基于大离焦模式的Nd:YAG激光-MAG复合热源焊接工艺

掌丽华，雷振，秦国梁

（1.徐工机械建设机械分公司，江苏 徐州 221004；2.机械科学研究院哈尔滨焊接研究所，黑龙江 哈尔滨 150028；3.山东大学材料连接技术研究所，山东 济南 250061）

0 前言

激光-电弧复合热源焊接是由英国学者Steen于20世纪70年代末提出的[1]，经过20多年的研究与发展，该项焊接技术日益成熟，并逐渐发展成为一种新型、优质、高效的焊接技术。目前，该焊接技术已经在造船、汽车制造、石油化工管道焊接、压力容器制造、航空航天等领域得到了较为广泛的应用[2-5]。

从目前的研究和应用状况来看，激光-电弧复合热源焊接中所用的激光器主要为YAG固体激光器和CO2激光器。在激光-电弧复合热源焊接过程中，激光束的光斑直径尽可能小，得到的激光功率密度非常高，以此来获得最大的焊缝熔深。与传统电弧焊相比，小光斑激光-电弧复合热源焊接可以显著增大焊缝熔深，提高焊接过程的稳定性，并提高焊接生产效率。尽管半导体激光器具有体积小、价格相对便宜的优点，但是由于半导体激光器产生的激光光斑较大，照射在被焊工件上的激光功率密度相对较低，因此半导体激光器在激光-电弧复合热源焊接领域没有得到推广应用。

基于大离焦模式的激光-电弧复合热源焊接技术的研究有望将体积小、价格相对便宜的半导体激光器应用于激光-电弧复合热源焊接，因此研究大离焦激光-电弧复合热源焊接工艺具有重要的现实意义。

1 试验设备、材料及方法

试验所用激光器为德国HASS公司生产的最大额定功率为2 kW的HL2006D型Nd：YAG激光器，试验中采用焦距为200mm的激光头；所用焊机为奥地利Fronius公司生产的TPS5000型数字化焊机，焊接过程采用脉冲MAG焊，熔滴过渡频率为1滴/脉冲。

试验材料为Q235钢，试板尺寸为400mm×200 mm×10mm；焊丝为ER50-6碳钢MAG焊丝，直径1.2 mm。本试验通过改变焊接参数在试板上进行堆焊试验，对得到的焊缝熔深、熔宽及余高进行测量，以此来研究大离焦激光-电弧复合热源焊缝成形规律。试验过程中激光离焦量△z=+7mm（规定激光束焦点在工件上表面之上为正离焦）固定不变，Nd：YAG激光离焦量与光斑半径的关系可由如下公式确定：

式中：R0为激光束焦点半径（m）；△z为离焦量（m）。

对于焦距f=200mm的透镜，聚焦激光束的焦点半径光斑直径R0=0.3×10-3m。经上述公式计算离焦量△z=+7 mm时，激光束在工件上表面的光斑直径d=1.73mm。

2 试验结果与分析

2.1 电弧功率对焊缝成形的影响

在1.5m/min的焊接速度下，固定激光功率（P=2 kW），通过调节送丝速度来改变电弧功率，从而研究电弧功率对焊缝成形的影响。从焊缝的表面成形状况来看，随着电弧功率的增大，无论是大离焦Nd：YAG激光-MAG复合热源焊缝还是单独MAG焊缝，表面成形越来越差，当焊接电流超过400 A后，在1.5m/min的焊接速度下焊缝都不能很好地成形。但是，在电弧功率合适的情况下，大离焦激光-电弧复合焊缝成形良好，图1是在其他焊接参数相同的条件下得到的焊缝成形照片,其中，图1a为大离焦Nd：YAG激光-MAG复合热源焊缝成形，主要焊接参数为：激光功率2 kW，焊接速度1.5m/min，焊接电流206 A，电弧电压26.2 V；图1b为其他焊接参数相同的条件下的单独MAG焊焊缝成形，主要焊接参数为：焊接速度1.5m/min，焊接电流224 A，电弧电压25.6 V。通过对两条焊缝成形的比较可以看出，大离焦Nd：YAG激光-MAG复合热源焊缝成形美观，而相同条件下的单独MAG焊缝已经不能很好地成形。

图1 焊缝成形照片

图2为本次试验得到的焊缝熔深随电弧功率的变化曲线。从图2中可以看出，除复合曲线中最后一个点（该点可能是因焊缝成形不好而出现的测量误差造成的），在相同的电弧功率下复合焊缝熔深要大于单独MAG焊焊缝熔深，而且这种现象在小电弧功率时更为明显，在电弧功率小于6 kW时，复合焊缝熔深约为单独MAG焊缝熔深的一倍左右。

图2 焊缝熔深随电弧功率变化曲线

图3为本次试验得到的焊缝熔宽随电弧功率的变化曲线。从曲线可以看出，略去曲线上最后一组有出入的点，大离焦Nd：YAG激光-MAG复合焊缝熔宽要大于相同电弧功率下单独MAG焊缝熔宽。

