激光-MAG復合焊接工藝及焊接接頭性能分析

趙孔標，李利娜

（1 江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226010；2 南通新創航海機械有限公司，江蘇 南通 226000）

目前在大型構件，例如飛機和船體制造都需要用到厚板鋼材，但是在大型輪船或者飛機制造中大型構件已經趨于通用化和一體化，這就給大尺寸、形狀復雜的成型模具制造帶來了很大的困難。現如今常用的成型模具多采用焊接技術制造而成。但是焊接技術在厚板鋼材中常常需要面臨一些焊接缺陷問題，比如說焊接過后造成成型模具的變形，焊接過后留下焊接裂紋或者氣孔，導致成型模具的氣密性較差，還有就是焊接過程中引入的雜質可能會改變成型模具的熱膨脹系數。這些都是厚板鋼材在焊接成型模具中亟需解決的問題。

1 激光-電弧復合焊接的優勢及原理

目前厚板鋼材最常用的焊接技術是埋弧自動焊技術，埋弧自動焊的原理將電弧在焊劑層下的燃燒來實現焊接接頭與母材的焊合[1]。埋弧自動焊技術的優點是焊接后的焊縫質量較高，焊接效率好。而且埋弧自動焊技術的熱影響區大，焊接熔深大，熔敷量較高，所以特別適用于厚板鋼材的焊接[2]。但是埋弧自動焊技術在焊接時需要大量的焊劑填充，當出現焊接參數不當，焊劑供應不足或者焊劑不純的情況時，會導致焊接的熔透不夠，還容易產生硫或者磷等夾雜物，造成焊接成型模具的氣密性下降，而且還可能改變母材的熱膨脹系數[3]。

厚板鋼材焊接中除了常用的埋弧自動焊技術，還有一種常見的焊接技術是非熔化極氣體保護焊（TIG）。TIG焊接技術中需要在保護池中通入惰性氣體以保護熔池，在焊接過程中也無需添加焊劑。TIG焊接技術的優勢是由于在焊接過程中無需添加額外的填充材料，所以焊縫的純度較高。因為有惰性氣體的保護所以焊接過程中電弧比較穩定，熱輸入小，所以焊接后構件的變形量較小[4]。厚板鋼材焊接中還有一種焊接技術是熔化極惰性氣體保護電弧焊（MIG）。MIG焊接技術的優點是焊接速率快，熔敷率較高。但是，在厚板 MIG 焊接過程中存在的缺陷是，熔滴過渡較困難，飛濺大、焊接穩定性較差，容易出現焊縫成形不良、質量差等問題[5]。在MIG焊接技術的基礎上人們又研究出了熔化極活性氣體保護電弧焊（MAG）。MAG焊接技術相比于MIG 焊接技術在焊接過程中引入活性氣體，使得熔滴過渡較困難的問題得到改善，熔滴的直徑也變小，飛濺情況也得到了相應的減輕。但是MAG焊接技術需要在焊接過程中提供較大的電流密度，所以較大的電流密度使得熔滴的過渡方式發生了改變，射流過渡方式由軸向過渡轉變為旋轉過渡，不穩定的旋轉射流過渡會使焊絲尖端液柱處彎曲并沿軸向旋轉，不斷向四周拋射熔融金屬顆粒，這樣就會造成焊后的焊接強度得不到保障，并且降低了焊接的氣密性。所以MIG/MAG 兩種焊接技術在焊接厚板鋼材上都存在著一定的工藝缺陷。

