萬瓦級(jí)光纖激光-MAG復(fù)合焊接焊縫成形

蔣寶，雷振，黃瑞生，楊義成，梁曉梅

(哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

國(guó)內(nèi)對(duì)萬瓦級(jí)光纖激光焊接技術(shù)的研究也越來越多，但大部分研究主要集中在激光自熔焊接工藝[12-15]及相關(guān)機(jī)理[16-19]上，而對(duì)萬瓦光纖激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究[20]相對(duì)較少，特別是對(duì)20 kW以上光纖激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)。因此，文中基于30 kW光纖激光器，較為系統(tǒng)地研究工藝參數(shù)對(duì)萬瓦激光-MAG復(fù)合焊接焊縫成形的影響規(guī)律，并為后續(xù)相關(guān)焊接工藝的開發(fā)提供基礎(chǔ)工藝指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)所用激光發(fā)生器為YLS-30000光纖激光器，其最大輸出功率為30 kW；試驗(yàn)用弧焊電源為TPS4000型數(shù)字化CMT焊機(jī)，最大輸出電流為400 A，電弧設(shè)置為脈沖模式。

試驗(yàn)所用材料為30 mm厚Q235B低碳鋼，通過激光-脈沖MAG及平板堆焊的方法，并采用單一參數(shù)變量法進(jìn)行焊接工藝參數(shù)波動(dòng)試驗(yàn)，萬瓦激光-MAG復(fù)合焊接工藝參數(shù)見表1。試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中激光束傾斜角度為5°，MAG焊槍與水平方向夾角為50°。此外，基于不同的激光傾斜方向，熱源排列方式分為兩種，如圖2所示，其中方式1中激光束與MAG焊槍同向傾斜，方式2中激光束與電弧焊槍對(duì)向傾斜，2種方式的激光傾斜角度保持一致，同時(shí)MAG焊槍的角度及位置也保持不變。如無特別說明，對(duì)電弧在前(電弧引導(dǎo)激光)及激光在前(激光引導(dǎo)電弧)時(shí)的研究均采用方式1。

表1 萬瓦激光-MAG復(fù)合焊接工藝參數(shù)

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 熱源排列方式

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 離焦量對(duì)焊縫成形的影響

在v=1 m/min,I=180 A,DLA=6 mm且電弧在前時(shí)研究了離焦量對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律，如圖3～圖5所示。由圖可知，激光功率為10 kW時(shí)，離焦量的變化對(duì)焊縫表面質(zhì)量影響較小，此時(shí)焊縫成形較好且無明顯飛濺；隨激光功率的提高，焊縫表面質(zhì)量逐漸下降，當(dāng)激光功率分別為20 kW和30 kW時(shí)，離焦量對(duì)焊縫成形的影響顯著，采用正離焦和零離焦時(shí)焊縫成形差，均有較多飛濺產(chǎn)生，且焊縫均勻性差，而采用負(fù)離焦時(shí)獲得的焊縫成形較好。

離焦量對(duì)焊縫熔深的影響如圖6所示。從圖中可以看出，激光功率為10 kW時(shí)在零離焦條件下焊縫熔深最大；當(dāng)激光功率達(dá)到20 kW和30 kW時(shí)，在負(fù)離焦條件下卻能達(dá)到最大的熔深，其中離焦量在-10 mm時(shí)的焊縫熔深比離焦量為+10 mm時(shí)提高20%左右。

