T型接頭激光-MAG復合焊單面焊雙面成形工藝

李 凱 ，何廣忠 ，王春生 ，齊 晗 ，謝元立

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；2.一汽-大眾汽車有限公司，吉林長春 130001）

0 前言

軌道車輛轉向架構架大多由中等厚度耐候鋼板、鋼管拼焊而成，對接、T型接頭是常見的焊接接頭形式。焊接方法以傳統MAG焊為主，存在焊接變形大、生產效率低、易出現熔合不良等缺陷。而激光電弧復合焊技術自20世紀70年代英國學者W.M.Steen[1]提出以來，已經在船舶工程[2]、石油化工[3]、航空航天[4]等領域展現出了高效焊接方法特有的優勢，采用該技術解決上述問題也是軌道交通行業制造技術的發展趨勢之一。杜兵[5]等人針對構架材料進行了激光-MAG復合焊工藝研究，得出復合焊接頭的疲勞性能優于MAG焊，并評估了點固焊對焊接質量的影響；陳輝[6]等人開展了激光電弧復合焊技術在轉向架橫梁等部件的應用研究，從焊接變形、生產效率等多方面論證了復合焊應用的優勢。

但在實際生產應用時，受料件加工、定位精度以及自動焊設備操作者人為因素的影響，焊接過程中與TCP位置相關的形位參數常發生變化，直接影響激光光束相對于焊接接頭的相對位置，從而影響焊接質量。目前的研究[7]大多集中在工藝參數對組對間隙、錯邊量等裝配因素的適應性上，為評估無坡口的T型接頭激光電弧復合焊該形位參數的變化對焊接工藝造成的影響，在此針對激光-MAG復合焊焦點位置偏移時的工藝參數適應性進行試驗研究。

1 試驗設備、材料與方法

試驗采用中車長春軌道客車股份有限公司工藝試驗室的激光電弧復合焊系統，如圖1所示，該系統配備15 kW光纖激光器、6軸工業機器人、旋轉變位機、福尼斯TPS5000弧焊電源，能夠開展平板、管件的激光復合焊試驗研究。激光波長1 070 nm，光纖直徑0.3 mm，采用IPG的焦距250 mm激光鏡頭，聚焦光斑直徑 0.6 mm，光束質量（BPP）4.0 mm·mrad。

圖1 激光電弧復合焊試驗系統Fig.1 Laser-arc hybrid welding experimental system

采用激光-MAG復合焊方法，焊絲為BOHLER生產的ER80S-G，直徑φ1.2 mm；母材為S355J2W鋼板，尺寸500 mm×150 mm×12 mm。試驗前用砂輪清理試板表面的氧化層，并采用丙酮清除工件表面油污，焊絲與母材化學成分如表1所示。試驗試板通過點固焊組對成無坡口的T型接頭形式，組對間隙 0.5 mm，焊接保護氣為 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣，流量25 L/min。

TCP位置變化時將影響激光光束聚焦點相對于焊接接頭的相對位置關系，在此針對垂直焊接方向的兩個平移量——離焦量d與焦點沿立板偏移量e的變化進行研究，如圖2所示，離焦量d試驗范圍-3.5～-1.0 mm，偏移量 e試驗范圍0.25～2.5 mm。其他焊接參數為：激光前置，光絲間距4 mm，激光功率8.2 kW，焊接速度45 cm/min，焊接電壓26 V，送絲速度10.2 m/min，焊槍與激光相對位置及角度關系如圖2所示。

表1 焊絲與母材化學成分Table 1 Chemical compositions of wire and plate %

圖2 激光電弧復合焊試驗的形位參數Fig.2 Position parameters of laser-arc hybrid welding experiment

焊接試驗后對T型接頭進行正面、背面焊腳長度測量及宏觀金相檢測，用于判斷上述參數變化對焊接質量的影響。測量焊腳高度，取焊縫中段40 cm區域，每隔4 cm測量一次，統計分析各組結果；取焊縫中部進行金相試樣切割，采用FeCl3飽和水溶液進行試樣制備。

2 試驗結果與討論

2.1 離焦量d的影響

其他參數不變，改變離焦量d分別進行激光電弧復合焊試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同離焦量條件下的試驗結果Fig.3 Experiment results of different defocus

由圖3可知，離焦量d對焊縫正面成形影響有限，但對背面成形有較明顯的影響。當離焦量d較小時，激光熔透能力提高，形成的背面焊腳大，當d=-3.0 mm時形成3 mm的背面焊腳。隨著離焦量d的增加，焊縫背面焊腳高度逐漸減小，當d=-1.0 mm時，背面焊腳平均高度減小至2 mm。離焦量d的改變使復合熱源在焊縫截面內的分布發生變化，熔池流動及匙孔的穩定性也隨之改變，當d≤-3.0mm時，宏觀金相檢測出未熔合缺陷和1.0 mm×0.4 mm的氣孔，如圖4a、圖4b所示。當-2.5 mm≤d≤-1.5 mm時，如圖4c所示，焊縫背面成形相對最好，正面兩側焊腳高度趨于一致，焊縫熔合良好。當d=-1.0 mm時，如圖4d所示，焊縫背面底板側焊縫鋪展有限，需要進一步提高線能量才能形成良好的背面成形。因此，在該參數條件下，離焦量的最大允許變動范圍為-2.5～-1.5 mm。

