侯軍，楊會武，周顯榮，馬政雄

（1.西安煤礦機(jī)械有限公司，西安 710032；2.西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國家重點實驗室，西安 710049）

煤炭是國家能源的主要來源之一，也是國家經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一，采煤機(jī)作為煤炭生產(chǎn)的主要設(shè)備，其運行的可靠和穩(wěn)定性是煤炭企業(yè)產(chǎn)能的重要保障。隨著越來越多小煤窯被關(guān)閉，煤礦企業(yè)之間實施兼并重組，國家將發(fā)展和培育一批現(xiàn)代化煤炭企業(yè)，形成若干個具有較強(qiáng)國際競爭力的億噸級特大型煤炭企業(yè)集團(tuán)，當(dāng)前的環(huán)境形式對國內(nèi)采煤機(jī)公司提出了更高的要求。

西安煤礦機(jī)械有限公司加快了采煤機(jī)國產(chǎn)化替代的研發(fā)進(jìn)程，1200AD 型號采煤機(jī)（如圖1 所示）為西安煤礦機(jī)械有限公司研制的高端采煤機(jī)產(chǎn)品，為達(dá)到德國艾柯夫生產(chǎn)的同類型采煤機(jī)的產(chǎn)品性能，在電控箱主體結(jié)構(gòu)中采用了Q690 高強(qiáng)度鋼材料進(jìn)行焊接生產(chǎn)。

近幾年來，國外超高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究呈現(xiàn)加速發(fā)展的勢頭，研究內(nèi)容越來越精細(xì)化，研究成果在工業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。加拿大航空航天制造中心研究了激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)，實現(xiàn)了9 mm 厚度HSLA80鋼的單道全穿透復(fù)合焊。加拿大國防研發(fā)中心造船實驗室研究了9 mm 厚度HSLA65 鋼的激光/電弧復(fù)合焊技術(shù)。美國南衛(wèi)理公大學(xué)激光輔助制造中心開展了厚度12.5 mm、抗拉強(qiáng)度約1700 MPa 超高強(qiáng)度鋼的激光/電弧復(fù)合焊接研究，研究內(nèi)容涉及超高強(qiáng)度鋼復(fù)合焊接頭的殘余應(yīng)力及力學(xué)性能、超高強(qiáng)度鋼復(fù)合焊接頭形式的優(yōu)化、熔滴過渡形式對超高強(qiáng)度鋼復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性的影響以及超高強(qiáng)度鋼復(fù)合焊接氣孔形成機(jī)理和控制方法。

圖1 1200AD 型號采煤機(jī)Fig.1 1200AD shearer

激光-MAG 復(fù)合焊接技術(shù)的顯著優(yōu)點使其受到國內(nèi)研究者的廣泛關(guān)注，國內(nèi)多家高校和科研院所都開展了激光/電弧復(fù)合焊接方面的研究。近年來國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱焊接研究所、北京航空制造工程研究所、鋼鐵研究總院、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、山東大學(xué)、湖南大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和江蘇科技大學(xué)等均有激光/電弧復(fù)合焊接方面的研究成果發(fā)表。國內(nèi)高校院所關(guān)于激光/電弧復(fù)合焊接的研究中涉及超高強(qiáng)度鋼的焊接研究也有很多。比如，哈工大開展了雙面熱源激光/電弧復(fù)合焊接30 mm 厚度超高強(qiáng)度鋼的研究和X80 管線鋼的光纖激光/MAG 復(fù)合熱源單面焊雙面成形工藝研究；華中科技大學(xué)開展了厚鋼板的光纖激光/冷金屬過渡電弧復(fù)合焊和光纖激光/脈沖電弧復(fù)合焊技術(shù)研究；長春理工大學(xué)研究了熔滴過渡模式對超高強(qiáng)度鋼CO2激光/MAG 復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性的影響；西安交通大學(xué)開展了超高強(qiáng)度鋼20MnTiB 和D406A 的光纖激光/MAG 復(fù)合焊接研究。

1 試驗

1.1 材料

采用的試驗材料為Q690 高強(qiáng)鋼，化學(xué)成分如表1 所示，常溫下其屈服強(qiáng)度為690 MPa，抗拉強(qiáng)度為770～940 MPa，伸長率大于 14%。焊絲選擇直徑為1.2 mm 及1.6 mm 的80 kg 級HS110 焊絲。

