激光-MAG电弧复合焊接单面焊双面成型工艺

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（1.北京化工大学机电工程学院，北京100029；2.唐山开元焊接自动化技术研究所有限公司，河北唐山063000；3.北京石油化工学院机械工程学院，北京102617）

0 前言

单面焊双面成型是焊接生产中的常用方法，可以提高生产率，降低生产成本，在管道安装、造船业、锅炉、压力容器等行业更显突出作用。

20世纪80年代初，英国学者W.M.Steen首先提出了激光与电弧复合焊接概念[1]，激光电弧复合热源将电弧与激光复合在一起，同时作用于同一个工件，不仅很好地结合了二者优点，弥补了各自的不足，并且产生了“1+1＞2”的效果[2]。根据电弧种类不同，激光电弧复合焊接主要分为：激光-TIG复合焊接、激光-MIG/MAG复合焊接、激光等离子弧复合焊接、激光双电弧复合焊接。在此主要研究激光-MAG电弧复合焊接，此复合焊接可以焊接的板厚更大，适应性更强。

1 实验设备、材料和方法

实验采用的激光设备是美国IPG公司的YLS-4000光纤激光器，最大激光功率4 kW，主要由激光焊接头、控制系统、激光器、水冷系统组成。焊机采用芬兰KEMPPI公司生产的KMS500专用焊机，采用自行设计的复合焊接机构进行旁轴复合，通过数控三维平台带动焊件实现焊接所需的相对运动。

图1 激光复合焊接实验平台Fig.1 Experimental Platform of laser composite welding

实验采用4～10 mm的Q345B结构钢板进行对接焊，焊丝为直径1.2 mm的神钢MG-51T焊丝。保护气体为 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合气体，气体流量20 L/min；激光采用垂直入射方式，MAG焊枪与垂直方向夹角为20°～40°。试验前用丙酮或者酒精去除试件表面油污，用角磨机和钢丝刷去除试件表面氧化膜。焊接完成后，避开焊接起始和结束处的不稳定阶段，选取焊缝长度1/3处进行取样，观察焊缝横截面宏观形貌。

2 实验结果和分析

2.1 不同厚度、不同焊接参数下钢板对接单面焊双面成型效果

（1）4 mm钢板单面焊双面成型可行性试验。

通过改变激光功率、焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接速度等参数，分别对4 mm的Q345B钢板进行单面焊接，在2号试件中加入1.5 mm间隙和1.5 mm错边，各组试件的工艺参数见表1。两组典型的正反面成型效果如图2和图3所示。

可以看出，4 mm钢板复合焊接时对参数的改变不敏感，一定参数范围内均可以实现单面焊双面成型，且成型效果良好，在1.5mm间隙和1.5 mm错边量下仍可以实现很好的单面焊双面成型。

表1 4 mm钢板对接的焊接参数Table 1 Welding parameters of butt joint of 4 mm steel plate

图2 1号钢板正反两面成型效果Fig.2 Shaping effect of No.1 steel plate

图3 2号钢板正反两面成型效果Fig.3 Shaping effect of No.2 steel plate

（2）5mm、6mm钢板单面焊双面成型可行性试验。

通过改变激光功率、焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接速度等参数，分别进行5 mm和6 mm的Q345B钢板单面焊接，3号试件是5 mm钢板；4号试件是6 mm钢板，在4号试件中加入2 mm间隙和1.5 mm错边。各组试件的焊接工艺参数如表2所示，两组典型的正反面成型效果如图4、图5所示。

表2 5 mm和6 mm钢板对接的焊接参数Table 2 Welding parameters of butt joint of 5 mm and 6 mm steel plate

图4 3号钢板正反两面成型效果Fig.4 Shaping effect of No.3 steel plate

从成型效果看，5 mm和6 mm的钢板复合焊接时对焊接参数的改变也不太敏感，表2中的参数均可实现单面焊双面成型，成型效果良好。在2 mm间隙和1.5 mm错边情况下，6 mm的钢板对接也实现了单面焊双面成型。

（3）10 mm钢板单面焊双面成型可行性试验。

此组实验材料为10 mm的Q345B钢板，开50°V型坡口，1～3 mm钝边，试件5有0～2 mm的渐变间隙。通过改变激光功率、焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接速度等参数进行焊接，观察钢板的成型效果。各组试件的焊接工艺参数如表3所示，几组典型的正反两面的成型效果如图6和图7所示。

