送絲及焊接速度對Q345E窄間隙激光填絲焊縫成形的影響

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

0 前言

激光焊接功率密度高、焊接速度快、線能量輸入小、減小或避免了焊接變形、熱影響區較窄，工業價值巨大。然而國內激光焊接技術發展較緩慢，且多用于薄板焊接，這是因為焊接厚板的激光器功率要求較高，設備投入成本太高，且工業制造技術的短板使得激光器功率的提升有限。

工程化激光焊接的技術原理多為穿孔型焊接，國內工程化激光器最大功率為l0 kW，一次性穿孔型焊可透板厚有限。因此，本研究擬采用小功率激光焊接技術，厚板材料加工窄間隙坡口，配合填充焊絲填滿坡口間隙，來逐層完成船舶鋼厚板的激光焊接。一方面，工程應用設備投入遵循最小成本及最大效益原則，小功率激光器焊接厚板大大降低生產成本，且可焊板厚不會受激光器功率上限的限制；另一方面，填充焊絲在一定程度上優化了焊縫金屬的合金成分，且大大降低工件裝配精度，弱化激光焊裝配要求。同時，間隙坡口較窄，焊絲的撓度及擺動均受到母材側壁金屬部分限制，焊接難度大大提高[1-4]。

窄間隙激光填絲焊接利用中小功率的激光器來實現中厚板的有效焊接[5]，不僅可以通過添加填充金屬來改變焊縫金屬的成分與組織，提高焊接接頭的綜合性能，同時改善了激光自熔焊對坡口間隙的適應性和容錯性，并且焊縫熱影響區較窄，焊后接頭的應力較小，具有很大的工程應用價值[6]。

1 試驗材料和方法

試驗材料為Q345E低合金鋼，工件示意如圖1所示。保護氣體為氬氣，流量10L/min，光絲間距1mm。

圖1 工件示意

焊縫如圖2所示。黑色區域使用激光焊將鈍邊連接起來，參數為：功率1.8kW，焊接速度0.6m/min，離焦量0 mm?；疑珔^域則采用激光填絲焊并提取熔深、熔寬數據。

圖2 焊縫

超窄間隙激光填絲焊試驗平臺由IPG光纖激光發生器、ABB機器人、Fronius熔化極氣保護焊焊機（送絲功能）、激光焊接槍體、窄間隙送絲送氣系統及焊接工裝構成。試驗工藝參數如表1所示。焊接完成后，觀察接頭宏觀金相，記錄焊縫處熔寬和熔深，如圖3～圖5所示。

圖3 Q345E鋼窄間隙激光填絲焊焊縫正面形貌

根據表1數據進行補充試驗，以形成正交試驗，其結果如表2所示，結合表1中部分數據，分析焊接速度對焊縫成形的影響。

表1 不同送絲速度下的焊接參數

圖4 Q345E鋼窄間隙激光填絲焊焊縫背面形貌

圖5 Q345E鋼窄間隙激光填絲焊焊縫宏觀金相

表2 不同焊接速度下的焊接參數

2 試驗結果與分析

2.1 送絲速度對焊縫成形的影響

結合表1和圖6可知，隨著送絲速度的增加，熔深增加而熔寬呈減小趨勢。原因是送絲速度增加使得單位時間可熔化的焊絲量增加，熔化焊絲所需的激光能量也增加，母材能吸收的激光能量降低，使熔寬降低。

圖6 焊縫隨送絲速度的變化曲線（激光功率5 kW，光絲間距1 mm）

由表1可知，送絲速度為5m/min時，填充焊縫填充高度5.82mm，送絲速度為6m/min時，焊縫填充堆高為6.05mm，較5m/min時提升20%。實際焊接過程中焊縫堆高上區別不大，可知送絲速度為6m/min時熔絲不良，由此確定焊接過程中的最大送絲速度應為5 m/min。

2.2 焊接速度對焊縫成形的影響

分析表1中 1、4、9，12、15、18，21、24、25，2、5、9，13、18、26，3、6、10，14、16、20 這 7 組試樣及其變化曲線（見圖7）可知，在焊接過程中最大的送絲速度應為5 m/min。

圖7 焊縫隨焊接速度的變化曲線（激光功率5 kW，光絲間距1 mm）

由這7組試驗數據還可以看出，當送絲速度為3 m/min，焊接速度分別為 0.36 m/min、0.48 m/min、0.6 m/min時，得到的焊縫表面都較為平滑，但隨著焊接速度的增加，堆高相應減少。為了減少焊接道數，選用較小的焊接速度。當送絲速度為4m/min，焊接速度為 0.36 m/min、0.48 m/min、0.6 m/min 時，得到的焊縫表面較平滑，但隨著焊接速度的增加，熔寬相應變小，堆高量也減少。如焊接速度為0.48m/min時，焊縫窄長，說明側壁熔合變少，所以采用焊接速度為0.36 m/min。

綜上所述，焊接速度為0.36 m/min時得到的焊縫表面平滑，熔深和熔寬均符合要求，并且堆高量多，焊接道數相對較少。

3 結論

通過改變送絲速度以及焊接速度等焊接參數，發現Q345E低合金鋼窄間隙激光填絲在送絲速度5 m/min、焊接速度0.36 m/min時可獲得熔深和熔寬較好的焊接接頭，且宏觀金相下接頭成形良好。