中厚板T形接頭激光-MAG復合焊接工藝研究

劉俊，賈玉發，萬華，魏康明

銘鐳激光智能裝備（河源）有限公司 廣東河源 517000

1 序言

Q355低合金高強鋼具有高強度、高塑性、高韌性的特點，廣泛應用于橋梁、車輛、船舶、建筑物、壓力容器及特種設備等領域[1]。傳統的焊接方式采用CO2氣體保護焊，在焊接中厚板T形接頭時需要開坡口，進行多層多道焊接，存在焊接效率低、焊接變形量大及焊接接頭質量差等問題[2-4]。激光-MAG復合焊將激光與電弧兩種熱源相結合，可減少焊道層數，降低熱變形，具有焊接效率高、焊縫熔深大等優點[5-8]。因此，研究T形接頭激光-MAG復合焊接工藝對實際生產具有重要意義。

本文采用20kW光纖激光器進行激光-MAG復合焊接，對中厚板T形接頭Q355低合金高強鋼雙面焊接工藝進行研究，確定了復合焊接參數對焊縫成形的影響。

2 試驗準備

2.1 試驗材料

焊接試件為10～50m m厚的Q355低合金高強鋼。試件截面尺寸為300mm×150mm，接頭形式為T形接頭角焊縫、不開坡口。焊絲牌號為ER50-6，直徑1.2mm。焊接前處理掉表面氧化層、鐵銹，并用異丙醇擦拭焊接位置，去除油污、水和灰塵。試驗材料的化學成分及力學性能分別見表1、表2[9]。

表1 試驗材料化學成分（質量分數）（%）

表2 試驗材料力學性能

2.2 試驗設備及方法

試驗采用創鑫MFMC20000光纖激光器，最大輸出功率20kW，激光波長1064nm，準直100mm，聚焦300mm，聚焦后的光斑直徑0.45mm；弧焊系統采用福尼斯TPS 500i焊機，最大焊接電流500A，保護氣體為80%Ar+20%CO2混合氣體。激光-MAG復合焊接試驗裝置如圖1所示。先對兩塊試板定位焊成T形接頭，再使用虎鉗夾緊固定，板材水平放置焊接。

圖1 試驗裝置

3 試驗結果與分析

3.1 焊接角度與位置的確定

在T形接頭中，由于激光主要負責熔深穿透板材，所以激光入射方向需要盡量與焊接端面重合，但底板與焊接接頭存在干涉情況，導致激光無法水平焊接焊縫，與水平底板存在一定的角度，此角度為激光的入射角度（見圖2）。為確保焊縫全熔透激光從背面焊縫位置穿透，因此焊縫正面激光焊接位置點位于T形立板上。

圖2 焊接角度、位置示意

實際焊接測試時，不同厚度的板材焊接熔池形狀不同。當熔深為8mm時，激光與弧焊熔池無明顯過渡，焊縫宏觀金相整體呈三角形；當熔深為8～12mm時，激光與弧焊熔池有分離傾向，焊縫宏觀金相呈“喇叭”狀；當熔深＞12mm時，激光與弧焊熔池明顯區分開，弧焊熔池集中在焊縫表面位置，激光在焊縫中下位置，整體宏觀金相呈“釘子頭”狀。隨著板材厚度的不斷增加，焊縫熔寬從6mm逐漸縮小到2mm。

當激光入射角度太大、焊接位置偏上時，容易造成板材拼接處出現焊偏、未熔合的現象。同時為避免焊接頭與底板干涉，實際焊接時選取較大的激光入射角度，焊接位置偏向焊縫底板處，在焊接薄板時，可發現熔池能從焊縫背面的底板上表面穿透出來。

試驗得出不同厚度下最佳激光角度和焊接位置（與地板距離）見表3。

表3 不同厚度的激光入射角度與位置

當板厚＞12mm時，激光-MAG復合焊接效果變差，弧焊熔池無法跟隨激光進入板材深處，焊縫中下部激光的熔寬很窄，容易出現焊偏、未熔合現象。因此，需大幅調整激光入射角度，使激光束始終在焊縫附近。當板材厚度＞18mm時，激光入射角度已經降至最小角度7°。調節激光焊接位置靠近底板時，焊縫偏向底板，有效熔深變淺；激光焊接位置遠離底板時，會使焊縫上表面激光與弧焊過渡點出現焊偏缺陷，以及未焊到底板上的現象。

