Q355E圓錐管激光-MAG復(fù)合焊可行性應(yīng)用研究

廖寧寧，王艷淼，周永東，林敏，張弛

1.株洲國創(chuàng)軌道科技有限公司 湖南株洲 412000

2.中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

在軌道交通制造領(lǐng)域，Q355鋼中厚板主要采用多層多道電弧焊焊接，焊接效率低，加工精度差，且工件產(chǎn)生較大變形。激光復(fù)合焊具有焊縫深寬比大、速度快、熱輸入小等優(yōu)勢，是一種新型高效的焊接工藝，引起了國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[1-5]。

近年來，激光焊及激光復(fù)合焊技術(shù)在現(xiàn)代航空航天、國防領(lǐng)域以及國家建設(shè)中扮演著越來越重要的角色[6]。吳虎等[7]采用激光-MAG復(fù)合焊對Q355B鋼進(jìn)行焊接，優(yōu)化后的激光-MAG復(fù)合焊工藝可得到成形良好的焊接接頭。彭春濤[8]采用激光-MAG復(fù)合熱源焊接方法對高強(qiáng)度耐磨鋼和中碳低合金Mn-Si鑄鋼異種鋼的焊接性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，選擇合理的焊前預(yù)熱溫度及最優(yōu)的焊接工藝可以消除焊接冷裂紋。

本文針對6mm厚Q355E鋼板，采用激光-MAG復(fù)合焊、激光焊和M A G焊工藝，對比分析3種焊接接頭相關(guān)性能，旨在體現(xiàn)激光-MAG復(fù)合焊的優(yōu)勢；而后采用激光-MAG復(fù)合焊完成軌道交通車輛圓錐管產(chǎn)品的焊接，并與原有MAG焊進(jìn)行對比。

2 試驗(yàn)材料和研究方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用350mm×150mm×6mm的Q355E鋼板，表面機(jī)械打磨，用丙酮清洗待焊接部位及兩側(cè)各20mm范圍后烘干。激光-MAG復(fù)合焊及MAG焊采用18%CO2+82%Ar作為保護(hù)氣體，激光焊采用高純氬（純度為99.999%）作為保護(hù)氣；采用直徑為1.2mm的AWS ER70S-6焊絲。Q355E鋼板和ER70S-6焊絲的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

（1）激光試驗(yàn)設(shè)備 采用IPG YLS 6000W光纖激光器及IPG D50熔焊頭進(jìn)行焊接試驗(yàn)，搭配KUKA H60A機(jī)器人及Fronius TPS4000焊機(jī)完成激光自動焊接，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，激光器的主要性能參數(shù)見表2。

圖1 激光-MAG復(fù)合焊試驗(yàn)設(shè)備

表2 激光器主要性能參數(shù)

（2）激光-MAG復(fù)合焊工藝參數(shù)研究 毛鎮(zhèn)東等[9]研究10mm厚度、高強(qiáng)度低碳貝氏體鋼的激光復(fù)合焊工藝發(fā)現(xiàn)，采用激光功率5000W、單道焊接速度18mm/s、送絲速度12m/min等參數(shù)時，可有效避免背部焊瘤缺陷；李斌等[10]采用激光功率4600W、送絲速度12mm/s、焊接速度22mm/s，焊接6mm厚度BS960E高強(qiáng)鋼試板，可得到良好的焊接接頭。

結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本次試板不開坡口，采用激光-MAG復(fù)合焊對6mm厚Q355E鋼板進(jìn)行對接焊，焊接參數(shù)見表3。

表3 激光-MAG復(fù)合焊焊接參數(shù)

從表3可知，當(dāng)采用參數(shù)1焊接時，焊縫背面出現(xiàn)未焊透及焊瘤現(xiàn)象，經(jīng)分析是由激光功率過小或焊接速度過快導(dǎo)致的；當(dāng)采用參數(shù)2焊接時，增大激光功率至4400W，未焊透及焊瘤現(xiàn)象得到一定程度的改善；最終，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，采用參數(shù)5能得到單面焊雙面成形良好的接頭，無明顯氣孔、裂紋及未熔合等缺陷，故采用該工藝參數(shù)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)研究。

（3）激光-MAG復(fù)合焊、激光焊、MAG焊對比研究 6mm厚試板對接，激光及激光-MAG復(fù)合焊不開坡口；MAG焊為對接、60°V形坡口，2層2道焊接。保護(hù)氣體流量為22L/min，具體焊接參數(shù)見表4。

表4 激光-MAG復(fù)合焊、激光焊、MAG焊焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊縫形貌

焊后將試件切割成12mm×10mm×6mm的試樣，分別經(jīng)過打磨、拋光并使用4%硝酸酒精溶液侵蝕后，置于OLYMPUS DSX110三維視頻顯微鏡下觀察其宏觀金相。

3種焊接工藝的焊縫橫截面形貌如圖2所示，余高與熔寬對比如圖3所示。由圖2可知，激光-MAG復(fù)合焊焊縫熔寬約6mm，焊縫成形飽滿，單面焊雙面成形，焊縫無宏觀缺陷（見圖2a）；激光焊的焊縫、母材熔透，焊縫底部熔池流動且無焊接材料填充，表面出現(xiàn)塌陷，焊縫熔寬最小，僅3mm（見圖2b）；MAG焊焊縫熔寬較大，約為12mm，焊縫表面較為平整（見圖2c）。

Hussain等[20]研究發(fā)現(xiàn)S.subserrata中化合物53、64、122、142對革蘭陽性菌巨大芽胞桿菌和革蘭陰性桿菌大腸桿菌具有良好的抑菌作用，對真菌花藥黑粉菌的作用較弱。韓立芹[6]報道了旱柳葉的不同提取物的抑菌活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示石油醚層提取物對大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌具有抑菌作用，最小抑菌濃度為5 mg/mL，醋酸乙酯層提取物對大腸桿菌具有抑菌作用，最小抑菌濃度為25 mg/mL。

