張書生， 鐘立明

(沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110167)

0 前言

焊腳高度10 mm以上目前主要采用半自動、自動熔化極氣保護多層多道焊接，焊接工藝非常成熟，目前仍存在生產(chǎn)效率低、熱輸入大、焊接飛濺多等缺點。激光具有方向性強、能量集中的熱源優(yōu)勢可以實現(xiàn)鑰匙孔深熔焊，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是把激光熱源與電弧熱源耦合在一個區(qū)域進行焊接，充分利用兩種熱源的各自優(yōu)點[1-3]。激光-電弧復(fù)合焊接相比于單激光焊接可獲得更大的熔深，由以下幾方面原因構(gòu)成：由于電弧對工件的加熱，增加了工件對激光的吸收率；激光等離子體和電弧等離子體的相互作用，電弧等離子體一般會對激光等離子體有稀釋作用，因此減小了等離子體對激光的折射；激光-電弧復(fù)合焊接時通過采用Y形坡口，激光所需穿透的深度相對減小，使復(fù)合焊接工件的厚度增加[4-6]。同時激光可穩(wěn)定電弧，減小電弧焊接飛濺，達到改善焊縫金屬成形的目的[7-9]。

文中試驗采用激光與MAG電弧焊接方法對10 mm厚Q355進行單道全熔透焊接。其研究結(jié)果對激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在中厚板結(jié)構(gòu)件全熔透焊接應(yīng)用領(lǐng)域可行性提供一定的試驗依據(jù)。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗材料為10 mm厚的Q355低合金鋼，母材顯微組織如圖1所示。母材晶粒尺寸均勻一致，由鐵素體和部分珠光體組成，組織在軋制狀態(tài)下呈現(xiàn)出平行于軋制方向。試板對接采用Y形坡口形式：鈍邊高度6 mm、坡口角度40°。電弧采用φ1.2 mm的ER50-6實心焊絲，保護氣體為82%Ar+18%CO2。

圖1 母材顯微組織

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由激光器、焊機、激光-電弧復(fù)合焊接頭等組成。其中激光器為6 kW的IPG光纖激光器，光纖直徑為φ150 μm；電弧焊機采用全數(shù)字化逆變焊接電源福尼斯TPS 500i；激光-電弧復(fù)合焊接頭為：Precitec YW 52+ TBi焊槍+復(fù)合連接機構(gòu)。激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)照片如圖2所示。

圖2 激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊接工藝

激光-電弧復(fù)合焊接除了激光與電弧各自的工藝參數(shù)之外，兩個熱源的相對位置、排列順序等因素都會對焊縫金屬成形有較大的影響。該試驗在10 mm厚板進行激光-電弧復(fù)合焊接時激光引導(dǎo)在前，激光垂直于焊接方向可以得到更大的熔深，電弧焊槍為推槍焊接有利于焊縫成形。激光工藝參數(shù)：激光功率為5 kW，離焦量為0 mm。電弧工藝參數(shù)：焊接模式采用脈沖一元化，焊接電流為240 A，保護氣體流量為25 L/min。激光與電弧相對關(guān)系：激光與電弧間距(指的是工件表面激光與電弧瞄準(zhǔn)點之間的距離)為2 mm，激光與電弧夾角為30°。焊接速度為0.8 m/min，試板組對間隙0.5 mm。焊縫成形圖片如圖3所示。

圖3 復(fù)合焊接試件圖片

2.2 顯微組織

該試驗激光-電弧復(fù)合焊接中激光和電弧的熱輸入相當(dāng)，焊縫可分為電弧能量主要作用的坡口區(qū)域，基本由填充焊絲與部分熔化的母材共同形成；激光能量主要作用的鈍邊區(qū)域，基本由受激光能量熔化的母材與少部分填充金屬形成。