最近幾年，激光焊接技術有了迅速的發展，激光焊接技術的優勢在于能量密度高、熱輸入低、焊縫深寬比大等。按原理可簡單地分為激光熱傳導焊接和激光 深熔焊接[6]。功率密度小于105W/cm2為激光熱傳導焊，通過輻射來加熱焊件表面，熱量通過熱傳導向內部擴散，因此其熔深較淺、適合薄板材料的焊接。深熔焊的功率密度較大，材料氣化產生等離子體并形成“匙孔”，匙孔及等離子體吸收激光束的能量并轉化為熱能，使孔腔周圍的金屬熔化[7]；隨著激光束的移動，匙孔及孔壁四周的熔融金屬同步前移，熔融金屬填充了匙孔移開后產生的空隙并且隨之冷卻凝固，形成激光焊縫。因此可見，激光焊接屬于一種精密焊接技術，由于激光光斑直徑較小，相應地其橋接性差，對裝配精度要求極高，實際應用中效率較低，焊接厚板時也會出現未熔合、裂紋、氣孔等缺陷。此外，在厚板激光焊接過程中，等離子體屏蔽效應一直很難得到妥善的解決[8]。

從上面幾種厚板鋼材常用的焊接方法來看，無論是哪種焊接方法，單一熱源和單一焊接技術都存在著一定的局限性,焊接后的厚板鋼材成型模具都存在著一定的缺陷，限制了成型模具的精度和批量化的生產，給飛機制造帶來了瓶頸。為了解決這一問題，今年來人們逐漸將目光集中在復合熱源焊接技術上，采用復合熱源焊接不僅能兼容單個熱源的優勢，還能彌補單一熱源焊接帶來的焊接缺陷。其中激光-MAG復合焊接技術就是厚板鋼材焊接的理想焊接技術之一。激光-MAG 復合焊通過激光與電弧兩種熱源的適當復合，可使得焊接后的厚板鋼材獲得優異的焊接性能。熱源的耦合通過帶電粒子耦合來實現，激光光斑處產生高密度高溫度的光致等離子體，且聚集在很小的區域，而 MAG 電弧相對具有低密度低溫度，且分布區域較大；在溫差與密度差的作用下，部分光致等離子體轉移至電弧，宏觀表現為 MAG 電弧收縮并指向光斑，這不僅降低激光匙孔中等離子體的濃度，減輕其對激光的屏蔽效應，而且補充電子和正離子到電弧中，使電弧燃燒更加穩定、減少飛濺，同時引導熔融狀態下的焊絲向焊縫深處過渡，增加熔深。同時，電弧使得激光匙孔變得穩定，這有效地降低了接頭內部工藝氣孔的數量，而且由于熔池停留時間增加，延長了熔池中氣泡的溢出時間，進一步減少了焊縫中氣孔的數量。激光-MAG 復合焊與單獨激光焊相比，焊縫的熔深增大，對裝配精度要求降低，另外電弧的預熱作用還可增強試樣表面對激光的吸收率；激光-MAG 復合焊與單獨 MAG 相比，大幅降低熱輸入，無需大電流，穩定的熔滴過渡減少飛濺，焊縫成形較好。

2 實驗

2.1 實驗材料

本實驗所用的厚板鋼材是尺寸為20mm厚的Q235碳素結構鋼，Q235的含碳量不高且鋼材綜合性能良好。激光-MAG復合焊使用牌號為 MG50-6的氣體保護焊絲，焊絲的半徑為0.6 mm，母材表面抗氧化、抗油污能力較強，氣孔敏感性較小。Q235和MG50-6焊絲的化學成分見表1，從表1中可以看出二者化學成分接近。Q235碳素結構鋼的金相如圖1所示，Q235的組織為晶粒尺寸在20～50 μm的鐵素體，同時還有極少量的馬氏體。激光-MAG復合焊的保護氣采用 20%的CO2與 80%的氬氣混合而成。

表1 Q235和MG50-6焊絲的化學成分表Table 1 Chemical composition of Q235 and MG50-6 wires

圖1 Q235碳素結構鋼的金相照片Fig.1 Metallographic photographs of Q235 carbon structural steel

2.2 設備

本實驗所用焊接設備是激光-MAG 復合焊接系統，系統主要包括YLS-6000 型光纖激光器，激光器的工作波長為1.03μm，設備最大輸出功率為7kW, 聚焦鏡焦距 255mm，位于焦點時光斑直徑約 0.15～0.25 mm；系統另一部分是Fronius 焊機，最大輸出電流 400A; KUKA 六軸機器人，重復精度≤0.15mm。激光焊接頭與焊槍以一定角度裝配在機器人上，構成激光-MAG 復合焊接實驗系統。