圖4 不同離焦量條件下的金相照片Fig.4 Metallographic photos of different defocus

2.2 偏移量e的影響

其他參數不變，改變偏移量e分別進行激光電弧復合焊試驗，試驗結果如圖5所示。

由圖5可知，偏移量e對正背面焊腳高度均有明顯影響，隨著偏移量e的增加，正面焊腳高度先增加后減小，當0.75 mm≤e≤2.25 mm時，正面焊縫高度平均值約為8.1 mm；背面焊腳高度隨偏移量e的增加而逐漸減小，但逐步趨于穩定。

一方面，偏移量e的變化影響了焊槍在T型試板的相對位置，從而影響了熔池中金屬流動，使焊縫正面成形受到影響，從標準偏差可以看出，當e≤0.75 mm時，焊腳高度差別較大，且在金相檢測中出現了不同程度的氣孔，如圖6a所示，最大尺寸1.25 mm×0.75 mm；此外在e=2.5 mm時焊縫外觀可見明顯的咬邊現象（見圖6d）。

另一方面，偏移量e的變化改變了熱源前端對焊縫背面的作用位置，當熱源前端從T型接頭底板逐步移動至立板后，背部成形趨于穩定。但由于底板與立板熱量分配變化，導致背部兩側焊腳高度差別逐漸增大，且在e≥2.25 mm時開始出現未熔合缺陷（見圖 6c、圖 6d）。

因此，上述焊接參數條件下，偏移量e的允許變動范圍為1～2 mm。

圖5 不同偏移量條件下的試驗結果Fig.5 Experiment results of different offset

2.3 復合焊試驗驗證

根據上述得到的離焦量d及偏移量e的允許變動范圍，選擇離焦量d=-2 mm、偏移量e=1.5 mm進行激光-MAG復合焊試驗，以驗證工藝參數的穩定性，如圖7所示。

圖6 不同偏移量條件下的金相照片Fig.6 Metallographic photos of different offset

由圖7可知，焊縫正反面的成形良好，焊縫表面光滑、一致性好，無咬邊、焊穿等缺陷。金相結果顯示無裂紋、未熔合及較大氣孔缺陷。上述試驗結果表明，在此參數條件下，激光-MAG復合焊能夠實現穩定的無坡口12 mm厚T型接頭單面焊雙面成形。

3 結論

（1）當激光電弧復合焊的離焦量發生變化，其他參數保持不變時，單面焊雙面成形的焊縫背面受到顯著影響，背部焊腳高度隨著離焦量的增加而減小，當離焦量為-2.5～-1.5 mm時，焊縫成形最好，焊縫熔透穩定且無未熔合及氣孔缺陷。

圖7 工藝參數驗證試驗結果Fig.7 Experiment results of process parameter verification

（2）當偏移量e發生變化，其他參數保持不變時，激光電弧復合焊焊縫熔合狀況受到顯著影響。當偏移量很大時，T型接頭存在未熔合缺陷，且表面發生咬邊；當偏移量較小時，焊縫內部有少量氣孔產生；當偏移量為1～2 mm時，焊縫成形最佳且未見明顯缺陷。

參考文獻：

[1]Steen W M.Augmented Laser Welding[J].Metal Construction，1979，11（7）：332-333.

[2]王凱，朱加雷，焦向東，等.激光焊接技術在船舶制造中的發展及應用現狀[J].電焊機，2017，47（2）：58-64.

[3]雷正龍，檀財旺，陳彥賓，等.X80管線鋼光纖激光-MAG復合焊接打底層組織及性能[J].中國激光，2013，40（4）：79-85.

[4]趙耀邦，徐愛杰，姜勇，等.激光焊接技術研究進展及其在航天領域的應用[J].航天制造技術，2013（3）：55-58.

[5]杜兵，徐良，王保全.鐵路機車轉向架激光-MAG復合焊接工藝[J].機車車輛工藝，2016（S1）：28-30.

[6]陳輝，茍國慶，朱宗濤，等.激光-MIG復合焊工藝及其在軌道交通領域應用現狀[J].電焊機，2015，45（5）：11-14.

[7]馮聰，馬瑞芳，朱加雷，等.激光-MAG電弧復合焊接單面焊雙面成型工藝[J].電焊機，2017，47（12）：104-108.