陳兵CHEN Bing；彭春濤PENG Chun-tao；向紅明XⅠANG Hong-ming

（寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，石嘴山 753001）

0 引言

激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)是一種特種加工技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了激光與電弧兩種特殊焊接技術(shù)特點(diǎn)，在焊接中，激光利用自身特性單獨(dú)作為熱源焊接時(shí)極容易形成有效焊接熔池，形成的激光焊接熔池“深而窄”，焊材焊接焊縫開(kāi)口面積小、焊縫深度大，焊接質(zhì)量不可靠，不利于焊材之間的焊縫成型；MAG 焊接熔池“淺而寬”，焊材開(kāi)口面積大、深度小、焊材之間相互橋接能力強(qiáng)，易于焊接，焊接成型質(zhì)量可靠[1]。激光焊與MAG 焊同時(shí)作用于同一熔池，相互形成較強(qiáng)的激光電弧，電弧平穩(wěn)不分散，激光-MAG 復(fù)合焊接繼承了激光焊與電弧焊的優(yōu)點(diǎn)，極大彌補(bǔ)了各自的缺陷與不足。復(fù)合焊接技術(shù)在機(jī)械行業(yè)焊接過(guò)程中適應(yīng)于中、大厚度焊材的焊接。激光與電弧在焊接時(shí)，熱源焊接形成等離子體，等離子體與焊材之間形成穩(wěn)定的導(dǎo)電通道，等離子體間的相互作用，電弧與光致等離子體相互間的作用疊加可以提高復(fù)合熱源能量的利用率，使焊接過(guò)程更穩(wěn)定，焊接效率更高[1]。

1 激光-MAG 復(fù)合焊接優(yōu)勢(shì)

①焊縫熔深大。激光與電弧的相互作用使焊縫熔深增加，由于激光的能量密度很高，當(dāng)能量密度到達(dá)激光深熔焊時(shí)與電弧復(fù)合后，熔透能力進(jìn)一步增強(qiáng)。加入電弧使其焊縫上部熔寬增加，有利于焊縫成形，同時(shí)提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性與焊縫熔深[2][3]。

圖1 激光-電弧復(fù)合焊接原理圖

②焊接接頭的間隙適應(yīng)性好。單激光束焊接時(shí)，焊件受熱面、熔寬積較小，熔深較大，電弧焊恰恰相反，焊件受熱面積相對(duì)較大，焊縫寬而淺，對(duì)工件裝配要求較低。當(dāng)兩種熱源復(fù)合在一起焊接時(shí)，熔池液態(tài)金屬對(duì)流及搭接，在間隙較大時(shí)就可實(shí)現(xiàn)良好的焊接。

③提高接頭質(zhì)量、減少焊接缺陷。單激光焊的峰值溫度高，溫度梯度大，液態(tài)金屬冷卻凝固時(shí)間短，不利于氣孔的溢出，激光焊熔深較大，熔寬較小，焊縫成形系數(shù)小，裂紋傾向嚴(yán)重。電弧的峰值溫度低，焊件受熱面積大，溫度梯度小，冷卻速度慢，液態(tài)金屬凝固時(shí)間長(zhǎng)，氣孔溢出時(shí)間充足，能有效地緩解接頭應(yīng)力集中，降低了裂紋率。

④焊接過(guò)程穩(wěn)定。激光對(duì)電弧有壓縮和吸引的作用，隨著激光功率的增加而增強(qiáng)，當(dāng)激光功率達(dá)到一定值時(shí)，電弧能量通過(guò)小孔和熔池流動(dòng)進(jìn)入熔池底部，提高電弧焊質(zhì)量，焊接過(guò)程穩(wěn)定性增強(qiáng)。單激光焊的等離子體輻射較弱，MAG 電弧明顯強(qiáng)于單激光焊，當(dāng)兩種焊接熱源復(fù)合后，其光譜輻射強(qiáng)度基本與MAG 焊的輻射光譜相似，復(fù)合后，電弧熱循環(huán)溫度升高及焊接熔池的Fe 蒸氣濃度增加，形成的電離通道擴(kuò)大，加寬了電弧的作用范圍，起到穩(wěn)弧的作用[2]。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

圖2 等離子輻射光譜

⑤提高焊接速度，降低生產(chǎn)成本。激光可以穩(wěn)定電弧，同時(shí)提高激光能量利用率，兩種焊接熱源相互作用提高了熱源密度，焊接速度也得到提高；對(duì)于中、厚板開(kāi)坡口的焊接結(jié)構(gòu)，提高了單層焊縫金屬填充量，從而提高焊接效率，降低生產(chǎn)成本。

