劉俊,賈玉發(fā),萬華,魏康明
銘鐳激光智能裝備(河源)有限公司 廣東河源 517000
Q355低合金高強鋼具有高強度、高塑性、高韌性的特點,廣泛應用于橋梁、車輛、船舶、建筑物、壓力容器及特種設備等領域[1]。傳統(tǒng)的焊接方式采用CO2氣體保護焊,在焊接中厚板T形接頭時需要開坡口,進行多層多道焊接,存在焊接效率低、焊接變形量大及焊接接頭質(zhì)量差等問題[2-4]。激光-MAG復合焊將激光與電弧兩種熱源相結合,可減少焊道層數(shù),降低熱變形,具有焊接效率高、焊縫熔深大等優(yōu)點[5-8]。因此,研究T形接頭激光-MAG復合焊接工藝對實際生產(chǎn)具有重要意義。
本文采用20kW光纖激光器進行激光-MAG復合焊接,對中厚板T形接頭Q355低合金高強鋼雙面焊接工藝進行研究,確定了復合焊接參數(shù)對焊縫成形的影響。
焊接試件為10~50m m厚的Q355低合金高強鋼。試件截面尺寸為300mm×150mm,接頭形式為T形接頭角焊縫、不開坡口。焊絲牌號為ER50-6,直徑1.2mm。焊接前處理掉表面氧化層、鐵銹,并用異丙醇擦拭焊接位置,去除油污、水和灰塵。試驗材料的化學成分及力學性能分別見表1、表2[9]。
表1 試驗材料化學成分(質(zhì)量分數(shù))(%)
表2 試驗材料力學性能
試驗采用創(chuàng)鑫MFMC20000光纖激光器,最大輸出功率20kW,激光波長1064nm,準直100mm,聚焦300mm,聚焦后的光斑直徑0.45mm;弧焊系統(tǒng)采用福尼斯TPS 500i焊機,最大焊接電流500A,保護氣體為80%Ar+20%CO2混合氣體。激光-MAG復合焊接試驗裝置如圖1所示。先對兩塊試板定位焊成T形接頭,再使用虎鉗夾緊固定,板材水平放置焊接。
圖1 試驗裝置
在T形接頭中,由于激光主要負責熔深穿透板材,所以激光入射方向需要盡量與焊接端面重合,但底板與焊接接頭存在干涉情況,導致激光無法水平焊接焊縫,與水平底板存在一定的角度,此角度為激光的入射角度(見圖2)。為確保焊縫全熔透激光從背面焊縫位置穿透,因此焊縫正面激光焊接位置點位于T形立板上。
圖2 焊接角度、位置示意
實際焊接測試時,不同厚度的板材焊接熔池形狀不同。當熔深為8mm時,激光與弧焊熔池無明顯過渡,焊縫宏觀金相整體呈三角形;當熔深為8~12mm時,激光與弧焊熔池有分離傾向,焊縫宏觀金相呈“喇叭”狀;當熔深>12mm時,激光與弧焊熔池明顯區(qū)分開,弧焊熔池集中在焊縫表面位置,激光在焊縫中下位置,整體宏觀金相呈“釘子頭”狀。隨著板材厚度的不斷增加,焊縫熔寬從6mm逐漸縮小到2mm。
當激光入射角度太大、焊接位置偏上時,容易造成板材拼接處出現(xiàn)焊偏、未熔合的現(xiàn)象。同時為避免焊接頭與底板干涉,實際焊接時選取較大的激光入射角度,焊接位置偏向焊縫底板處,在焊接薄板時,可發(fā)現(xiàn)熔池能從焊縫背面的底板上表面穿透出來。
試驗得出不同厚度下最佳激光角度和焊接位置(與地板距離)見表3。
表3 不同厚度的激光入射角度與位置
當板厚>12mm時,激光-MAG復合焊接效果變差,弧焊熔池無法跟隨激光進入板材深處,焊縫中下部激光的熔寬很窄,容易出現(xiàn)焊偏、未熔合現(xiàn)象。因此,需大幅調(diào)整激光入射角度,使激光束始終在焊縫附近。當板材厚度>18mm時,激光入射角度已經(jīng)降至最小角度7°。調(diào)節(jié)激光焊接位置靠近底板時,焊縫偏向底板,有效熔深變淺;激光焊接位置遠離底板時,會使焊縫上表面激光與弧焊過渡點出現(xiàn)焊偏缺陷,以及未焊到底板上的現(xiàn)象。