3 激光-MAG復合焊接工藝及焊接接頭性 能分析

3.1 激光-MAG 復合焊接工藝研究

本實驗選用厚度為20mm厚的Q235碳素結構鋼，因為本實驗采用的YLS-6000型光纖激光器設備最大輸出功率為7kW，不能一次就熔穿20mm厚的Q235碳素結構鋼，為了解決這一問題，采用了兩種不同開坡口的形式，分別為雙面無坡口形式、雙面開坡口形式和單面開坡口形式。開坡口的示意圖如圖2所示。

圖2 雙面無坡口形式、雙面開坡口形式和單面開坡口形式試樣橫截面示意圖Fig.2 Schematic diagrams of cross-sections of specimens with doublesided grooveless, double-sided groove and single-sided groove

我們首先研究雙面無坡口形式的激光-MAG 復合焊接工藝，首先將試樣用線切割切成尺寸為90mm × 60mm 的矩形塊，然后通過砂紙將Q235碳素結構鋼的表皮氧化膜清理干凈，清洗之后，反正兩面各進行一次焊接，雙面無坡口形式的優點是減少坡口對母材的結構性破壞，且焊接之前無需多余的加工。但是不開坡口的缺點是母材兩面的焊縫搭接率較低，如果正反兩次焊接的位置出現偏差，就會導致正反兩道焊縫不能對齊，嚴重的還會導致厚板鋼材的中心未熔合，影響整體焊接的質量。

不同焊接速度的焊縫如圖3所示，每種焊接工藝都標在了圖片的底部，可以看出，無論正反兩面的單道焊接均未能熔透母材，當在正面焊接時，氣體由裝配間隙逸出熔池，且在間隙下部形成氧化物等雜質；在反面施焊時，間隙中的氧化物雜質難以清除，且無逸出的通道，所以在焊縫的底部比較容易出現氣孔缺陷。

圖3 不同焊接速率雙面無坡口形式激光-MAG 復合焊接工藝Fig.3 Double-sided grooveless laser-MAG hybrid welding process at different welding rates

之后對上述的缺陷進行改進，優化激光-MAG 復合焊接工藝的工藝參數，增大焊接時輸入能量。改進后的雙面無坡口形式激光-MAG 復合焊接工藝如圖4所示。可以看出，優化參數后的激光-MAG 復合焊接工藝的氣孔缺陷明顯的減少，但是正反兩次焊接的搭接率仍存在問題。

圖4 參數優化后雙面無坡口形式激光-MAG 復合焊接工藝Fig.4 Double-sided grooveless laser-MAG hybrid welding process after parameter optimization

雙面開坡口形式激光-MAG 復合焊接工藝是在試樣兩面對稱加工坡口，坡口的開口角度為60°，坡口的鈍邊尺寸為 10mm，也是正反兩面進行焊接。雙面開坡口形式激光-MAG 復合焊接的優點是由于需熔透的深度變小，所以可以很好地保證兩道焊縫的搭接率，這種處理工藝的缺點是因為雙面開了坡口，所以可能造成焊接后的熔敷量不夠，焊縫未填滿的情況。圖5為雙面開坡口形式激光-MAG 復合焊接工藝，從圖中可以看出正反兩道焊縫的搭接率可以得到很好的保證，但是會出現焊縫未填滿的情況，隨后增大了電弧電流，仍然無法解決焊縫未填滿的情況，所以雙面開坡口形式的激光-MAG 復合焊接工藝焊后需要采用MAG焊接工藝進行補焊。

圖5 雙面開坡口形式激光-MAG 復合焊接工藝Fig .5 Laser-MAG hybrid welding process with double grooves