圖3 P=10 kW時(shí)不同離焦量下的焊縫形貌

圖4 P=20 kW時(shí)不同離焦量下的焊縫形貌

圖5 P=30 kW時(shí)不同離焦量下的焊縫形貌

圖6 離焦量對(duì)焊縫熔深的影響

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能與激光功率密度有關(guān)。激光功率為10 kW時(shí)，能量密度相對(duì)較小，對(duì)激光焦點(diǎn)位置的敏感性較低，無論激光束焦點(diǎn)在試板上方、試板表面還是表面以下，入射激光能量均能保持匙孔的穩(wěn)定。而激光功率提高到20 kW后，能量密度大幅增加，熔池金屬蒸發(fā)更加劇烈；當(dāng)激光焦點(diǎn)在試板上方或是表面時(shí)，激光匙孔開口處的能量密度高于孔內(nèi)，導(dǎo)致匙孔開口處的金屬蒸發(fā)加劇，此時(shí)金屬蒸汽壓力與熔池金屬重力及流體壓力無法維持動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而降低匙孔穩(wěn)定性。

但是，離焦量對(duì)焊縫成形的影響原因涉及因素較多，包括力學(xué)、光學(xué)、流體學(xué)等多方面知識(shí)，且影響過程無法直接觀測(cè)。因此，關(guān)于離焦量對(duì)焊接過程的影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

2.2 熱源順序及熱源間距對(duì)焊縫成形的影響

在d=-10 mm，v=1 m/min和I=180 A下研究了熱源順序及熱源間距對(duì)焊縫成形的影響，其中電弧在前時(shí)不同熱源間距條件下焊縫形貌如圖7～圖9所示。由圖可知，當(dāng)熱源間距較小時(shí)，不同激光功率條件下的焊縫均勻性均相對(duì)較差，且功率越高，焊縫熔寬變化幅度越明顯。而隨熱源間距的增加，焊縫表面成形均可得到明顯改善。

圖7 P=10 kW時(shí)不同熱源間距下的焊縫形貌(電弧在前)

圖8 P=20 kW時(shí)不同熱源間距下的焊縫形貌(電弧在前)

圖9 P=30 kW時(shí)不同熱源間距下的焊縫形貌(電弧在前)

電弧在前時(shí)，不同熱源間距下的焊縫熔深如圖10所示。由圖可知，激光功率為10 kW時(shí)，焊縫熔深隨熱源間距的提高呈先增加后減小的趨勢(shì)；而激光功率分別為20 kW和30 kW時(shí)，熱源間距的變化對(duì)焊縫熔深沒有明顯影響。

圖10 熱源間距對(duì)焊縫熔深的影響(電弧在前)

激光在前時(shí)，不同熱源間距下的焊縫形貌如圖11～圖13所示。由圖可知，采用激光在前的熱源順序時(shí)，焊縫表面質(zhì)量明顯較差，焊縫均勻性變差的同時(shí)，焊接飛濺量也明顯增多，且通過熱源間距的變化，并不能有效改善焊縫表面成形。

圖11 P=10 kW時(shí)不同熱源間距下的焊縫形貌(激光在前)

圖12 P=20 kW時(shí)不同熱源間距下的焊縫形貌(激光在前)

圖13 P=30 kW時(shí)不同熱源間距下的焊縫形貌(激光在前)

激光在前時(shí)，不同熱源間距下的焊縫熔深如圖14所示。由圖可知，激光在前時(shí)，熱源間距的變化對(duì)焊縫熔深的影響與電弧在前時(shí)基本相同，但在熱源間距相同的條件下，電弧在前時(shí)的焊縫熔深大于激光在前。

圖14 熱源間距對(duì)焊縫熔深的影響(激光在前)

對(duì)于上述焊縫成形的變化，同樣與激光匙孔的受力狀態(tài)密切相關(guān)。采用不同的熱源順序及熱源間距時(shí)，電弧作用在匙孔邊沿不同位置，對(duì)匙孔穩(wěn)定性的影響程度不同。關(guān)于相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響機(jī)制，后續(xù)需從萬瓦級(jí)光纖激光焊接熔池行為及其受力特征方面作進(jìn)一步研究。