⑥減小焊接變形量。通過(guò)預(yù)熱利用激光焊接的高熔深的特點(diǎn)，避免使用增加電流的方式增加熱輸入而起到增加熔深的效果，可以將輸入熱量降到最低，減少焊接變形量。

2 激光-MAG 復(fù)合焊接工藝研究

2.1 試驗(yàn)

中部槽中底板材料均為耐磨鋼，組織為馬氏體組織，合金元素含量高，根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算公式，耐磨鋼板焊接性比較差，鋼板成分在焊接熱循環(huán)的作用下會(huì)使焊縫及熱影響區(qū)組織發(fā)生變化，不利于焊接，耐磨鋼材在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)冷裂傾向、焊接熱影響區(qū)軟化及韌性下降、焊接接頭的疲勞失效等問(wèn)題。ZG30SiMn 合金元素C=0.27%～0.33%、Si=0.6%～0.8%、Mn=1.2%～1.6%含量成分比重較大，“脆硬溫度區(qū)”較大。為了獲得高強(qiáng)耐磨性能，鑄后通過(guò)正火和調(diào)質(zhì)處理，淬火后組織以板條狀馬氏體為主，高溫回火后為細(xì)小的索氏體組織。ZG30SiMn 與NM400 焊接屬于異種高強(qiáng)鋼的焊接，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生馬氏體脆性層、接頭軟化區(qū)、線脹系數(shù)差異導(dǎo)致的裂紋等缺陷，焊接難度較大[3]。

本次試驗(yàn)選用板厚50mm 的NM400 耐磨板（布氏硬度為400HB）和ZG30SiMn 槽幫進(jìn)行異種鋼焊接工藝研究，焊材選擇直徑?1.2mm 的ER69-G 焊絲，試板尺寸為350×150×50mm，使用機(jī)械加工的方法消除表面鐵銹，進(jìn)行多種形式的坡口加工，坡口形式如圖3 所示，用不同間隙研究間隙量以及焊接工藝對(duì)中部槽焊接變形量的影響。

表2 材料力學(xué)性能

圖3 焊接坡口形式示意圖

2.2 方法及工藝

焊接試驗(yàn)采用激光—MAG 復(fù)合焊接方式，在焊材復(fù)合焊接時(shí)采用激光在前電弧在后的焊接方式，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。

采用垂直焊接，垂直焊接方向截取焊縫斷面，焊材表面拋光出來(lái)，硝酸溶液腐蝕拋光表面，在光學(xué)顯微鏡觀察焊縫金相組織。顯微鏡下焊縫組織為柱狀晶。光學(xué)顯微鏡原奧氏體晶界（AGB）組織較為明顯，焊縫間金相組織為貝氏體（B）組織，焊材兩側(cè)過(guò)熱區(qū)組織均為：馬氏體（M）+貝氏體（B）。相同熱輸入下，鑄鋼側(cè)過(guò)熱區(qū)比耐磨側(cè)過(guò)熱區(qū)馬氏體組織多，且晶粒尺寸較粗大，兩側(cè)過(guò)熱區(qū)組織均大于焊縫區(qū)域組織。熱輸入增加，焊縫區(qū)和熔合線處的晶粒尺寸明顯增大，柱狀晶區(qū)寬度增加。馬氏體組織向貝氏體組織轉(zhuǎn)變，馬氏體含量減少貝氏體增多[4]。

3 激光-MAG 復(fù)合焊接對(duì)變形的影響及控制

焊接過(guò)程中由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件焊接變形，焊件各部分相互連接而存在較大的拘束應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力積聚產(chǎn)生焊接變形。產(chǎn)品的焊接變形影響加工精度與產(chǎn)品組裝，影響產(chǎn)品使用壽命，因此減少中部槽的焊接變形迫在眉睫。最常見(jiàn)的焊接變形主要為收縮變形、橫向變形、翹曲變形等。中部槽焊接部位主要為中底板與鑄造槽幫之間的焊接，中板與鑄造槽幫焊接過(guò)程中，焊縫及兩邊焊接高溫區(qū)發(fā)生膨脹，焊縫區(qū)域組織經(jīng)歷復(fù)雜塑性變形，焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，自然冷卻與人工冷卻時(shí)焊縫兩邊收縮，焊接變形受到中板及槽幫低溫部分的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生橫向收縮變形，橫向變形收縮量受到間隙、焊接層數(shù)的影響，焊接層數(shù)的越多而焊接變形越大，橫向收縮變形主要受前兩層焊道的影響?？刂茩M向收縮主要在于控制最初兩層焊道的熱輸入。通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)，控制中部槽焊接間隙，能有效降低焊縫收縮量[5]。