坡口區(qū)域焊縫金屬最先在靠近熔合區(qū)的母材上非自發(fā)形核，焊接接頭顯微組織如圖4所示。由于坡口區(qū)域焊縫在高溫停留時間較長，散熱方向決定了晶體生長的方向，形成典型的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。隨著溫度的降低，塊狀先共析鐵素體首先沿著柱狀奧氏體晶界析出，隨后側(cè)板條鐵素體以板條形式向晶內(nèi)長大，最后在奧氏體晶內(nèi)出現(xiàn)針狀鐵素體。

圖4 坡口區(qū)域的焊縫顯微組織

鈍邊區(qū)域焊縫金屬由于激光的穿透性鑰匙孔效應(yīng)焊接形成的熔池窄小，冷卻速度快能在液相中形成較寬的成分過冷區(qū)，有利于非自發(fā)形核，焊接接頭顯微組織如圖5所示。與坡口區(qū)域焊縫相比沒有形成柱狀晶體結(jié)構(gòu)，晶粒明顯細化，焊縫組織主要由細小均勻的針狀鐵素體組成，針狀鐵素體相互交織在一起，對提高焊縫金屬的強度起到作用。焊接熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱地帶，由于激光的低熱輸入，鈍邊區(qū)域的熱影響區(qū)域小于坡口區(qū)域，有利于提高焊縫綜合力學(xué)性能。

圖5 鈍邊區(qū)域的焊縫顯微組織

2.3 力學(xué)性能

拉伸試驗斷口位置發(fā)生在母材上，由此可知焊接接頭的強度要高于母材，試件拉伸過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。復(fù)合焊接接頭屈服強度為429 MPa，斷后伸長率為23%。

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

焊接接頭在拉伸過程中在母材部位產(chǎn)生頸縮后斷裂，掃面電鏡圖片如圖7所示，拉伸試件斷口的微觀形態(tài)為等軸韌窩，凹坑大小細小均勻，這說明焊接接頭拉伸斷裂形式為韌性斷裂。

圖7 母材拉伸斷口形貌

母材與焊接接頭沖擊試樣采用夏比V形缺口，試驗溫度為0 ℃。在沖擊過程中首先受到很大的外部沖擊力快速失穩(wěn)擴展，典型形貌如圖8所示。母材的斷口形貌主要為準(zhǔn)解理斷裂，撕裂棱明顯。焊縫的斷口形貌主要為準(zhǔn)解理斷裂，并伴有少量的撕裂韌窩，這是由于受電弧熱源的影響，填充金屬材料對斷口形貌產(chǎn)生的影響。

圖8 沖擊斷口形貌

焊接接頭硬度分布曲線如圖9所示，鈍邊區(qū)域、坡口區(qū)域分別為距離下表面、上表面2 mm的硬度分布曲線。鈍邊區(qū)域焊縫金屬硬度約為269 HV，坡口區(qū)域硬度約為255 HV。歸因于鈍邊區(qū)域焊縫熔池小，冷卻速度快，為均勻細小的針狀鐵素體和珠光體組織。

圖9 焊接接頭硬度分布曲線

3 結(jié)論

(1)對10 mm厚Y形坡口對接接頭采用激光-電弧復(fù)合單道焊接工藝，焊接工藝參數(shù)：激光功率為5 kW，電弧焊接電流為240 A；激光與電弧間距為2 mm、夾角為30°；焊接速度為0.8 m/min，試板組對間隙0.5 mm。獲得了良好力學(xué)性能的焊接接頭。

(2)焊縫組織主要為針狀鐵素體及部分珠光體。鈍邊區(qū)域的熱影區(qū)較坡口區(qū)域的窄小，鈍邊區(qū)域的焊縫組織較坡口區(qū)域的細小。

(3)焊接接頭屈服強度為429 MPa，斷后伸長率為23%，拉伸斷口形貌為等軸韌窩。焊縫的沖擊斷口形貌主要為準(zhǔn)解理斷裂。鈍邊區(qū)域焊縫金屬硬度約為269 HV，坡口區(qū)域硬度約為255 HV。