圖2 焊縫橫截面形貌

圖3 余高與熔寬對比

采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織，如圖4～圖6所示。MAG焊接頭的焊縫及熱影響區(qū)晶粒尺寸均明顯較大，主要是因?yàn)橄啾燃す?MAG復(fù)合焊及激光焊，MAG焊整體熱輸入量大且接頭冷卻速率相對慢很多，熱量長時間停留在焊縫，從而導(dǎo)致晶粒粗大（見圖6）。

圖4 激光-MAG復(fù)合焊微觀金相

圖5 激光焊微觀金相

圖6 MAG焊微觀金相

對比激光-MAG復(fù)合焊與激光焊焊縫區(qū)，在相同的焊接速度和激光功率下，激光焊的晶粒尺寸卻較為粗大（見圖5a）。主要原因是電弧所產(chǎn)生的電弧力和熔滴的沖擊力作用于復(fù)合焊熔池，電弧力和熔滴的沖擊力對熔池產(chǎn)生機(jī)械攪拌作用，促進(jìn)了金屬液流動，降低了熔池的溫度梯度，使焊縫組織得到細(xì)化[11]。

3.2 顯微硬度

采用Q60A維氏硬度計(jì)對焊縫橫截面進(jìn)行顯微維氏硬度檢測，加載力500g（4.9N），保載時間15s，間距0.35mm，焊接接頭的顯微硬度如圖7所示。由圖7可看出，接頭硬度以焊縫為中心大致呈對稱分布（M形）趨勢。

圖7 焊接接頭的顯微硬度

焊縫區(qū)平均硬度由小到大依次為：MAG焊＜激光焊＜激光-MAG復(fù)合焊，熱影響區(qū)平均硬度趨勢與焊縫區(qū)相同。由此可知，激光-MAG復(fù)合焊和激光焊在提高接頭硬度方面存在較為明顯的優(yōu)勢。

3.3 力學(xué)性能檢測

（1）拉伸試驗(yàn) 依據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到激光-MAG復(fù)合焊、激光焊、M A G焊平均抗拉強(qiáng)度依次為580MPa、580MPa和589MPa，3種焊接工藝斷裂位置均位于母材，如圖8所示。

圖8 拉伸試樣斷裂形貌

（2）彎曲試驗(yàn) 依據(jù)GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，采用φ24mm的彎頭對試樣進(jìn)行正彎和背彎，結(jié)果如圖9所示，三類樣件彎曲180°后，表面均未發(fā)現(xiàn)開裂，彎曲試驗(yàn)結(jié)果均合格。

圖9 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

（3）沖擊試驗(yàn) 依據(jù)G/BT 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，開VWS0/0.5缺口，沖擊試樣尺寸為55mm×10mm×5mm，試驗(yàn)在-40℃下進(jìn)行。激光-MAG復(fù)合焊、激光焊、MAG焊的平均沖擊吸收能量依次為106.3J、94.3J和85.7J，由此可知激光-MAG復(fù)合焊焊縫沖擊性能最佳。

綜合可知，對6mm厚Q355E鋼板對接焊時，激光-MAG復(fù)合焊的焊縫形貌、顯微硬度、力學(xué)性能均具有較為明顯的優(yōu)勢。故后續(xù)采用該工藝對6mm圓錐管進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

4 激光-MAG復(fù)合焊焊接圓錐管

圖10 圓錐管焊接

4.1 產(chǎn)品焊接結(jié)果

采用優(yōu)化后的焊接參數(shù)（見表4），順利實(shí)現(xiàn)了圓錐管的激光-MAG復(fù)合焊制造。焊后的圓錐管焊縫美觀，焊接變形小，同軸度＜2mm，焊接過程如圖11所示，焊接效果對比如圖12所示。

圖11 激光-MAG復(fù)合焊過程

圖12 圓椎管焊接效果對比

4.2 產(chǎn)品結(jié)果分析

焊接熱輸入密度計(jì)算公式為

式中Q——熱輸入密度（kJ/mm）；

P——激光功率（W）；

v——焊接速度（mm/s）；

U——電弧電壓（V）；

I——焊接電流（A）；

η——焊接熱輸入影響因子 ，本次統(tǒng)一按照η＝1計(jì)算。

激光-MAG復(fù)合焊與原MAG焊熱輸入密度對比如圖13所示。

圖13 熱輸入密度對比

由圖13可知，采用激光-MAG復(fù)合焊的圓錐管熱輸入密度是MAG焊的3/10，這是使同軸度得以提升的根本原因。

焊絲消耗量計(jì)算公式為

式中T——焊接時間（min）；

v——焊接速度（m/min）；

v2——送絲速度（m/min）；

S——焊絲用量（m）。

采用激光-MAG復(fù)合焊焊接的圓錐管所需消耗焊絲量約為MAG焊的1/10（見圖12），但焊接效率卻是其10倍。

5 結(jié)束語

1）通過采用激光-M A G復(fù)合焊、激光焊、MAG焊3種不同工藝對6mm厚Q355E鋼板進(jìn)行對接試驗(yàn)，得出激光-MAG復(fù)合焊具有明顯的工藝優(yōu)勢。

2）在保證圓錐管全焊透的同時，對比激光-MAG復(fù)合焊與MAG焊效果，得出激光-MAG復(fù)合焊在焊接效率、焊接材料消耗、焊接質(zhì)量方面都有大幅提升。本次試驗(yàn)研究可為激光-MAG復(fù)合焊技術(shù)在軌道交通的推廣應(yīng)用起到直接的借鑒作用。