3.1 避免使用加強(qiáng)筋

利用剛性固定法的原理，焊接支撐拉筋為了增加結(jié)構(gòu)件的剛性和強(qiáng)度，保護(hù)結(jié)構(gòu)件打底焊接的穩(wěn)定性，通過(guò)增加拘束的方法可以有效地減小焊接變形。通過(guò)試驗(yàn)證明，焊接支撐拉筋對(duì)增強(qiáng)穩(wěn)定性，防止焊接變形有著重要的作用。但是拉筋需要人工手動(dòng)點(diǎn)固，在中板焊接完成之后將其切割下來(lái)，不僅增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了輔助工作時(shí)間，耗費(fèi)焊接材料，降低了生產(chǎn)效率。

通過(guò)使用激光-電弧復(fù)合焊接可以在不使用拉筋的前提下進(jìn)行焊接，而且可以在小間隙下充分焊透。對(duì)于激光焊接而言，由于其光斑直徑較小，如果焊接間隙大于光斑直徑，就會(huì)使能量略過(guò)焊道，無(wú)法焊接成型，所以單純的激光對(duì)焊接間隙的要求比較高，通過(guò)加入電弧之后，電弧可以有效地促進(jìn)“搭橋”作用，增加激光對(duì)間隙的適應(yīng)性，降低對(duì)裝配精度的要求，也可以有效地提高生產(chǎn)效率。普通電弧焊的電弧寬度無(wú)法精確控制，受電流、電壓、干伸長(zhǎng)等焊接參數(shù)以及工件表面狀態(tài)的影響比較大，激光焊接的能量比較集中，熔化的材料比較少，焊接熱輸入低，在低焊接熱循環(huán)的作用下，產(chǎn)生較小的焊接熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，焊縫熔敷組織發(fā)生較小的相變，可以有效降低變形量。

3.2 減小焊接間隙

對(duì)于中部槽的打底焊接而言，如果使用普通MAG 焊接方法進(jìn)行焊接，為了保證充分焊透，增加熔深，在焊接時(shí)需要留有一定量的間隙，間隙隨著坡口角度、坡口形式、鈍邊尺寸的不同而有所變化。隨著間隙的增加，填充的熔敷金屬量就隨之增加，焊接熱輸入也會(huì)增加。這就導(dǎo)致焊接熱循環(huán)對(duì)母材的作用程度加劇，焊接熱影響區(qū)相變溫度以上的停留時(shí)間增加，晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯，相變應(yīng)力和組織應(yīng)力加劇作用到結(jié)構(gòu)件上，會(huì)增加焊接變形的趨勢(shì)。

激光在前電弧在后的激光-MAG 復(fù)合焊接，利用激光具有高熔深的特點(diǎn)，中部槽中底板與槽幫對(duì)接接頭表面在激光束的作用下，溫度迅速上升到沸點(diǎn)，金屬迅速蒸發(fā)形成蒸汽壓力、反沖力等克服熔融金屬的表面張力以及液體的靜壓力等而形成小孔，深入材料內(nèi)部，形成深寬比較大的焊縫，可以在小間隙或者無(wú)間隙的情況下完成焊接，而且由于激光束密度集中，可以減小焊接坡口的角度，從而降低焊接熱循環(huán)對(duì)母材的作用，減小焊接變形。

