煤礦機械用Q690 高強鋼激光-MAG 復合焊可行性分析

侯軍，楊會武，周顯榮，馬政雄

（1.西安煤礦機械有限公司，西安 710032；2.西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

煤炭是國家能源的主要來源之一，也是國家經(jīng)濟的重要支柱之一，采煤機作為煤炭生產(chǎn)的主要設備，其運行的可靠和穩(wěn)定性是煤炭企業(yè)產(chǎn)能的重要保障。隨著越來越多小煤窯被關閉，煤礦企業(yè)之間實施兼并重組，國家將發(fā)展和培育一批現(xiàn)代化煤炭企業(yè)，形成若干個具有較強國際競爭力的億噸級特大型煤炭企業(yè)集團，當前的環(huán)境形式對國內(nèi)采煤機公司提出了更高的要求。

西安煤礦機械有限公司加快了采煤機國產(chǎn)化替代的研發(fā)進程，1200AD 型號采煤機（如圖1 所示）為西安煤礦機械有限公司研制的高端采煤機產(chǎn)品，為達到德國艾柯夫生產(chǎn)的同類型采煤機的產(chǎn)品性能，在電控箱主體結(jié)構(gòu)中采用了Q690 高強度鋼材料進行焊接生產(chǎn)。

近幾年來，國外超高強度鋼和超高強度鋼的激光/電弧復合焊接技術研究呈現(xiàn)加速發(fā)展的勢頭，研究內(nèi)容越來越精細化，研究成果在工業(yè)領域的實際應用得到了迅速的發(fā)展。加拿大航空航天制造中心研究了激光/電弧復合焊接技術，實現(xiàn)了9 mm 厚度HSLA80鋼的單道全穿透復合焊。加拿大國防研發(fā)中心造船實驗室研究了9 mm 厚度HSLA65 鋼的激光/電弧復合焊技術。美國南衛(wèi)理公大學激光輔助制造中心開展了厚度12.5 mm、抗拉強度約1700 MPa 超高強度鋼的激光/電弧復合焊接研究，研究內(nèi)容涉及超高強度鋼復合焊接頭的殘余應力及力學性能、超高強度鋼復合焊接頭形式的優(yōu)化、熔滴過渡形式對超高強度鋼復合焊接過程穩(wěn)定性的影響以及超高強度鋼復合焊接氣孔形成機理和控制方法。

圖1 1200AD 型號采煤機Fig.1 1200AD shearer

激光-MAG 復合焊接技術的顯著優(yōu)點使其受到國內(nèi)研究者的廣泛關注，國內(nèi)多家高校和科研院所都開展了激光/電弧復合焊接方面的研究。近年來國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學、哈爾濱焊接研究所、北京航空制造工程研究所、鋼鐵研究總院、清華大學、華中科技大學、上海交通大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學、大連理工大學、山東大學、湖南大學、北京工業(yè)大學和江蘇科技大學等均有激光/電弧復合焊接方面的研究成果發(fā)表。國內(nèi)高校院所關于激光/電弧復合焊接的研究中涉及超高強度鋼的焊接研究也有很多。比如，哈工大開展了雙面熱源激光/電弧復合焊接30 mm 厚度超高強度鋼的研究和X80 管線鋼的光纖激光/MAG 復合熱源單面焊雙面成形工藝研究；華中科技大學開展了厚鋼板的光纖激光/冷金屬過渡電弧復合焊和光纖激光/脈沖電弧復合焊技術研究；長春理工大學研究了熔滴過渡模式對超高強度鋼CO2激光/MAG 復合焊接過程穩(wěn)定性的影響；西安交通大學開展了超高強度鋼20MnTiB 和D406A 的光纖激光/MAG 復合焊接研究。

1 試驗

1.1 材料

采用的試驗材料為Q690 高強鋼，化學成分如表1 所示，常溫下其屈服強度為690 MPa，抗拉強度為770～940 MPa，伸長率大于 14%。焊絲選擇直徑為1.2 mm 及1.6 mm 的80 kg 級HS110 焊絲。

