電弧比較穩(wěn)定，熱輸入小，所以焊接后構(gòu)件的變形量較小[4]。厚板鋼材焊接中還有一種焊接技術(shù)是熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊（MIG）。MIG焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是焊接速率快，熔敷率較高。但是，在厚板 MIG 焊接過程中存在的缺陷是，熔滴過渡較困難，飛濺大、焊接穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)焊縫成形不良、質(zhì)量差等問題[5]。在MIG焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上人們又研究出了熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊（MAG）。MAG焊接技術(shù)相比于MIG 焊接技術(shù)在焊接過程中引入活性氣體，使得熔滴過渡較困難的問題得到改善，熔滴的直徑也變小，飛濺情況也得到了相應(yīng)的減輕。但是MAG焊接技術(shù)需要在焊接過程中提供較大的電流密度，所以較大的電流密度使得熔滴的過渡方式發(fā)生了改變，射流過渡方式由軸向過渡轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)過渡，不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流過渡會使焊絲尖端液柱處彎曲并沿軸向旋轉(zhuǎn)，不斷向四周拋射熔融金屬顆粒，這樣就會造成焊后的焊接強(qiáng)度得不到保障，并且降低了焊接的氣密性。所以MIG/MAG 兩種焊接技術(shù)在焊接厚板鋼材上都存在著一定的工藝缺陷。

最近幾年，激光焊接技術(shù)有了迅速的發(fā)展，激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢在于能量密度高、熱輸入低、焊縫深寬比大等。按原理可簡單地分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光 深熔焊接[6]。功率密度小于105W/cm2為激光熱傳導(dǎo)焊，通過輻射來加熱焊件表面，熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，因此其熔深較淺、適合薄板材料的焊接。深熔焊的功率密度較大，材料氣化產(chǎn)生等離子體并形成“匙孔”，匙孔及等離子體吸收激光束的能量并轉(zhuǎn)化為熱能，使孔腔周圍的金屬熔化[7]；隨著激光束的移動，匙孔及孔壁四周的熔融金屬同步前移，熔融金屬填充了匙孔移開后產(chǎn)生的空隙并且隨之冷卻凝固，形成激光焊縫。因此可見，激光焊接屬于一種精密焊接技術(shù)，由于激光光斑直徑較小，相應(yīng)地其橋接性差，對裝配精度要求極高，實(shí)際應(yīng)用中效率較低，焊接厚板時也會出現(xiàn)未熔合、裂紋、氣孔等缺陷。此外，在厚板激光焊接過程中，等離子體屏蔽效應(yīng)一直很難得到妥善的解決[8]。

