基于大離焦模式的Nd:YAG激光-MAG復合熱源焊接工藝

掌麗華，雷振，秦國梁

（1.徐工機械建設機械分公司，江蘇 徐州 221004；2.機械科學研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱 150028；3.山東大學材料連接技術研究所，山東 濟南 250061）

0 前言

激光-電弧復合熱源焊接是由英國學者Steen于20世紀70年代末提出的[1]，經過20多年的研究與發展，該項焊接技術日益成熟，并逐漸發展成為一種新型、優質、高效的焊接技術。目前，該焊接技術已經在造船、汽車制造、石油化工管道焊接、壓力容器制造、航空航天等領域得到了較為廣泛的應用[2-5]。

從目前的研究和應用狀況來看，激光-電弧復合熱源焊接中所用的激光器主要為YAG固體激光器和CO2激光器。在激光-電弧復合熱源焊接過程中，激光束的光斑直徑盡可能小，得到的激光功率密度非常高，以此來獲得最大的焊縫熔深。與傳統電弧焊相比，小光斑激光-電弧復合熱源焊接可以顯著增大焊縫熔深，提高焊接過程的穩定性，并提高焊接生產效率。盡管半導體激光器具有體積小、價格相對便宜的優點，但是由于半導體激光器產生的激光光斑較大，照射在被焊工件上的激光功率密度相對較低，因此半導體激光器在激光-電弧復合熱源焊接領域沒有得到推廣應用。

基于大離焦模式的激光-電弧復合熱源焊接技術的研究有望將體積小、價格相對便宜的半導體激光器應用于激光-電弧復合熱源焊接，因此研究大離焦激光-電弧復合熱源焊接工藝具有重要的現實意義。

1 試驗設備、材料及方法

試驗所用激光器為德國HASS公司生產的最大額定功率為2 kW的HL2006D型Nd：YAG激光器，試驗中采用焦距為200mm的激光頭；所用焊機為奧地利Fronius公司生產的TPS5000型數字化焊機，焊接過程采用脈沖MAG焊，熔滴過渡頻率為1滴/脈沖。

試驗材料為Q235鋼，試板尺寸為400mm×200 mm×10mm；焊絲為ER50-6碳鋼MAG焊絲，直徑1.2 mm。本試驗通過改變焊接參數在試板上進行堆焊試驗，對得到的焊縫熔深、熔寬及余高進行測量，以此來研究大離焦激光-電弧復合熱源焊縫成形規律。試驗過程中激光離焦量△z=+7mm（規定激光束焦點在工件上表面之上為正離焦）固定不變，Nd：YAG激光離焦量與光斑半徑的關系可由如下公式確定：

式中：R0為激光束焦點半徑（m）；△z為離焦量（m）。

對于焦距f=200mm的透鏡，聚焦激光束的焦點半徑光斑直徑R0=0.3×10-3m。經上述公式計算離焦量△z=+7 mm時，激光束在工件上表面的光斑直徑d=1.73mm。

2 試驗結果與分析

2.1 電弧功率對焊縫成形的影響

在1.5m/min的焊接速度下，固定激光功率（P=2 kW），通過調節送絲速度來改變電弧功率，從而研究電弧功率對焊縫成形的影響。從焊縫的表面成形狀況來看，隨著電弧功率的增大，無論是大離焦Nd：YAG激光-MAG復合熱源焊縫還是單獨MAG焊縫，表面成形越來越差，當焊接電流超過400 A后，在1.5m/min的焊接速度下焊縫都不能很好地成形。但是，在電弧功率合適的情況下，大離焦激光-電弧復合焊縫成形良好，圖1是在其他焊接參數相同的條件下得到的焊縫成形照片,其中，圖1a為大離焦Nd：YAG激光-MAG復合熱源焊縫成形，主要焊接參數為：激光功率2 kW，焊接速度1.5m/min，焊接電流206 A，電弧電壓26.2 V；圖1b為其他焊接參數相同的條件下的單獨MAG焊焊縫成形，主要焊接參數為：焊接速度1.5m/min，焊接電流224 A，電弧電壓25.6 V。通過對兩條焊縫成形的比較可以看出，大離焦Nd：YAG激光-MAG復合熱源焊縫成形美觀，而相同條件下的單獨MAG焊縫已經不能很好地成形。

圖1 焊縫成形照片

圖2為本次試驗得到的焊縫熔深隨電弧功率的變化曲線。從圖2中可以看出，除復合曲線中最后一個點（該點可能是因焊縫成形不好而出現的測量誤差造成的），在相同的電弧功率下復合焊縫熔深要大于單獨MAG焊焊縫熔深，而且這種現象在小電弧功率時更為明顯，在電弧功率小于6 kW時，復合焊縫熔深約為單獨MAG焊縫熔深的一倍左右。

圖2 焊縫熔深隨電弧功率變化曲線

圖3為本次試驗得到的焊縫熔寬隨電弧功率的變化曲線。從曲線可以看出，略去曲線上最后一組有出入的點，大離焦Nd：YAG激光-MAG復合焊縫熔寬要大于相同電弧功率下單獨MAG焊縫熔寬。