2.3 熱源排列方式對(duì)焊縫成形的影響

在d=-10 mm,v=1 m/min,I=180 A及DLA=6 mm下研究了不同熱源排列方式對(duì)焊縫成形的影響，如圖15～圖17所示。由圖可知，在激光功率為10 kW下，采用激光在前的熱源順序時(shí)，通過熱源排列方式的變化，可在一定程度上減少焊接飛濺，但焊縫均勻性與方式1中電弧在前時(shí)的焊縫成形相比仍然較差。激光功率分別為20 kW和30 kW時(shí)，熱源排列方式的變化對(duì)焊縫成形的影響更小，采用電弧在前時(shí)獲得的焊縫表面成形均明顯優(yōu)于相同熱源排列方式下采用激光在前時(shí)獲得的焊縫成形。

圖15 P=10 kW時(shí)熱源排列方式對(duì)焊縫成形的影響

熱源排列方式對(duì)焊縫熔深的影響如圖18所示。由圖可知，電弧在前時(shí)的焊縫熔深均大于相同熱源排列方式下激光在前時(shí)的焊縫熔深。其中激光功率為10 kW時(shí)，相比激光在前，電弧在前時(shí)的焊縫熔深增加幅度相對(duì)較??；而激光功率分別為20 kW和30 kW時(shí)，采用電弧在前時(shí)的焊縫熔深與激光在前時(shí)相比提高了10%左右。

圖16 P=20 kW時(shí)熱源排列方式對(duì)焊縫成形的影響

圖17 P=30 kW時(shí)熱源排列方式對(duì)焊縫成形的影響

圖18 熱源排列方式對(duì)焊縫熔深的影響

2.4 焊接速度及焊接電流對(duì)焊縫成形的影響

在P=30 kW，d=-10 mm，I=180 A，DLA=6 mm且電弧在前條件下研究了焊接速度對(duì)焊縫成形的影響，如圖19所示。由圖可知，隨著焊接速度的逐漸提高，焊縫表面質(zhì)量不斷降低，其中焊接速度為0.8～1.2 m/min時(shí)，焊縫成形較好，無明顯飛濺產(chǎn)生；當(dāng)焊接速度提高到1.4 m/min后焊縫表面質(zhì)量開始下降，成形均勻性變差。

圖19 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

焊接速度對(duì)焊縫熔深的影響如圖20所示。由圖可知，隨焊接速度的不斷增加，焊縫熔深逐漸降低，其最大變化幅度(v=0.8 m/min與v=1.6 m/min時(shí))小于2 mm。

圖20 焊接速度對(duì)焊縫熔深的影響

在P=30 kW，d=-10 mm，v=1 m/min，DLA=6 mm且電弧在前條件下研究了焊接電流對(duì)焊縫成形的影響，如圖21所示。由圖可知，不同焊接電流條件下均無明顯飛濺產(chǎn)生，其中焊接電流為160 A時(shí)，焊縫均勻性相對(duì)較差；通過焊接電流的增加，可明顯提高焊縫表面質(zhì)量。

焊接電流對(duì)焊縫熔深的影響如圖22所示。由圖可知，焊接電流在160～200 A范圍內(nèi)焊縫熔深變化幅度較??；而焊接電流增加到200 A后焊縫熔深大幅提高，其中焊接電流為280 A時(shí)的焊縫熔深，與焊接電流為160 A時(shí)的焊縫熔深相比，提高15%左右。