當焊接板厚>12mm時,激光入射角度顯著減小,焊縫內(nèi)部極易出現(xiàn)焊偏、未熔合等缺陷。激光復合焊適應性降低,根本原因在于激光-MAG復合焊效果變差,熔寬太窄。此狀態(tài)下極限焊接厚度為18mm。焊接板厚18mm以上板材時需改善焊縫熔池形狀,增加焊縫寬度。
當激光功率為8kW、焊接電流為240A、電弧電壓為26V、焊接速度為0.9m/min、焦點為-2mm時,不同的預留間隙下激光-MAG復合焊接16mm厚T形接頭焊縫宏觀金相如圖3所示。
圖3 不同預留間隙下激光-MAG復合焊接T形接頭焊縫宏觀金相
由圖3可知,當焊縫預留間隙為0mm時,激光焊接熔深為9mm,激光熔寬較窄;當預留間隙為0.5mm時,焊縫熔深增加到11mm,激光熔寬變化不明顯;當預留間隙為1mm時,焊縫熔深增加到13mm,熔寬明顯增加;當預留間隙為1.5mm時,完全熔透16mm板材,焊縫熔寬進一步變大。隨著預留間隙的不斷增大,焊縫熔深、熔寬也隨之增加;當預留間隙在0.5mm以內(nèi)時,熔深增加比較明顯;當預留間隙為0.5~1mm時,熔深增加,熔寬緩慢變寬;當預留間隙>1mm時,焊縫熔深、熔寬明顯增加,焊縫熔池形態(tài)變好,焊接適應性增加。
當焊接電流為260A、電弧電壓為28.4V、離焦量為0mm、縫隙為0.7mm時,激光-電弧復合焊接激光功率對熔深的影響如圖4所示。不同離焦量下激光功率對復合焊熔深的影響不同。
圖4 激光功率對熔深的影響
當厚度≤8mm時,激光和電弧焊兩種熱源耦合效果很好,焊縫熔深明顯大于單獨激光焊接時的熔深;當厚度>8mm時,弧焊熔深無法很好地滲透到焊縫底部,復合焊接熔深與單獨激光焊接熔深接近。
激光離焦量決定了激光焊接時的能量密度、小孔的穩(wěn)定性。試驗了不同焦點下的焊縫熔深與離焦量為0mm時的熔深比,如圖5所示。
圖5 離焦量對熔深的影響
由圖5可知,當激光離焦量在-8mm以下時,熔深快速降低,在到達-10mm時降低速率變緩,最終在-17mm時達到0mm離焦量熔深的0.5倍;當離焦量為-8mm時,熔深達到最大,為0mm離焦量熔深的1.4倍;離焦量從-8~+15mm時,激光熔深逐漸減少到0mm,為離焦量熔深的0.5倍。
為測試20kW激光-MAG復合焊能否雙面焊透50mm厚T形接頭焊縫,在30mm厚T形接頭焊縫上測試單面焊接熔深。當激光功率為20kW時,直接穿透30mm厚T形接頭;當降低功率到17kW時,焊接熔深控制為27mm,宏觀金相如圖6所示。
圖6 30mm厚T形接頭宏觀金相
當激光入射角度為8°、激光功率為17kW、焊接位置1.5mm、離焦量為-8mm、焊接速度為0.6m/min、焊接電流為280A、電弧電壓為29.5V時,雙面焊透50mm,焊縫內(nèi)部無明顯缺陷,宏觀金相如圖7所示。
1)不同厚度板材的激光入射角度不同,板材越厚激光入射角度越小。當激光入射角度<7°時,容易直接焊到豎板上,出現(xiàn)焊偏的現(xiàn)象。
2)合適的間隙有利于提升焊接熔深、熔寬,改善焊縫內(nèi)部熔池形狀。當預留間隙為1.2mm時焊縫熔池形狀最好。
3)激光功率與熔深整體呈線性關系,熔深隨激光功率的增加而增加;合適的離焦量可以顯著增加熔深,在激光-MAG復合焊接中,當離焦量為-8mm時熔深達到最大,為離焦量0mm時熔深的1.4倍。
4)當預留1.2mm間隙、激光功率17kW,離焦量-8mm時,以0.6m/min的焊接速度可雙面焊透50mm厚T形接頭焊縫。