3.3 減少中部槽焊接變形的方法

控制焊接變形的方法主要有：反變形法、剛性固定法、焊前預(yù)熱、多層多道焊、控制熱輸入、選擇合適的焊接順序等方法均可有效控制變形。

3.3.1 控制預(yù)熱溫度 預(yù)熱可以減小焊縫金屬和母材的溫度差，從而降低焊接內(nèi)應(yīng)力值，減小變形量。預(yù)熱不僅能提高焊縫金屬的抗裂性，而且還有益于降低熔合線附近區(qū)域的硬度，降低裂紋傾向。由于中部槽焊接母材分別為NM400、ZG30MnSi、BNTM、BTM，屬于異種高強(qiáng)鋼的焊接，如果焊接熱輸入過(guò)大，會(huì)加劇碳遷移的作用，造成接頭軟化和硬化現(xiàn)象。而且NM400 和ZG30SiMn 屬于低合金高強(qiáng)鋼，二者的碳當(dāng)量都較高，焊接性較差。激光焊接屬于高熔深的特種焊接方法，焊縫深寬比較大，容易產(chǎn)成焊接裂紋，所以需要進(jìn)行焊前預(yù)熱。對(duì)于不同鋼材而言，由于其臨界冷卻速度不同，預(yù)熱溫度也不相同，同時(shí)鋼板的厚度、焊接方法的選擇對(duì)預(yù)熱溫度也有不同的要求。如果預(yù)熱溫度過(guò)小，冷卻速度大于臨界冷卻速度，會(huì)在冷卻過(guò)程中生成馬氏體組織，造成接頭淬硬組織增多，容易產(chǎn)生裂紋，如果預(yù)熱溫度過(guò)高，增加熱影響區(qū)的范圍，使焊接變形量增大。所以需要控制預(yù)熱溫度范圍。

①對(duì)于預(yù)熱溫度的確定，首先需要確定輸入的線能量的值，不同的焊接方法焊接熱效率不同，激光焊接熱效率相比于電弧的熱效率更高。Hn=EIf1/V

Hn-線能量J/mm；E-電壓（V）；I-電流（A）；f1-熱效率；V-焊速（mm/s）。

②由于板厚的不同，預(yù)熱溫度的計(jì)算公式也不同，而且板厚只是一個(gè)相對(duì)概念，所以在實(shí)際工作中引入“相對(duì)板厚”的概念，相對(duì)板厚大于0.75 屬于厚板，小于0.75 屬于薄板

τ：相對(duì)板厚；Tc：過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變珠光體的溫度。

③每種鋼的臨界冷卻速度值都不相同，預(yù)熱溫度的確定和臨界冷卻速度密切相關(guān)，施加預(yù)熱溫度的目的是為了冷卻速度低于臨界速度。R=2πkcp（t/Hn）2-（Tc-T0）3

④確定預(yù)熱溫度T0

T0：母材初始的均勻溫度；k：金屬熱導(dǎo)率。通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算與研究，激光MAG 焊的預(yù)熱溫度在100℃-150℃最佳。

3.3.2 避免分段退焊 中部槽長(zhǎng)度一般在1.5m 以上，焊縫較長(zhǎng)，使用普通MAG 焊焊接時(shí)，在組裝時(shí)候，人工進(jìn)行打底點(diǎn)固，焊接時(shí)從中間向兩端焊，采取分段退焊法來(lái)改變應(yīng)力分布，從而減小焊接應(yīng)力和變形。先將長(zhǎng)焊縫分成幾段進(jìn)行點(diǎn)固焊接。使用激光-MAG 復(fù)合焊接，配合專(zhuān)有組裝夾具，可以免去分段退焊點(diǎn)固的工序，節(jié)約工作時(shí)間，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.3.3 避免預(yù)置反變形 使用激光-MAG 復(fù)合焊可以直接在操作臺(tái)上進(jìn)行組裝焊接，利用激光熔深大、熱量集中、變形小的特點(diǎn)可以避免使用預(yù)置變形，就可以實(shí)現(xiàn)小變形甚至無(wú)變形的焊接，大大提高了生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免因?yàn)橛?jì)算失誤導(dǎo)致的成品件的返工和損失。

4 總結(jié)

①為了控制中部槽焊接變形，針對(duì)激光-MAG 電弧復(fù)合熱源具有焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊縫熔透性好、焊接熱輸入小的特點(diǎn)，對(duì)中板焊接變形最大的打底焊接進(jìn)行了工藝優(yōu)化研究，獲得了焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊縫熔透性好的激光-MAG電弧復(fù)合熱源最佳打底焊接工藝，其焊縫成型良好，焊縫質(zhì)量、熔透與焊接變形滿足要求。②通過(guò)使用激光-MAG電弧復(fù)合焊接，對(duì)于控制焊接變形而言?？梢员苊馐褂眉訌?qiáng)筋固定、減小焊接問(wèn)隙、避免分段退焊、取消預(yù)置變形量等工作所帶來(lái)的人工、能源、效率的消耗，降低對(duì)工裝夾具精度的要求，可以有效地提升生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。