激光－電弧復合焊工藝參數對焊縫形貌的影響

蔡源超 ，朱加雷 ，畢雪松 ，王 凱 ，馮 聰

（1.北京化工大學，北京 100029；2.北京石油化工學院，北京 102617；3.唐山開元焊接自動化技術研究所，河北唐山063020）

0 前言

20世紀80年代初，英國學者W.M.Steen首先提出激光與電弧復合焊接的概念，當時的主要目的是增加熔深，提高焊接效率[1]。激光電弧復合焊是將激光和電弧兩種截然不同的熱源復合，共同作用于工件的同一位置。既發揮了兩種熱源的優勢，又彌補了各自的不足，因此具有焊接速度快、橋接能力好、深寬比理想、裝配精度低等優勢，是一種新型高效的焊接方法，近幾年也受到高校和企業的廣泛關注[2-5]。目前主流的復合形式有激光-TIG、激光-MIG/MAG、激光-等離子體弧以及激光雙絲電弧等焊接方法[6]。復合焊的工藝參數非常多，不同的工藝參數影響焊縫形貌，不同的焊接組合也直接影響著焊接質量。研究激光-MAG復合焊接的工藝參數對焊縫形貌的影響對于實際焊接過程中工藝參數組合的選取有著重要的指導意義。另外，在石油管道、鍋爐壓力容器和船舶制造等領域，有些場合無法進行雙面焊接，單面焊雙面成型是常見的焊接解決方法[7]。隨著成型材料的發展和對焊縫成形質量要求越來越高，目前常用的氣體保護焊已經無法滿足厚板所需的焊接質量。因此，采用光纖激光器和MAG電弧復合的方式研究焊接工藝參數對焊縫成形的影響規律，得出最佳工藝參數組合，并驗證激光-電弧復合焊在單面焊雙面成型工藝上的可行性。

1 試驗方法

試驗采用美國IPG公司的YLS-4000型光纖激光器，額定功率4 kW，焦距為300 mm，光斑直徑0.4 mm。MAG焊接電源選用芬蘭KEMPPI公司生產KMS500型焊機，通過自主研制的復合焊接裝置進行旁軸復合焊接，復合焊焊炬示意如圖1所示。

圖1 激光MAG復合焊焊炬組合示意Fig.1 Diagram of torch setup of hybrid laser-MIG welding

試驗母材為10 mm厚度的Q345B鋼板，焊絲直徑φ1.2 mm。保護氣體采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體，氣體流量20 L/min。試驗前用丙酮溶液去除試件表面油污，用角磨機和鋼絲刷去除焊接區域的表面氧化膜。

試驗過程中，除特定研究變量外，未做說明的參數均為：激光功率P=3000W，MAG電流I=180A，焊接速度v=1000mm/min，光絲間距D=2mm，焊絲干伸長l=25 mm，激光離焦量Δf=0 mm，焊槍與激光夾角α=30°，采用激光在前、MAG電弧在后的復合方法。

工藝參數研究采用平板焊，焊后將試板沿橫截面切開，選取焊縫長度的1/3處取樣，避開不穩定階段。選取焊縫成形良好、無明顯焊接缺陷的焊縫部分制備標準的金相試樣，通過測量熔深和熔寬來評定復合效果。

通過對工藝參數的研究獲得最佳參數組合范圍，然后驗證單面焊雙面成型焊接的可行性。采用5 mm和6 mm板厚的Q345B高強鋼進行對接試驗，采用同樣方法進行金相試驗，通過觀察焊縫形貌來評定復合焊接效果。

2 實驗結果和討論

2.1 激光-電弧復合作用

在激光電弧復合焊中，焊接參數之間會相互影響，任一參數的變化都會導致最終焊接結果的變化。只有在一定范圍內找出各參數之間合理的組合，才能保證熱源的有效耦合，得到增強的焊接熔深和焊接質量。

