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        中厚板T形接頭激光-MAG復(fù)合焊接工藝研究

        2023-12-25 10:19:36劉俊賈玉發(fā)萬華魏康明
        金屬加工(熱加工) 2023年12期
        關(guān)鍵詞:焦量熔深弧焊

        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

        1 序言

        Q355低合金高強(qiáng)鋼具有高強(qiáng)度、高塑性、高韌性的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、建筑物、壓力容器及特種設(shè)備等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的焊接方式采用CO2氣體保護(hù)焊,在焊接中厚板T形接頭時(shí)需要開坡口,進(jìn)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(fù)合焊將激光與電弧兩種熱源相結(jié)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(diǎn)[5-8]。因此,研究T形接頭激光-MAG復(fù)合焊接工藝對實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

        本文采用20kW光纖激光器進(jìn)行激光-MAG復(fù)合焊接,對中厚板T形接頭Q355低合金高強(qiáng)鋼雙面焊接工藝進(jìn)行研究,確定了復(fù)合焊接參數(shù)對焊縫成形的影響。

        2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

        2.1 試驗(yàn)材料

        焊接試件為10~50m m厚的Q355低合金高強(qiáng)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(yàn)材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1、表2[9]。

        表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

        表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

        2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

        試驗(yàn)采用創(chuàng)鑫MFMC20000光纖激光器,最大輸出功率20kW,激光波長1064nm,準(zhǔn)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(jī),最大焊接電流500A,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2混合氣體。激光-MAG復(fù)合焊接試驗(yàn)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(yàn)裝置

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 焊接角度與位置的確定

        在T形接頭中,由于激光主要負(fù)責(zé)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(dǎo)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(diǎn)位于T形立板上。

        圖2 焊接角度、位置示意

        實(shí)際焊接測試時(shí),不同厚度的板材焊接熔池形狀不同。當(dāng)熔深為8mm時(shí),激光與弧焊熔池?zé)o明顯過渡,焊縫宏觀金相整體呈三角形;當(dāng)熔深為8~12mm時(shí),激光與弧焊熔池有分離傾向,焊縫宏觀金相呈“喇叭”狀;當(dāng)熔深>12mm時(shí),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(dāng)激光入射角度太大、焊接位置偏上時(shí),容易造成板材拼接處出現(xiàn)焊偏、未熔合的現(xiàn)象。同時(shí)為避免焊接頭與底板干涉,實(shí)際焊接時(shí)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(shí),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(yàn)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(dāng)板厚>12mm時(shí),激光-MAG復(fù)合焊接效果變差,弧焊熔池?zé)o法跟隨激光進(jìn)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(dāng)板材厚度>18mm時(shí),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(shí),焊縫偏向底板,有效熔深變淺;激光焊接位置遠(yuǎn)離底板時(shí),會使焊縫上表面激光與弧焊過渡點(diǎn)出現(xiàn)焊偏缺陷,以及未焊到底板上的現(xiàn)象。

        3.2 預(yù)留間隙對焊縫成形的影響

        當(dāng)焊接板厚>12mm時(shí),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(fù)合焊適應(yīng)性降低,根本原因在于激光-MAG復(fù)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(shí)需改善焊縫熔池形狀,增加焊縫寬度。

        當(dāng)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(diǎn)為-2mm時(shí),不同的預(yù)留間隙下激光-MAG復(fù)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(yù)留間隙下激光-MAG復(fù)合焊接T形接頭焊縫宏觀金相

        由圖3可知,當(dāng)焊縫預(yù)留間隙為0mm時(shí),激光焊接熔深為9mm,激光熔寬較窄;當(dāng)預(yù)留間隙為0.5mm時(shí),焊縫熔深增加到11mm,激光熔寬變化不明顯;當(dāng)預(yù)留間隙為1mm時(shí),焊縫熔深增加到13mm,熔寬明顯增加;當(dāng)預(yù)留間隙為1.5mm時(shí),完全熔透16mm板材,焊縫熔寬進(jìn)一步變大。隨著預(yù)留間隙的不斷增大,焊縫熔深、熔寬也隨之增加;當(dāng)預(yù)留間隙在0.5mm以內(nèi)時(shí),熔深增加比較明顯;當(dāng)預(yù)留間隙為0.5~1mm時(shí),熔深增加,熔寬緩慢變寬;當(dāng)預(yù)留間隙>1mm時(shí),焊縫熔深、熔寬明顯增加,焊縫熔池形態(tài)變好,焊接適應(yīng)性增加。

        3.3 激光功率、離焦量對焊接熔深的影響

        當(dāng)焊接電流為260A、電弧電壓為28.4V、離焦量為0mm、縫隙為0.7mm時(shí),激光-電弧復(fù)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(fù)合焊熔深的影響不同。

        圖4 激光功率對熔深的影響

        當(dāng)厚度≤8mm時(shí),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(dú)激光焊接時(shí)的熔深;當(dāng)厚度>8mm時(shí),弧焊熔深無法很好地滲透到焊縫底部,復(fù)合焊接熔深與單獨(dú)激光焊接熔深接近。

        激光離焦量決定了激光焊接時(shí)的能量密度、小孔的穩(wěn)定性。試驗(yàn)了不同焦點(diǎn)下的焊縫熔深與離焦量為0mm時(shí)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(dāng)激光離焦量在-8mm以下時(shí),熔深快速降低,在到達(dá)-10mm時(shí)降低速率變緩,最終在-17mm時(shí)達(dá)到0mm離焦量熔深的0.5倍;當(dāng)離焦量為-8mm時(shí),熔深達(dá)到最大,為0mm離焦量熔深的1.4倍;離焦量從-8~+15mm時(shí),激光熔深逐漸減少到0mm,為離焦量熔深的0.5倍。

        3.4 雙面焊接的能力

        為測試20kW激光-MAG復(fù)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(dāng)激光功率為20kW時(shí),直接穿透30mm厚T形接頭;當(dāng)降低功率到17kW時(shí),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(dāng)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(shí),雙面焊透50mm,焊縫內(nèi)部無明顯缺陷,宏觀金相如圖7所示。

        4 結(jié)束語

        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(dāng)激光入射角度<7°時(shí),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(dāng)預(yù)留間隙為1.2mm時(shí)焊縫熔池形狀最好。

        3)激光功率與熔深整體呈線性關(guān)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(fù)合焊接中,當(dāng)離焦量為-8mm時(shí)熔深達(dá)到最大,為離焦量0mm時(shí)熔深的1.4倍。

        4)當(dāng)預(yù)留1.2mm間隙、激光功率17kW,離焦量-8mm時(shí),以0.6m/min的焊接速度可雙面焊透50mm厚T形接頭焊縫。

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