從上面幾種厚板鋼材常用的焊接方法來看，無論是哪種焊接方法，單一熱源和單一焊接技術(shù)都存在著一定的局限性,焊接后的厚板鋼材成型模具都存在著一定的缺陷，限制了成型模具的精度和批量化的生產(chǎn)，給飛機(jī)制造帶來了瓶頸。為了解決這一問題，今年來人們逐漸將目光集中在復(fù)合熱源焊接技術(shù)上，采用復(fù)合熱源焊接不僅能兼容單個熱源的優(yōu)勢，還能彌補(bǔ)單一熱源焊接帶來的焊接缺陷。其中激光-MAG復(fù)合焊接技術(shù)就是厚板鋼材焊接的理想焊接技術(shù)之一。激光-MAG 復(fù)合焊通過激光與電弧兩種熱源的適當(dāng)復(fù)合，可使得焊接后的厚板鋼材獲得優(yōu)異的焊接性能。熱源的耦合通過帶電粒子耦合來實(shí)現(xiàn)，激光光斑處產(chǎn)生高密度高溫度的光致等離子體，且聚集在很小的區(qū)域，而 MAG 電弧相對具有低密度低溫度，且分布區(qū)域較大；在溫差與密度差的作用下，部分光致等離子體轉(zhuǎn)移至電弧，宏觀表現(xiàn)為 MAG 電弧收縮并指向光斑，這不僅降低激光匙孔中等離子體的濃度，減輕其對激光的屏蔽效應(yīng)，而且補(bǔ)充電子和正離子到電弧中，使電弧燃燒更加穩(wěn)定、減少飛濺，同時引導(dǎo)熔融狀態(tài)下的焊絲向焊縫深處過渡，增加熔深。同時，電弧使得激光匙孔變得穩(wěn)定，這有效地降低了接頭內(nèi)部工藝氣孔的數(shù)量，而且由于熔池停留時間增加，延長了熔池中氣泡的溢出時間，進(jìn)一步減少了焊縫中氣孔的數(shù)量。激光-MAG 復(fù)合焊與單獨(dú)激光焊相比，焊縫的熔深增大，對裝配精度要求降低，另外電弧的預(yù)熱作用還可增強(qiáng)試樣表面對激光的吸收率；激光-MAG 復(fù)合焊與單獨(dú) MAG 相比，大幅降低熱輸入，無需大電流，穩(wěn)定的熔滴過渡減少飛濺，焊縫成形較好。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用的厚板鋼材是尺寸為20mm厚的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q235的含碳量不高且鋼材綜合性能良好。激光-MAG復(fù)合焊使用牌號為 MG50-6的氣體保護(hù)焊絲，焊絲的半徑為0.6 mm，母材表面抗氧化、抗油污能力較強(qiáng)，氣孔敏感性較小。Q235和MG50-6焊絲的化學(xué)成分見表1，從表1中可以看出二者化學(xué)成分接近。Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼的金相如圖1所示，Q235的組織為晶粒尺寸在20～50 μm的鐵素體，同時還有極少量的馬氏體。激光-MAG復(fù)合焊的保護(hù)氣采用 20%的CO2與 80%的氬氣混合而成。

表1 Q235和MG50-6焊絲的化學(xué)成分表Table 1 Chemical composition of Q235 and MG50-6 wires

圖1 Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographic photographs of Q235 carbon structural steel

2.2 設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用焊接設(shè)備是激光-MAG 復(fù)合焊接系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括YLS-6000 型光纖激光器，激光器的工作波長為1.03μm，設(shè)備最大輸出功率為7kW, 聚焦鏡焦距 255mm，位于焦點(diǎn)時光斑直徑約 0.15～0.25 mm；系統(tǒng)另一部分是Fronius 焊機(jī)，最大輸出電流 400A; KUKA 六軸機(jī)器人，重復(fù)精度≤0.15mm。激光焊接頭與焊槍以一定角度裝配在機(jī)器人上，構(gòu)成激光-MAG 復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

3 激光-MAG復(fù)合焊接工藝及焊接接頭性 能分析

3.1 激光-MAG 復(fù)合焊接工藝研究

本實(shí)驗(yàn)選用厚度為20mm厚的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采用的YLS-6000型光纖激光器設(shè)備最大輸出功率為7kW，不能一次就熔穿20mm厚的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，為了解決這一問題，采用了兩種不同開坡口的形式，分別為雙面無坡口形式、雙面開坡口形式和單面開坡口形式。開坡口的示意圖如圖2所示。

圖2 雙面無坡口形式、雙面開坡口形式和單面開坡口形式試樣橫截面示意圖Fig.2 Schematic diagrams of cross-sections of specimens with doublesided grooveless, double-sided groove and single-sided groove

我們首先研究雙面無坡口形式的激光-MAG 復(fù)合焊接工藝，首先將試樣用線切割切成尺寸為90mm × 60mm 的矩形塊，然后通過砂紙將Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼的表皮氧化膜清理干凈，清洗之后，反正兩面各進(jìn)行一次焊接，雙面無坡口形式的優(yōu)點(diǎn)是減少坡口對母材的結(jié)構(gòu)性破壞，且焊接之前無需多余的加工。但是不開坡口的缺點(diǎn)是母材兩面的焊縫搭接率較低，如果正反兩次焊接的位置出現(xiàn)偏差，就會導(dǎo)致正反兩道焊縫不能對齊，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致厚板鋼材的中心未熔合，影響整體焊接的質(zhì)量。