表1 Q690 化學成分Tab.1 Chemical composition of Q690

1.2 方法

采用的焊接試驗設備主要有光纖激光器、機器人。其中，光纖激光器形貌為IPG YLS-4000，其工作方式可設置為連續(xù)或調(diào)制輸出，最大功率為4000 W，激光波長為1070 nm，光束質(zhì)量BPP≥2；焊絲干伸長為10 mm。坡口形式及加工：根據(jù)光纖激光-MIG 復合焊大厚板特點，設計能夠焊透的U 型坡口，坡口角度采用45°，用刨床加工坡口。采用純氬氣保護氣體，氣體流量為20 L/min。為確保結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量并減小焊接變形，采用多層單道焊接方式。

1.3 光纖激光-MIG 復合焊試驗過程

試樣切割面的氧化渣在焊前必須清除干凈，采用清水沖洗，并仔細刷洗，使坡口表面小顆粒殘渣去掉，清水沖洗3 遍后，改用乙醇進行坡口去油去污清理，使用棉簽清理坡口根部，最后保證坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)應嚴格除去水、油和銹等臟物。焊縫邊緣與母材熔合線必須熔合良好，光滑過渡，不允許出現(xiàn)未熔合、咬邊等焊接缺陷。每層焊縫施焊前，要清除灰塵及氧化渣，并清理焊縫表面雜質(zhì)以減少氣孔等。焊接前先檢查焊接氣路是否有漏氣或其他故障，焊絲是否送絲順暢，從焊接設備上保證少出現(xiàn)氣孔及其他焊接缺陷。

打開激光器后開始校正各種參數(shù)，激光器采用0離焦量，激光頭離試驗臺平面（矯正距離）為106 mm，激光焊槍之間夾角選用30°～40°，采用焊接形式為激光在前電弧在后，焊接電壓選用20 V，焊槍移動速度為60 m/s，送絲速度選用6.7 m/min。為了充分利用激光能量密度高的優(yōu)勢，一般選擇較大的激光功率，增加熔深，提高焊接效率；然而，對于厚板多層非熔透焊接，激光的作用主要是引導電弧深入坡口底部，實現(xiàn)窄間隙焊接，而不是增加熔深，如果激光功率較大，激光匙孔的深度較大，匙孔不穩(wěn)定，匙孔閉合后形成的氣泡來不及逸出，冷卻凝固后形成氣孔，因此，本次光纖激光-MIG 復合焊選用激光功率2500 W 進行試驗。

確定合適的激光與電弧間距非常重要，一般而言，激光功率和電弧功率較小時，形成的激光光致等離子體和電弧也較小，因此，選擇較小的激光與電弧間距，隨著激光功率和電弧功率的增加，最佳的激光與電弧間距也隨著增加。針對2500 W 激光功率，經(jīng)試驗對比，選擇光絲間距為3 mm。

本次試驗采用多層多道焊接方式，第一道作為打底焊，需保證焊縫的熔合無缺陷，焊接結(jié)束后發(fā)現(xiàn)焊縫底部部分部位未熔合，采取應對措施為反轉(zhuǎn)試樣正反面，在背面單獨使用激光進行焊縫重熔，重熔后焊縫成形良好。焊接第2 層焊縫時，調(diào)節(jié)焊槍上移2 mm，進行第二次焊接，采用同一焊接方向進行試驗。第2層到第5 層時每層采用兩道焊縫。對高強鋼試樣分別進行第6—9 層焊接，從而提高焊接過程的靈活性和精度，確保結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量和減小焊接變形，另外，便于根據(jù)待焊接縫隙的寬度進行調(diào)節(jié)，減少焊絲用量，有效適應深寬比大的待焊接縫隙。

進行完最后一道焊縫焊接后，觀察焊縫表面，確保接頭表面余高不超過2 mm，如果余高較大，焊縫表面凸起，過渡不圓滑，易造成應力集中，對采煤機電控箱焊接結(jié)構(gòu)防爆隔爆性能不利。取出實驗臺上試樣，對表面飛濺進行清理，防止飛濺殘留在工件上，造成試樣件尺寸誤差，影響后續(xù)的性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的金像組織分析