相比于雙面開坡口形式的激光-MAG 復合焊接工藝，單面開坡口形式的試樣只需在試樣的一面開坡口，坡口的開口角度為60°,坡口的鈍邊尺寸為9mm。圖6為單面開坡口激光-MAG 復合焊接工藝，從圖中可以看出，相比于雙面無坡口形式和雙面開坡口形式的激光-MAG 復合焊接工藝，單面開坡口優勢在于只需要在單面焊接，可以適用于內部結構復雜或者內表面封閉的復雜成型模具，同時可以減少焊接機器人的裝配次數，提高了焊接的工作效率。單面開坡口形式的激光-MAG 復合焊接工藝也有很明顯的缺陷，那就是單面開坡口深度較大，對母材的破壞較大，而且激光-MAG 復合焊接打底之后需要多層多道MAG蓋面才能填充滿， 較易出現層間結合差、氣孔、未熔合等焊接缺陷， 降低焊縫整體質量而且多次熱循環會產生較多的殘余應力，會使試樣發生變形，甚至形成裂紋。

圖6 單面開坡口激光-MAG 復合焊接工藝Fig.6 Single-sided groove laser-MAG hybrid welding process

從上述三種激光-MAG 復合焊接工藝可以看出，三種不同形式的焊接工藝均存在明顯的優點和不足，三種工藝的蓋面效果和焊接效率都不同，但是三種工藝都未能完全熔透母材。總體來說，在保證余高足夠的情況下，蓋面次數越少，則焊接接頭的品質越高，越不易出現氣孔、裂紋等焊接缺陷。而減少蓋面次數需提高熔敷效率，不能單純地依靠某一項參數，需要調節各項工藝參數來實現合適的匹配。

3.2 激光-MAG 復合焊接接頭分析

本實驗典型的激光-MAG 復合焊接接頭的形貌如圖7所示，與傳統焊接方法的接頭組織相近，激光-MAG 焊接焊縫由于焊接熱循環的作用，不同區域的組織和性能存在著差異。焊接接頭按受熱情況及相變程度的不同，可簡單地劃分為四個區域：焊縫區、熔合區、熱影響區與母材。焊縫區由激光熔池與電弧熔池耦合而成，呈傘狀，主要由粗大的柱狀樹枝晶構成。焊縫上部的柱狀晶起始于熔合線，呈“八”字分布，生長方向指向余高中心，焊縫中部的柱狀樹枝晶生長方向指向焊縫中心，下部柱狀晶則指向背面余高中心，這顯示了焊接后冷卻過程中熱流的走向與溫度梯度的變化。而焊縫中部中心則出現少量等軸晶，說明冷卻速度較快，即焊接速度較快。熔合區較窄，是固態母材與液化金屬的交界處，一部分晶粒未熔化但受熱后長大成為粗晶粒，另一部分晶粒熔化后在此處非自發形核，并沿熱流方向逐漸長大，成為焊縫區的柱狀晶。熱影響區（HAZ）沿著焊縫中心線指向母材方向可大致分為三個區域：粗晶區（過熱區）、細晶區（相變重結晶區）、不完全重結晶區。熱影響區的晶粒尺寸變化較大，如圖8所示。

圖7 激光-MAG 復合焊接接頭的形貌Fig.7 Morphology of laser-MAG hybrid welded joints

圖8 熱影響區的粗晶區(a)、細晶區(b)與不完全重結晶區(c)的金相組織Fig.8 The microstructure of coarse grain zone(a), fine grain zone(b) and incomplete recrystallization zone (c)in heat affected zone

4 總結與展望

通過本文的實驗以及對激光-MAG 復合焊接接頭的分析發現，雙面無坡口形式、雙面開坡口形式和單面開坡口形式三種不同的激光-MAG 復合焊接工藝均存在明顯的優點和不足，三種工藝的蓋面效果和焊接效率都不同，但是三種工藝都未能完全熔透母材。總體來說，在保證余高足夠的情況下，蓋面次數越少，則焊接接頭的品質越高，越不易出現氣孔、裂紋等焊接缺陷。而減少蓋面次數需提高熔敷效率，不能單純地依靠某一項參數，需要調節各項工藝參數來實現合適的匹配。隨著光纖激光器技術的成熟，激光加工的成本必將逐步下降，帶動激光-MAG復合焊接技術走向更加廣闊的應用領域。