不同焊接速度的焊縫如圖3所示，每種焊接工藝都標(biāo)在了圖片的底部，可以看出，無論正反兩面的單道焊接均未能熔透母材，當(dāng)在正面焊接時，氣體由裝配間隙逸出熔池，且在間隙下部形成氧化物等雜質(zhì)；在反面施焊時，間隙中的氧化物雜質(zhì)難以清除，且無逸出的通道，所以在焊縫的底部比較容易出現(xiàn)氣孔缺陷。

圖3 不同焊接速率雙面無坡口形式激光-MAG 復(fù)合焊接工藝Fig.3 Double-sided grooveless laser-MAG hybrid welding process at different welding rates

之后對上述的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化激光-MAG 復(fù)合焊接工藝的工藝參數(shù)，增大焊接時輸入能量。改進(jìn)后的雙面無坡口形式激光-MAG 復(fù)合焊接工藝如圖4所示。可以看出，優(yōu)化參數(shù)后的激光-MAG 復(fù)合焊接工藝的氣孔缺陷明顯的減少，但是正反兩次焊接的搭接率仍存在問題。

圖4 參數(shù)優(yōu)化后雙面無坡口形式激光-MAG 復(fù)合焊接工藝Fig.4 Double-sided grooveless laser-MAG hybrid welding process after parameter optimization

雙面開坡口形式激光-MAG 復(fù)合焊接工藝是在試樣兩面對稱加工坡口，坡口的開口角度為60°，坡口的鈍邊尺寸為 10mm，也是正反兩面進(jìn)行焊接。雙面開坡口形式激光-MAG 復(fù)合焊接的優(yōu)點(diǎn)是由于需熔透的深度變小，所以可以很好地保證兩道焊縫的搭接率，這種處理工藝的缺點(diǎn)是因?yàn)殡p面開了坡口，所以可能造成焊接后的熔敷量不夠，焊縫未填滿的情況。圖5為雙面開坡口形式激光-MAG 復(fù)合焊接工藝，從圖中可以看出正反兩道焊縫的搭接率可以得到很好的保證，但是會出現(xiàn)焊縫未填滿的情況，隨后增大了電弧電流，仍然無法解決焊縫未填滿的情況，所以雙面開坡口形式的激光-MAG 復(fù)合焊接工藝焊后需要采用MAG焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊。

圖5 雙面開坡口形式激光-MAG 復(fù)合焊接工藝Fig .5 Laser-MAG hybrid welding process with double grooves

相比于雙面開坡口形式的激光-MAG 復(fù)合焊接工藝，單面開坡口形式的試樣只需在試樣的一面開坡口，坡口的開口角度為60°,坡口的鈍邊尺寸為9mm。圖6為單面開坡口激光-MAG 復(fù)合焊接工藝，從圖中可以看出，相比于雙面無坡口形式和雙面開坡口形式的激光-MAG 復(fù)合焊接工藝，單面開坡口優(yōu)勢在于只需要在單面焊接，可以適用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者內(nèi)表面封閉的復(fù)雜成型模具，同時可以減少焊接機(jī)器人的裝配次數(shù)，提高了焊接的工作效率。單面開坡口形式的激光-MAG 復(fù)合焊接工藝也有很明顯的缺陷，那就是單面開坡口深度較大，對母材的破壞較大，而且激光-MAG 復(fù)合焊接打底之后需要多層多道MAG蓋面才能填充滿， 較易出現(xiàn)層間結(jié)合差、氣孔、未熔合等焊接缺陷， 降低焊縫整體質(zhì)量而且多次熱循環(huán)會產(chǎn)生較多的殘余應(yīng)力，會使試樣發(fā)生變形，甚至形成裂紋。