3.2 預留間隙對焊縫成形的影響

當焊接板厚＞12mm時，激光入射角度顯著減小，焊縫內部極易出現焊偏、未熔合等缺陷。激光復合焊適應性降低，根本原因在于激光-MAG復合焊效果變差，熔寬太窄。此狀態下極限焊接厚度為18mm。焊接板厚18mm以上板材時需改善焊縫熔池形狀，增加焊縫寬度。

當激光功率為8kW、焊接電流為240A、電弧電壓為26V、焊接速度為0.9m/min、焦點為－2mm時，不同的預留間隙下激光-MAG復合焊接16mm厚T形接頭焊縫宏觀金相如圖3所示。

圖3 不同預留間隙下激光-MAG復合焊接T形接頭焊縫宏觀金相

由圖3可知，當焊縫預留間隙為0mm時，激光焊接熔深為9mm，激光熔寬較窄；當預留間隙為0.5mm時，焊縫熔深增加到11mm，激光熔寬變化不明顯；當預留間隙為1mm時，焊縫熔深增加到13mm，熔寬明顯增加；當預留間隙為1.5mm時，完全熔透16mm板材，焊縫熔寬進一步變大。隨著預留間隙的不斷增大，焊縫熔深、熔寬也隨之增加；當預留間隙在0.5mm以內時，熔深增加比較明顯；當預留間隙為0.5～1mm時，熔深增加，熔寬緩慢變寬；當預留間隙＞1mm時，焊縫熔深、熔寬明顯增加，焊縫熔池形態變好，焊接適應性增加。

3.3 激光功率、離焦量對焊接熔深的影響

當焊接電流為260A、電弧電壓為28.4V、離焦量為0mm、縫隙為0.7mm時，激光-電弧復合焊接激光功率對熔深的影響如圖4所示。不同離焦量下激光功率對復合焊熔深的影響不同。

圖4 激光功率對熔深的影響

當厚度≤8mm時，激光和電弧焊兩種熱源耦合效果很好，焊縫熔深明顯大于單獨激光焊接時的熔深；當厚度＞8mm時，弧焊熔深無法很好地滲透到焊縫底部，復合焊接熔深與單獨激光焊接熔深接近。

激光離焦量決定了激光焊接時的能量密度、小孔的穩定性。試驗了不同焦點下的焊縫熔深與離焦量為0mm時的熔深比，如圖5所示。

圖5 離焦量對熔深的影響

由圖5可知，當激光離焦量在－8mm以下時，熔深快速降低，在到達－10mm時降低速率變緩，最終在－17mm時達到0mm離焦量熔深的0.5倍；當離焦量為－8mm時，熔深達到最大，為0mm離焦量熔深的1.4倍；離焦量從－8～＋15mm時，激光熔深逐漸減少到0mm，為離焦量熔深的0.5倍。

3.4 雙面焊接的能力

為測試20kW激光-MAG復合焊能否雙面焊透50mm厚T形接頭焊縫，在30mm厚T形接頭焊縫上測試單面焊接熔深。當激光功率為20kW時，直接穿透30mm厚T形接頭；當降低功率到17kW時，焊接熔深控制為27mm，宏觀金相如圖6所示。

圖6 30mm厚T形接頭宏觀金相

當激光入射角度為8°、激光功率為17kW、焊接位置1.5mm、離焦量為－8mm、焊接速度為0.6m/min、焊接電流為280A、電弧電壓為29.5V時，雙面焊透50mm，焊縫內部無明顯缺陷，宏觀金相如圖7所示。

4 結束語

1）不同厚度板材的激光入射角度不同，板材越厚激光入射角度越小。當激光入射角度＜7°時，容易直接焊到豎板上，出現焊偏的現象。

2）合適的間隙有利于提升焊接熔深、熔寬，改善焊縫內部熔池形狀。當預留間隙為1.2mm時焊縫熔池形狀最好。

3）激光功率與熔深整體呈線性關系，熔深隨激光功率的增加而增加；合適的離焦量可以顯著增加熔深，在激光-MAG復合焊接中，當離焦量為－8mm時熔深達到最大，為離焦量0mm時熔深的1.4倍。

4）當預留1.2mm間隙、激光功率17kW，離焦量－8mm時，以0.6m/min的焊接速度可雙面焊透50mm厚T形接頭焊縫。