2.2 焊接速度對焊縫成形的影響

圖3 焊縫熔寬隨電弧功率變化曲線

圖4 焊縫熔深隨焊接速度的變化曲線

圖4為焊縫熔深隨焊接速度的變化曲線。從圖4中我們可以看出，復合焊縫熔深總是大于相同焊接速度下MAG焊熔深。這種現象在激光與小功率電弧（送絲速度Uf=6m/min，焊接電流為160 A左右）復合的情況下更為明顯，此時大離焦Nd：YAG激光-MAG復合焊縫熔深約為相同條件下單獨MAG焊縫熔深的一倍左右；激光與大功率電?。║f=12m/min，焊接電流為300 A左右）復合的情況下，大離焦Nd：YAG激光-MAG復合焊縫熔深略大于相同條件下的單獨MAG焊縫熔深，焊縫熔深約增加30%～40%。圖5為焊縫熔深隨焊接熱輸入的變化曲線。從圖5中曲線可以看出，大離焦Nd：YAG激光-MAG復合焊縫熔深要大于相同焊接熱輸入下的單獨MAG焊縫熔深，從而能夠說明大離焦激光-電弧復合熱源焊接中，激光與電弧兩種熱源并不是簡單的疊加，激光與電弧之間仍然存在著一系列的相互作用。

圖6為焊縫熔寬隨焊接速度的變化曲線。從圖6中可以看出，大離焦激光與小功率電弧（Uf=6m/min）復合時的復合焊縫熔寬要明顯大于相同條件下單獨MAG焊縫熔寬；而大離焦激光與大功率電弧（Uf=12 m/min）復合時，只有在低速（焊接速度小于1m/min）時，復合焊縫熔寬才大于相同條件下單獨MAG焊焊縫熔寬。圖7為焊縫余高隨焊接速度的變化曲線。從圖7中可以看出，大離焦Nd：YAG激光-MAG復合熱源焊縫余高要小于相同條件下單獨MAG焊焊縫余高。綜合焊縫熔寬、焊縫余高隨焊接速度的變化的規律可以發現，與相同焊接條件下的MAG焊相比，大離焦Nd：YAG激光-MAG復合熱源焊接能夠明顯改善焊縫的表面鋪展性。

圖5 焊縫熔深隨焊接熱輸入的變化曲線

圖6 焊縫熔寬隨焊接速度的變化曲線

圖7 焊縫余高隨焊接速度的變化曲線

圖8 焊縫的余高熔寬比隨焊接速度的變化曲線

為了更好地研究焊縫的鋪展性，我們用焊縫的余高熔寬比r來反映焊縫鋪展性的好壞，焊縫余高熔寬比越小，說明焊縫金屬的鋪展性越好。圖8為焊縫余高熔寬比隨焊接速度的變化曲線。從圖8中可以看出，大離焦激光與小功率電?。║f=6m/min）復合時的復合焊縫余高熔寬比要明顯小于相同條件下單獨MAG焊焊縫余高熔寬比，從而說明復合焊縫的鋪展性好；大離焦激光與大功率電弧（Uf=12m/min）復合時，只有在較低的焊接速度（焊接速度小于1m/min）下，復合焊縫的余高熔寬比才明顯小于相同條件下單獨MAG焊焊縫余高熔寬比。圖9為試驗中在1m/min的焊接速度下送絲速度為6m/min時得到的焊縫橫截面。其中，圖9 a為大離焦Nd:YAG激光-MAG復合熱源焊縫橫截面，圖9 b為相同條件下單獨MAG焊縫橫截面。從圖9中可以看出，大離焦Nd:YAG激光-MAG復合熱源焊縫成形明顯優于單獨MAG焊縫成形，具體表現在復合焊縫熔深、熔寬較大，焊縫余高合適，焊縫的鋪展性良好，可改善接頭的疲勞性能。

圖9 焊縫橫截面照片

3 結論

（1）與相同條件下的MAG焊相比，大離焦（d=1.73 mm）Nd:YAG激光-MAG復合熱源焊接，可以提高焊接過程穩定性，增加焊縫熔深。

（2）大離焦Nd:YAG激光與中小功率電弧復合時，激光與電弧的相互作用明顯，焊縫成形良好；大離焦Nd:YAG激光與大功率電弧復合時，在較低的焊接速度（焊接速度小于1m/min）下，激光與電弧的相互作用顯著，焊縫成形美觀，當焊接速度超過1.5m/min后，焊接過程穩定性變差，焊縫成形不好，甚至不能很好地成形。

（3）與單獨MAG焊相比，大離焦Nd:YAG激光-MAG復合熱源焊接能顯著地改善焊縫表面成形，提高焊縫金屬的鋪展性。

［1］ SteenW M.Arc augmented laser processing of materials[J].Journal of Application Physics,1980,51（11）:39-47.

［2］ Nobuguki Abe,Yasushi Kunugita.Dynamic observation of speed laser-arc combination welding of thick steel[C].Section G-ICALEO，1997，155.

［3］ U.Dilthey.Prospect by combing and coupling laserbeam and arc welding processes[J].Welding in the World，2000（3）:37-46.

［4］ Haferkamp H,Ostendorf A.Nd:YAG laser MIG hybrid welding of zinc-coated fine sheet metal and magnesium materials[J].Laser Opto，2001,33（1）:61-63.

［5］ Bruggemann G，Mahrle A.Comparison of experimental determined and numerical simulated temperature fields for quality assurance at laser beam welding of steels and aluminum alloying[J].NDT&E International，2000,33(1):453-463.

［6］ 秦國梁.Nd：YAG激光薄鋼板深熔焊接小孔特征及同軸視覺傳感[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2004.