對激光-MAG 復合焊接頭金相組織進行了觀察，如圖2 所示。通過金像組織的分析，發(fā)現(xiàn)Q690激光-MAG 復合焊的母材部位為回火索氏體組織，熱影響區(qū)為鐵素體加索氏體及少量貝氏體，焊接接頭主要組織為馬氏體加少量貝氏體。

圖2 光纖激光-MIG 復合焊接頭金相照片F(xiàn)ig.2 Optical fiber laser-MIG composite welding metallography

2.2 焊接接頭的力學性能分析

Q690 復合焊接頭拉伸時均在焊縫處發(fā)生斷裂，如圖3 所示。拉伸試驗所得數(shù)據(jù)見表2。從表2 可以看到，Q690 復合焊接頭的抗拉強度約為610 MPa，屈服強度約為520 MPa。

采煤機在礦井服役過程中經(jīng)常會受到掉落煤塊的沖擊，為了驗證光纖激光-MIG 復合焊接頭的性能，進行了沖擊試驗，得到1#,2#,3#試樣的沖擊吸收功分別為151.3,154.5,147 J。可以看到，Q690 鋼激光-MIG電弧復合焊接頭的沖擊吸收功約為150 J，該結(jié)果表明焊接接頭能夠抵抗礦井服役時所發(fā)生的煤塊跌落碰撞。

表2 拉伸試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Tensile test data

圖3 不同焊接鋼板的拉伸斷口Fig.3 Tensile fracture of different welded steel plates

2.3 焊接接頭的掃描電鏡分析

在掃描電鏡下觀察拉伸斷口，結(jié)果如圖4 所示，對比觀察不同放大倍數(shù)下的掃描圖片，可以發(fā)現(xiàn)Q690 鋼的拉伸斷口為以韌窩為主要特征的韌性斷口。對斷口進行EDS 分析，結(jié)果如圖5 所示，可以看到，斷口上O 元素含量較高，說明在焊接過程中有微量的O 元素進入到熔池中，容易導致接頭塑性降低，在后續(xù)焊接中應盡量避免。

沖擊斷口形貌見圖6，可以看到，Q690 鋼的沖擊斷口由大量韌窩組成，為明顯的韌性斷裂。但是在斷口上發(fā)現(xiàn)尺寸約為150 μm 的氣孔，氣孔的存在將會導致接頭性能下降。

圖4 拉伸斷口形貌Fig.4 Morphology of tensile fracture

圖5 拉伸斷口EDS 分析Fig.5 EDS analysis of tensile fracture

圖6 沖擊斷口形貌Fig.6 Morphology of impact fracture

3 結(jié)論

設計了Q690 鋼板的光纖激光-MAG 復合焊工藝方案，并對獲得的焊接接頭性能進行了分析，論證了此種焊接方法獲得的焊接接頭在實際生產(chǎn)中應用的局限性和解決方法，主要得到以下結(jié)論。

1）采用光纖激光-MAG 復合焊工藝方案的焊接接頭拉伸性能低于母材性能，拉伸斷口在焊接接頭處產(chǎn)生，分析原因在于焊縫內(nèi)存在微量氣孔，導致焊接接頭結(jié)合不緊密，使拉伸試驗出現(xiàn)了脆性斷裂。

2）焊接接頭抗拉強度低于母材。在焊縫處發(fā)生斷裂。拉伸斷口和沖擊斷口均表現(xiàn)為韌性斷口形貌，但是在沖擊斷口上觀察到明顯的氣孔。

3）通過金像組織的分析，光纖激光-MAG 復合焊的母材部位為回火索氏體組織，熱影響區(qū)為鐵素體加索氏體及少量貝氏體，焊接接頭主要組織為馬氏體加少量貝氏體，焊縫區(qū)整體組織性能優(yōu)于母材，保證采煤機電控箱隔爆性能要求。