表1 Q690 化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of Q690

1.2 方法

采用的焊接試驗設(shè)備主要有光纖激光器、機(jī)器人。其中，光纖激光器形貌為IPG YLS-4000，其工作方式可設(shè)置為連續(xù)或調(diào)制輸出，最大功率為4000 W，激光波長為1070 nm，光束質(zhì)量BPP≥2；焊絲干伸長為10 mm。坡口形式及加工：根據(jù)光纖激光-MIG 復(fù)合焊大厚板特點，設(shè)計能夠焊透的U 型坡口，坡口角度采用45°，用刨床加工坡口。采用純氬氣保護(hù)氣體，氣體流量為20 L/min。為確保結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量并減小焊接變形，采用多層單道焊接方式。

1.3 光纖激光-MIG 復(fù)合焊試驗過程

試樣切割面的氧化渣在焊前必須清除干凈，采用清水沖洗，并仔細(xì)刷洗，使坡口表面小顆粒殘渣去掉，清水沖洗3 遍后，改用乙醇進(jìn)行坡口去油去污清理，使用棉簽清理坡口根部，最后保證坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)應(yīng)嚴(yán)格除去水、油和銹等臟物。焊縫邊緣與母材熔合線必須熔合良好，光滑過渡，不允許出現(xiàn)未熔合、咬邊等焊接缺陷。每層焊縫施焊前，要清除灰塵及氧化渣，并清理焊縫表面雜質(zhì)以減少氣孔等。焊接前先檢查焊接氣路是否有漏氣或其他故障，焊絲是否送絲順暢，從焊接設(shè)備上保證少出現(xiàn)氣孔及其他焊接缺陷。

打開激光器后開始校正各種參數(shù)，激光器采用0離焦量，激光頭離試驗臺平面（矯正距離）為106 mm，激光焊槍之間夾角選用30°～40°，采用焊接形式為激光在前電弧在后，焊接電壓選用20 V，焊槍移動速度為60 m/s，送絲速度選用6.7 m/min。為了充分利用激光能量密度高的優(yōu)勢，一般選擇較大的激光功率，增加熔深，提高焊接效率；然而，對于厚板多層非熔透焊接，激光的作用主要是引導(dǎo)電弧深入坡口底部，實現(xiàn)窄間隙焊接，而不是增加熔深，如果激光功率較大，激光匙孔的深度較大，匙孔不穩(wěn)定，匙孔閉合后形成的氣泡來不及逸出，冷卻凝固后形成氣孔，因此，本次光纖激光-MIG 復(fù)合焊選用激光功率2500 W 進(jìn)行試驗。

確定合適的激光與電弧間距非常重要，一般而言，激光功率和電弧功率較小時，形成的激光光致等離子體和電弧也較小，因此，選擇較小的激光與電弧間距，隨著激光功率和電弧功率的增加，最佳的激光與電弧間距也隨著增加。針對2500 W 激光功率，經(jīng)試驗對比，選擇光絲間距為3 mm。

本次試驗采用多層多道焊接方式，第一道作為打底焊，需保證焊縫的熔合無缺陷，焊接結(jié)束后發(fā)現(xiàn)焊縫底部部分部位未熔合，采取應(yīng)對措施為反轉(zhuǎn)試樣正反面，在背面單獨使用激光進(jìn)行焊縫重熔，重熔后焊縫成形良好。焊接第2 層焊縫時，調(diào)節(jié)焊槍上移2 mm，進(jìn)行第二次焊接，采用同一焊接方向進(jìn)行試驗。第2層到第5 層時每層采用兩道焊縫。對高強(qiáng)鋼試樣分別進(jìn)行第6—9 層焊接，從而提高焊接過程的靈活性和精度，確保結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量和減小焊接變形，另外，便于根據(jù)待焊接縫隙的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少焊絲用量，有效適應(yīng)深寬比大的待焊接縫隙。

進(jìn)行完最后一道焊縫焊接后，觀察焊縫表面，確保接頭表面余高不超過2 mm，如果余高較大，焊縫表面凸起，過渡不圓滑，易造成應(yīng)力集中，對采煤機(jī)電控箱焊接結(jié)構(gòu)防爆隔爆性能不利。取出實驗臺上試樣，對表面飛濺進(jìn)行清理，防止飛濺殘留在工件上，造成試樣件尺寸誤差，影響后續(xù)的性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的金像組織分析