對比激光-MAG復合焊（PL=3 kW，I=180 A）、單獨MAG焊（I=180A）以及單獨激光焊（PL=3kW）的焊縫橫截面形狀尺寸，如圖2所示?？梢钥闯?，復合焊的熔深約為單獨激光焊時的1.2倍，約為單獨MAG焊的2.1倍；復合焊熔寬與單獨MAG焊熔寬相差不大，但約為單獨激光焊熔寬的2.9倍；另外，單獨激光焊在PL=3 kW的條件下焊透5 mm鋼板的最高速度為500 mm/min，而復合焊在PL=3kW、I=180A的條件下焊透5 mm鋼板的速度可達900 mm/min以上，約為單獨激光焊接的1.8倍，大大提升了焊接效率。

圖2 焊縫橫截面宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of weld cross section

2.2 工藝參數對焊縫成形的影響

2.2.1 激光電弧相對位置和光絲間距的影響

在焊接方向上，激光和電弧的相對位置影響著焊縫成形。當激光作用于熔池前端時，焊接方向為激光在前，用laser-MAG表示；反之用MAG-laser表示電弧在前。焊接方向和光絲間距對熔深的影響如圖3所示，可以看出，隨著D的變化，laser-MAG在D=2 mm時得到最大熔深，MAG-laser在D=0 mm時得到最大熔深，laser-MAG比MAG-laser獲得的熔深更大。

圖3 焊接方向和光絲間距對熔深的影響Fig.3 Effect of the welding direction and the distance between laser and arc on penetration depth

這是因為當激光在前時，激光先作用在焊板上形成大熔深，此時電弧的等離子體對激光的聚焦效果干擾較小，而且MAG焊槍后傾，電弧力有將熔池金屬向前推動的趨勢，形成一個凹槽，在D=2 mm附近達到凹槽最低點，復合熱源在此范圍內能相互作用，達到最大熔深。超過這一臨界點，熔池流動金屬堆積逐漸超過焊接平面，熔深逐漸減小。當光絲間距繼續增大，復合熱源的相互作用降低，熔深進一步減小。當激光在后時，MAG焊槍前傾，電弧先作用于焊件表面，激光的效果容易受到電弧等離子體的干擾，影響能量傳輸效率，因此MAG-laser的熔深普遍小于laser-MAG的熔深。

2.2.2 激光功率和焊接電流的影響

為了研究激光功率和焊接電流對焊縫熔深的影響，設計三組不同的電流隨著激光功率變化的情況和一組單激光的對照試驗，如圖4所示。

可以看出，激光和140 A電流復合的熔深變化趨勢和單純激光焊類似，熔深主要由激光功率決定，隨著功率的增加，熔深也線性增加。此時熔滴過渡形式為短路過渡，激光和電弧之間的協同效果較好，但繼續增大激光功率或者減小焊接速度，電弧不穩定，飛濺較大。

圖4 激光功率及焊接電流對焊縫熔深的影響Fig.4 Effect of laser power and welding current on penetration depth

當電流持續增大，熔滴過渡模式由短路過渡轉變為射滴過渡，電弧形態為錐形電弧，在電弧壓力和熔滴形式對熔池的沖擊下，焊縫熔深得以增加。但隨著電流進一步增加，電弧體積膨脹，對激光等離子體的稀釋作用減小，使得焊件對能量的吸收率降低，焊縫熔深有明顯減小。

2.2.3 離焦量的影響

離焦量Δf是指激光焦點偏離工件上表面的距離，改變Δf實質是改變激光輻照在工件表面的功率密度[8]。焦平面在工件表面上方為正離焦，反之為負離焦。因此得出結論：當負離焦時，工件內部的功率密度大于工件表面，在一定范圍內能獲得較大熔深。離焦量對熔深的影響如圖5所示，復合焊在Δf=-2 mm時得到最大熔深，而激光焊在Δf=-3 mm時得到最大的熔深。