圖6 單面開坡口激光-MAG 復(fù)合焊接工藝Fig.6 Single-sided groove laser-MAG hybrid welding process

從上述三種激光-MAG 復(fù)合焊接工藝可以看出，三種不同形式的焊接工藝均存在明顯的優(yōu)點(diǎn)和不足，三種工藝的蓋面效果和焊接效率都不同，但是三種工藝都未能完全熔透母材?？傮w來說，在保證余高足夠的情況下，蓋面次數(shù)越少，則焊接接頭的品質(zhì)越高，越不易出現(xiàn)氣孔、裂紋等焊接缺陷。而減少蓋面次數(shù)需提高熔敷效率，不能單純地依靠某一項(xiàng)參數(shù)，需要調(diào)節(jié)各項(xiàng)工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)合適的匹配。

3.2 激光-MAG 復(fù)合焊接接頭分析

本實(shí)驗(yàn)典型的激光-MAG 復(fù)合焊接接頭的形貌如圖7所示，與傳統(tǒng)焊接方法的接頭組織相近，激光-MAG 焊接焊縫由于焊接熱循環(huán)的作用，不同區(qū)域的組織和性能存在著差異。焊接接頭按受熱情況及相變程度的不同，可簡單地劃分為四個區(qū)域：焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)與母材。焊縫區(qū)由激光熔池與電弧熔池耦合而成，呈傘狀，主要由粗大的柱狀樹枝晶構(gòu)成。焊縫上部的柱狀晶起始于熔合線，呈“八”字分布，生長方向指向余高中心，焊縫中部的柱狀樹枝晶生長方向指向焊縫中心，下部柱狀晶則指向背面余高中心，這顯示了焊接后冷卻過程中熱流的走向與溫度梯度的變化。而焊縫中部中心則出現(xiàn)少量等軸晶，說明冷卻速度較快，即焊接速度較快。熔合區(qū)較窄，是固態(tài)母材與液化金屬的交界處，一部分晶粒未熔化但受熱后長大成為粗晶粒，另一部分晶粒熔化后在此處非自發(fā)形核，并沿?zé)崃鞣较蛑饾u長大，成為焊縫區(qū)的柱狀晶。熱影響區(qū)（HAZ）沿著焊縫中心線指向母材方向可大致分為三個區(qū)域：粗晶區(qū)（過熱區(qū)）、細(xì)晶區(qū)（相變重結(jié)晶區(qū)）、不完全重結(jié)晶區(qū)。熱影響區(qū)的晶粒尺寸變化較大，如圖8所示。

圖7 激光-MAG 復(fù)合焊接接頭的形貌Fig.7 Morphology of laser-MAG hybrid welded joints

圖8 熱影響區(qū)的粗晶區(qū)(a)、細(xì)晶區(qū)(b)與不完全重結(jié)晶區(qū)(c)的金相組織Fig.8 The microstructure of coarse grain zone(a), fine grain zone(b) and incomplete recrystallization zone (c)in heat affected zone

4 總結(jié)與展望

通過本文的實(shí)驗(yàn)以及對激光-MAG 復(fù)合焊接接頭的分析發(fā)現(xiàn)，雙面無坡口形式、雙面開坡口形式和單面開坡口形式三種不同的激光-MAG 復(fù)合焊接工藝均存在明顯的優(yōu)點(diǎn)和不足，三種工藝的蓋面效果和焊接效率都不同，但是三種工藝都未能完全熔透母材?？傮w來說，在保證余高足夠的情況下，蓋面次數(shù)越少，則焊接接頭的品質(zhì)越高，越不易出現(xiàn)氣孔、裂紋等焊接缺陷。而減少蓋面次數(shù)需提高熔敷效率，不能單純地依靠某一項(xiàng)參數(shù)，需要調(diào)節(jié)各項(xiàng)工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)合適的匹配。隨著光纖激光器技術(shù)的成熟，激光加工的成本必將逐步下降，帶動激光-MAG復(fù)合焊接技術(shù)走向更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。