對激光-MAG 復(fù)合焊接頭金相組織進(jìn)行了觀察，如圖2 所示。通過金像組織的分析，發(fā)現(xiàn)Q690激光-MAG 復(fù)合焊的母材部位為回火索氏體組織，熱影響區(qū)為鐵素體加索氏體及少量貝氏體，焊接接頭主要組織為馬氏體加少量貝氏體。

圖2 光纖激光-MIG 復(fù)合焊接頭金相照片F(xiàn)ig.2 Optical fiber laser-MIG composite welding metallography

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能分析

Q690 復(fù)合焊接頭拉伸時均在焊縫處發(fā)生斷裂，如圖3 所示。拉伸試驗所得數(shù)據(jù)見表2。從表2 可以看到，Q690 復(fù)合焊接頭的抗拉強(qiáng)度約為610 MPa，屈服強(qiáng)度約為520 MPa。

采煤機(jī)在礦井服役過程中經(jīng)常會受到掉落煤塊的沖擊，為了驗證光纖激光-MIG 復(fù)合焊接頭的性能，進(jìn)行了沖擊試驗，得到1#,2#,3#試樣的沖擊吸收功分別為151.3,154.5,147 J?？梢钥吹剑琎690 鋼激光-MIG電弧復(fù)合焊接頭的沖擊吸收功約為150 J，該結(jié)果表明焊接接頭能夠抵抗礦井服役時所發(fā)生的煤塊跌落碰撞。

表2 拉伸試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Tensile test data

圖3 不同焊接鋼板的拉伸斷口Fig.3 Tensile fracture of different welded steel plates

2.3 焊接接頭的掃描電鏡分析

在掃描電鏡下觀察拉伸斷口，結(jié)果如圖4 所示，對比觀察不同放大倍數(shù)下的掃描圖片，可以發(fā)現(xiàn)Q690 鋼的拉伸斷口為以韌窩為主要特征的韌性斷口。對斷口進(jìn)行EDS 分析，結(jié)果如圖5 所示，可以看到，斷口上O 元素含量較高，說明在焊接過程中有微量的O 元素進(jìn)入到熔池中，容易導(dǎo)致接頭塑性降低，在后續(xù)焊接中應(yīng)盡量避免。

沖擊斷口形貌見圖6，可以看到，Q690 鋼的沖擊斷口由大量韌窩組成，為明顯的韌性斷裂。但是在斷口上發(fā)現(xiàn)尺寸約為150 μm 的氣孔，氣孔的存在將會導(dǎo)致接頭性能下降。

圖4 拉伸斷口形貌Fig.4 Morphology of tensile fracture

圖5 拉伸斷口EDS 分析Fig.5 EDS analysis of tensile fracture

圖6 沖擊斷口形貌Fig.6 Morphology of impact fracture

3 結(jié)論

設(shè)計了Q690 鋼板的光纖激光-MAG 復(fù)合焊工藝方案，并對獲得的焊接接頭性能進(jìn)行了分析，論證了此種焊接方法獲得的焊接接頭在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的局限性和解決方法，主要得到以下結(jié)論。

1）采用光纖激光-MAG 復(fù)合焊工藝方案的焊接接頭拉伸性能低于母材性能，拉伸斷口在焊接接頭處產(chǎn)生，分析原因在于焊縫內(nèi)存在微量氣孔，導(dǎo)致焊接接頭結(jié)合不緊密，使拉伸試驗出現(xiàn)了脆性斷裂。

2）焊接接頭抗拉強(qiáng)度低于母材。在焊縫處發(fā)生斷裂。拉伸斷口和沖擊斷口均表現(xiàn)為韌性斷口形貌，但是在沖擊斷口上觀察到明顯的氣孔。

3）通過金像組織的分析，光纖激光-MAG 復(fù)合焊的母材部位為回火索氏體組織，熱影響區(qū)為鐵素體加索氏體及少量貝氏體，焊接接頭主要組織為馬氏體加少量貝氏體，焊縫區(qū)整體組織性能優(yōu)于母材，保證采煤機(jī)電控箱隔爆性能要求。