圖5 離焦量對熔深的影響Fig.5 Effect of defocusing distance on penetration depth

實驗過程中發現，復合焊在Δf=-2 mm時飛濺較大，表面成形效果不好；在Δf=0 mm時，復合焊接過程穩定，飛濺較少。這是因為在Δf=0 mm時激光焦平面和焊接表面重合，在熔池表面金屬汽化形成的氣泡會直接溢出，導致飛濺較少，表面成型較好，因此在實際復合焊接時應根據具體情況選擇合適的離焦量。

2.3 單面焊雙面成型的可行性

研究激光-電弧復合焊在單面焊雙面成型工藝上的可行性主要是驗證不同焊接過程對焊縫背面成型的影響。通過研究工藝參數，找出適合單面焊雙面成型的工藝參數，選取4組實驗進行對照，實驗參數如表1所示，觀察焊縫宏觀形貌如圖6、圖7所示，焊后的試板經過切割打磨，截面形貌如圖8所示。

可以看出，焊縫正面和背面成形均勻整齊，無縮孔、弧坑、咬邊和氣孔等缺陷。背面焊縫完全熔透，余高均小于1 mm，滿足預期要求。說明激光-電弧復合焊在單面焊雙面成型工藝上具有可行性，對組對間隙和錯邊量有一定的容忍度。

表1 單面焊雙面成型工藝參數Table 1 Process parameters of single-sided welding double-sided molding

圖6 5 mm鋼板對接焊正面、背面焊縫形貌Fig.6 Front，and back weld appearance of 5 mm steel plate butt welding

圖7 6 mm鋼板對接焊正面、背面焊縫形貌Fig.7 Front，and back weld appearance of 6 mm steel plate butt welding

圖8 4組實驗的焊縫橫截面宏觀形貌Fig.8 Cross-section macroscopic morphology of welds in four groups

4 結論

（1）在特定參數組合下，激光和電弧之間具有良好的耦合效應，焊接熔深和效率均可大幅提升。復合焊的熔深是單獨激光焊時的1.2倍，是單獨MAG焊的2.1倍；復合焊的速度約為激光焊的1.8倍以上。

（2）相同焊接參數下，laser-MAG的熔深普遍大于MAG-laser的熔深，其中laser-MAG焊接在D=2 mm時獲得最大熔深。

（3）激光在和小電流復合的情況下，熔深隨著激光功率的增加而線性增加，當電流超過200 A時，電流對激光的屏蔽作用明顯。

（4）激光-電弧復合焊在單面焊雙面成型工藝上具有可行性，對組對間隙和錯邊量有一定的容忍度。

[1] Steen W M.Arc augmented laser processing of materials[J].Appl Phys.，1980，51（11）：5636-5641.

[2] 肖榮詩，吳世凱.激光－電弧復合焊接的研究進展[J].中國激光，2008（35）：1680-1685.

[3] 袁小川，趙虎，王平平.激光-電弧復合焊接技術的研究與應用[J].焊接技術，2010（5）：2-7.

[4] 朱加雷，崔志芳，焦向東.高強度管線鋼激光電弧復合焊接技術研究現狀[J].電焊機，2014，44（5）：115-119.

[5] 劉雙宇，張宏，石巖，等.CO2激光-MAG電弧復合焊接工藝參數對熔滴過渡特征和焊縫形貌的影響[J].中國激光，2010（12）：3172-3179.

[6] 牛寬，劉雙宇，劉鳳德，等.激光-電弧復合焊接工藝參數對焊縫形貌及焊接穩定性的影響[J].應用激光，2014（1）：51-56.

[7]孫壯.單面焊雙面成型的焊接工藝試驗[J].中國重型裝備，2013（1）：36-38.

[8] 許良紅，彭云，田志凌，等.激光-MIG復合焊接工藝參數對焊縫形狀的影響[J].應用激光，2006（1）：5-9.