2.2 焊接速度对焊缝成形的影响

图3 焊缝熔宽随电弧功率变化曲线

图4 焊缝熔深随焊接速度的变化曲线

图4为焊缝熔深随焊接速度的变化曲线。从图4中我们可以看出，复合焊缝熔深总是大于相同焊接速度下MAG焊熔深。这种现象在激光与小功率电弧（送丝速度Uf=6m/min，焊接电流为160 A左右）复合的情况下更为明显，此时大离焦Nd：YAG激光-MAG复合焊缝熔深约为相同条件下单独MAG焊缝熔深的一倍左右；激光与大功率电弧（Uf=12m/min，焊接电流为300 A左右）复合的情况下，大离焦Nd：YAG激光-MAG复合焊缝熔深略大于相同条件下的单独MAG焊缝熔深，焊缝熔深约增加30%～40%。图5为焊缝熔深随焊接热输入的变化曲线。从图5中曲线可以看出，大离焦Nd：YAG激光-MAG复合焊缝熔深要大于相同焊接热输入下的单独MAG焊缝熔深，从而能够说明大离焦激光-电弧复合热源焊接中，激光与电弧两种热源并不是简单的叠加，激光与电弧之间仍然存在着一系列的相互作用。

图6为焊缝熔宽随焊接速度的变化曲线。从图6中可以看出，大离焦激光与小功率电弧（Uf=6m/min）复合时的复合焊缝熔宽要明显大于相同条件下单独MAG焊缝熔宽；而大离焦激光与大功率电弧（Uf=12 m/min）复合时，只有在低速（焊接速度小于1m/min）时，复合焊缝熔宽才大于相同条件下单独MAG焊焊缝熔宽。图7为焊缝余高随焊接速度的变化曲线。从图7中可以看出，大离焦Nd：YAG激光-MAG复合热源焊缝余高要小于相同条件下单独MAG焊焊缝余高。综合焊缝熔宽、焊缝余高随焊接速度的变化的规律可以发现，与相同焊接条件下的MAG焊相比，大离焦Nd：YAG激光-MAG复合热源焊接能够明显改善焊缝的表面铺展性。

图5 焊缝熔深随焊接热输入的变化曲线

图6 焊缝熔宽随焊接速度的变化曲线

图7 焊缝余高随焊接速度的变化曲线

图8 焊缝的余高熔宽比随焊接速度的变化曲线

为了更好地研究焊缝的铺展性，我们用焊缝的余高熔宽比r来反映焊缝铺展性的好坏，焊缝余高熔宽比越小，说明焊缝金属的铺展性越好。图8为焊缝余高熔宽比随焊接速度的变化曲线。从图8中可以看出，大离焦激光与小功率电弧（Uf=6m/min）复合时的复合焊缝余高熔宽比要明显小于相同条件下单独MAG焊焊缝余高熔宽比，从而说明复合焊缝的铺展性好；大离焦激光与大功率电弧（Uf=12m/min）复合时，只有在较低的焊接速度（焊接速度小于1m/min）下，复合焊缝的余高熔宽比才明显小于相同条件下单独MAG焊焊缝余高熔宽比。图9为试验中在1m/min的焊接速度下送丝速度为6m/min时得到的焊缝横截面。其中，图9 a为大离焦Nd:YAG激光-MAG复合热源焊缝横截面，图9 b为相同条件下单独MAG焊缝横截面。从图9中可以看出，大离焦Nd:YAG激光-MAG复合热源焊缝成形明显优于单独MAG焊缝成形，具体表现在复合焊缝熔深、熔宽较大，焊缝余高合适，焊缝的铺展性良好，可改善接头的疲劳性能。

图9 焊缝横截面照片

3 结论

（1）与相同条件下的MAG焊相比，大离焦（d=1.73 mm）Nd:YAG激光-MAG复合热源焊接，可以提高焊接过程稳定性，增加焊缝熔深。

（2）大离焦Nd:YAG激光与中小功率电弧复合时，激光与电弧的相互作用明显，焊缝成形良好；大离焦Nd:YAG激光与大功率电弧复合时，在较低的焊接速度（焊接速度小于1m/min）下，激光与电弧的相互作用显著，焊缝成形美观，当焊接速度超过1.5m/min后，焊接过程稳定性变差，焊缝成形不好，甚至不能很好地成形。

（3）与单独MAG焊相比，大离焦Nd:YAG激光-MAG复合热源焊接能显著地改善焊缝表面成形，提高焊缝金属的铺展性。

［1］ SteenW M.Arc augmented laser processing of materials[J].Journal of Application Physics,1980,51（11）:39-47.

［2］ Nobuguki Abe,Yasushi Kunugita.Dynamic observation of speed laser-arc combination welding of thick steel[C].Section G-ICALEO，1997，155.

［3］ U.Dilthey.Prospect by combing and coupling laserbeam and arc welding processes[J].Welding in the World，2000（3）:37-46.

［4］ Haferkamp H,Ostendorf A.Nd:YAG laser MIG hybrid welding of zinc-coated fine sheet metal and magnesium materials[J].Laser Opto，2001,33（1）:61-63.

［5］ Bruggemann G，Mahrle A.Comparison of experimental determined and numerical simulated temperature fields for quality assurance at laser beam welding of steels and aluminum alloying[J].NDT&E International，2000,33(1):453-463.

［6］ 秦国梁.Nd：YAG激光薄钢板深熔焊接小孔特征及同轴视觉传感[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2004.