圖21 焊接電流對(duì)焊縫成形的影響

圖22 焊接電流對(duì)焊縫熔深的影響

2.5 大電流條件下焊縫成形特征

在上述試驗(yàn)條件下，采用激光在前的熱源順序時(shí)，焊縫表面質(zhì)量較差，且通過熱源排列方式及熱源間距的調(diào)整也不能有效改善焊縫成形；而電弧在前時(shí)，在較小熱源間距條件下獲得的焊縫均勻性同樣較差。其原因之一可能為所采用的焊接電流較小，對(duì)相關(guān)焊接缺欠的抑制程度有限?；诖?，將焊接電流提高到400 A后，v=1 m/min,DLA=2 mm，在激光功率分別為20 kW和30 kW時(shí)，通過采用激光在前的熱源順序并在2 mm熱源間距條件下，同樣獲得了相對(duì)良好的焊縫表面成形，如圖23所示。由圖可知，與小電流(180 A)條件下的焊縫成形相比，大幅提高焊接電流后的焊縫在飛濺情況及成形均勻性方面均明顯改善。但是，激光功率為30 kW時(shí)獲得的焊縫成形平直度相對(duì)較差；而在同樣焊接電流條件下，改用電弧在前的熱源順序后，焊縫表面成形得到進(jìn)一步改善(P=30 kW，v=1 m/min，I=400 A，DLA=2 mm，板厚40 mm)，如圖24所示。由圖可知，在大電流下，采用電弧在前時(shí)獲得的焊縫成形不但優(yōu)于相同條件下激光在前時(shí)的焊縫成形，同樣也明顯優(yōu)于相同熱源順序下采用小電流時(shí)獲得的焊縫表面成形。

圖23 激光-大電流MAG復(fù)合焊縫表面形貌(激光在前)

圖24 激光-大電流MAG復(fù)合焊縫表面形貌

激光-大電流MAG復(fù)合焊接時(shí)，采用電弧在前的熱源順序時(shí)獲得的焊縫熔深，同樣大于相同條件下激光在前時(shí)的焊縫熔深(P=30 kW，v=1 m/min，I=400 A，DLA=2 mm，板厚40 mm)，如圖25所示。此外，在板厚增加的情況下，大電流條件下獲得的焊縫熔深仍比小電流時(shí)的焊縫熔深提高20%以上。

圖25 激光-大電流MAG復(fù)合焊縫橫截面形貌

對(duì)于采用激光在前或較小的熱源間距時(shí)，在大電流條件下同樣能夠獲得良好焊縫成形的原因，與電弧對(duì)激光熔池的作用程度密切相關(guān)。在大幅提高焊接電流后，相應(yīng)的電弧力也大幅增加，對(duì)激光匙孔邊沿金屬液體的波動(dòng)產(chǎn)生一定的抑制作用，進(jìn)而減少焊接缺欠的產(chǎn)生。但是，文中在大電流條件下的試驗(yàn)量相對(duì)較少，對(duì)大電流條件下的萬瓦級(jí)光纖激光-MAG復(fù)合焊接工藝特性缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)。因此，后續(xù)還需要進(jìn)行大量的焊接工藝試驗(yàn)，系統(tǒng)研究大電流條件下激光功率、離焦量、熱源順序、熱源間距、熱源排列方式等工藝參數(shù)對(duì)萬瓦級(jí)光纖激光-MAG復(fù)合焊接焊縫成形、熔池行為、電弧及熔滴過渡特性的影響。

3 結(jié)論

(1)萬瓦級(jí)光纖激光-MAG復(fù)合焊接時(shí)，在較小的電流條件下，激光功率越高，離焦量對(duì)焊縫成形的影響越顯著。當(dāng)激光功率為10 kW時(shí)，采用不同離焦量時(shí)均能獲得良好的焊縫表面成形；而激光功率提高到20 kW后，采用負(fù)離焦時(shí)更有助于獲得良好的焊縫表面成形。

(2)小電流條件下，熱源順序及熱源間距對(duì)焊縫成形的影響同樣顯著。采用激光在前的熱源順序時(shí)，焊縫成形均勻性差，焊接飛濺較多，且激光功率越高，焊縫成形的均勻性越難控制；而采用電弧在前的熱源順序并在較大熱源間距條件下獲得的焊縫成形更好。

(3)萬瓦級(jí)激光-小電流MAG復(fù)合焊接時(shí)，采用負(fù)離焦及電弧在前的熱源順序時(shí)更有助于增加焊縫熔深。

(4)激光在前及較小的熱源間距條件下，通過大幅增加焊接電流，同樣能夠獲得良好的焊縫表面成形。