表3 10 mm钢板对接的焊接参数Table 3 Welding parameters of butt joint of 10 mm steel plate

图6 5号钢板正反两面成型效果Fig.6 Shaping effect of No.5 steel plate

结果表明，10 mm的Q345B钢板在1 mm钝边和3 mm钝边的情况下复合焊接成型效果均良好。2 mm间隙的实验发现，相同参数同样能完成单面焊双面成型且效果较好，说明激光电弧复合焊能够允许一定的间隙量。

2.2 焊缝宏观形貌

（1）无间隙无错边的各试件焊缝形貌。

图7 6号钢板正反两面成型效果Fig.7 Shaping effect of No.6 steel plate

无间隙和错边情况下获得的焊缝截面照片如图8～图10所示。

图8 4 mm板厚的焊缝宏观形貌Fig.8 4 mm macro morphology of weld

图9 5 mm板厚的焊缝宏观形貌Fig.9 5 mm macro morphology of weld

不同情形下各个试件均能焊透，成型效果良好，内部无明显缺陷。激光功率对焊缝熔深影响较大，激光功率越高，熔深越大；电流大小对熔宽影响较大，电流越大，熔宽越大。

（2）有间隙和错边的各试件的焊缝形貌。

图10 10 mm板厚的焊缝宏观形貌Fig.10 10 mm macro morphology of weld

在实际焊接生产过程中，焊接坡口加工和焊件装配精度有时会产生间隙或错边等情况，针对这种情况开展激光-MAG复合焊接对错边和间隙的适应性研究具有重大实际意义。在一定间隙和错边量情况下获得的焊缝截面照片如图11～图13所示。

图11 带间隙和错边4 mm板厚焊缝形貌Fig.11 4 mm weld morphology with gap and edge

图12 带间隙和错边9 mm板厚焊缝形貌Fig.12 9 mm weld morphology with gap and edge

图13 带间隙和错边10 mm板厚焊缝形貌Fig.13 10 mm weld morphology with gap and edge

可以看出，坡口间隙越大，焊缝背透熔宽、余高越大，焊缝熔深越小。在带错边的试件中，当错边达到1.5 mm时仍可获得良好的焊缝形貌，错边处的焊缝和母材金属过渡圆滑，未出现焊漏和塌陷等缺陷，该复合焊接工艺对间隙和错边有良好的适应性。

3 结论

（1）在4～10mm的Q345B钢板对接焊中，激光-MAG电弧复合焊可以在较宽的参数范围下获得良好的单面焊双面成型。

（2）在合适参数下，激光-MAG电弧复合焊能够轻松实现带坡口的10 mm钢板一次焊接完成，且单面焊双面成型效果良好。

（3）在存在0～1.5 mm间隙和0～1.5 mm错边情况下，激光-MAG电弧复合焊依然可以完成单面焊双面成型，并且成型质量良好，说明激光-MAG电弧复合焊对间隙和错边具有良好的容忍度。

[1]Steen W M.Arc augmented laser processing of materials[J].Journal of Applied Physics，1980，51（11）：5636-5641.

[2]肖荣诗，吴世凯.激光-电弧复合焊接的研究进展[J].中国激光，2008，35（11）：1680-1685.

[3]李志宁，都东，常保华，等.激光-等离子弧复合焊技术的研究进展[J].焊接，2007（9）：19-22.

[4]孙壮.单面焊双面成型的焊接工艺试验[J].中国重型装备，2013（1）：36-38.

[5]王焱，梁朝旭，周清.纯铜的TIG单面焊双面成形工艺[J].焊接技术，2006，35（1）：47-48.

[6]高信.论单面焊双面成型[J].山东工业技术，2016（3）：2-4.

[7]张凌.CO2气体保护焊单面焊双面成形技术[J].起重运输机械，2003（5）：23-26.

[8]刘双宇，张宏，石岩，等.CO2激光-MAG电弧复合焊接工艺参数对熔滴过渡特征和焊缝形貌的影响[J].中国激光，2010（12）：3172-3179.