中厚板T形接头激光-MAG复合焊接工艺研究

刘俊，贾玉发，万华，魏康明

铭镭激光智能装备（河源）有限公司 广东河源 517000

1 序言

Q355低合金高强钢具有高强度、高塑性、高韧性的特点，广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑物、压力容器及特种设备等领域[1]。传统的焊接方式采用CO2气体保护焊，在焊接中厚板T形接头时需要开坡口，进行多层多道焊接，存在焊接效率低、焊接变形量大及焊接接头质量差等问题[2-4]。激光-MAG复合焊将激光与电弧两种热源相结合，可减少焊道层数，降低热变形，具有焊接效率高、焊缝熔深大等优点[5-8]。因此，研究T形接头激光-MAG复合焊接工艺对实际生产具有重要意义。

本文采用20kW光纤激光器进行激光-MAG复合焊接，对中厚板T形接头Q355低合金高强钢双面焊接工艺进行研究，确定了复合焊接参数对焊缝成形的影响。

2 试验准备

2.1 试验材料

焊接试件为10～50m m厚的Q355低合金高强钢。试件截面尺寸为300mm×150mm，接头形式为T形接头角焊缝、不开坡口。焊丝牌号为ER50-6，直径1.2mm。焊接前处理掉表面氧化层、铁锈，并用异丙醇擦拭焊接位置，去除油污、水和灰尘。试验材料的化学成分及力学性能分别见表1、表2[9]。

表1 试验材料化学成分（质量分数）（%）

表2 试验材料力学性能

2.2 试验设备及方法

试验采用创鑫MFMC20000光纤激光器，最大输出功率20kW，激光波长1064nm，准直100mm，聚焦300mm，聚焦后的光斑直径0.45mm；弧焊系统采用福尼斯TPS 500i焊机，最大焊接电流500A，保护气体为80%Ar+20%CO2混合气体。激光-MAG复合焊接试验装置如图1所示。先对两块试板定位焊成T形接头，再使用虎钳夹紧固定，板材水平放置焊接。

图1 试验装置

3 试验结果与分析

3.1 焊接角度与位置的确定

在T形接头中，由于激光主要负责熔深穿透板材，所以激光入射方向需要尽量与焊接端面重合，但底板与焊接接头存在干涉情况，导致激光无法水平焊接焊缝，与水平底板存在一定的角度，此角度为激光的入射角度（见图2）。为确保焊缝全熔透激光从背面焊缝位置穿透，因此焊缝正面激光焊接位置点位于T形立板上。

图2 焊接角度、位置示意

实际焊接测试时，不同厚度的板材焊接熔池形状不同。当熔深为8mm时，激光与弧焊熔池无明显过渡，焊缝宏观金相整体呈三角形；当熔深为8～12mm时，激光与弧焊熔池有分离倾向，焊缝宏观金相呈“喇叭”状；当熔深＞12mm时，激光与弧焊熔池明显区分开，弧焊熔池集中在焊缝表面位置，激光在焊缝中下位置，整体宏观金相呈“钉子头”状。随着板材厚度的不断增加，焊缝熔宽从6mm逐渐缩小到2mm。

当激光入射角度太大、焊接位置偏上时，容易造成板材拼接处出现焊偏、未熔合的现象。同时为避免焊接头与底板干涉，实际焊接时选取较大的激光入射角度，焊接位置偏向焊缝底板处，在焊接薄板时，可发现熔池能从焊缝背面的底板上表面穿透出来。

试验得出不同厚度下最佳激光角度和焊接位置（与地板距离）见表3。

表3 不同厚度的激光入射角度与位置

当板厚＞12mm时，激光-MAG复合焊接效果变差，弧焊熔池无法跟随激光进入板材深处，焊缝中下部激光的熔宽很窄，容易出现焊偏、未熔合现象。因此，需大幅调整激光入射角度，使激光束始终在焊缝附近。当板材厚度＞18mm时，激光入射角度已经降至最小角度7°。调节激光焊接位置靠近底板时，焊缝偏向底板，有效熔深变浅；激光焊接位置远离底板时，会使焊缝上表面激光与弧焊过渡点出现焊偏缺陷，以及未焊到底板上的现象。

3.2 预留间隙对焊缝成形的影响

当焊接板厚＞12mm时，激光入射角度显著减小，焊缝内部极易出现焊偏、未熔合等缺陷。激光复合焊适应性降低，根本原因在于激光-MAG复合焊效果变差，熔宽太窄。此状态下极限焊接厚度为18mm。焊接板厚18mm以上板材时需改善焊缝熔池形状，增加焊缝宽度。

当激光功率为8kW、焊接电流为240A、电弧电压为26V、焊接速度为0.9m/min、焦点为－2mm时，不同的预留间隙下激光-MAG复合焊接16mm厚T形接头焊缝宏观金相如图3所示。

图3 不同预留间隙下激光-MAG复合焊接T形接头焊缝宏观金相

由图3可知，当焊缝预留间隙为0mm时，激光焊接熔深为9mm，激光熔宽较窄；当预留间隙为0.5mm时，焊缝熔深增加到11mm，激光熔宽变化不明显；当预留间隙为1mm时，焊缝熔深增加到13mm，熔宽明显增加；当预留间隙为1.5mm时，完全熔透16mm板材，焊缝熔宽进一步变大。随着预留间隙的不断增大，焊缝熔深、熔宽也随之增加；当预留间隙在0.5mm以内时，熔深增加比较明显；当预留间隙为0.5～1mm时，熔深增加，熔宽缓慢变宽；当预留间隙＞1mm时，焊缝熔深、熔宽明显增加，焊缝熔池形态变好，焊接适应性增加。

3.3 激光功率、离焦量对焊接熔深的影响

当焊接电流为260A、电弧电压为28.4V、离焦量为0mm、缝隙为0.7mm时，激光-电弧复合焊接激光功率对熔深的影响如图4所示。不同离焦量下激光功率对复合焊熔深的影响不同。

图4 激光功率对熔深的影响

当厚度≤8mm时，激光和电弧焊两种热源耦合效果很好，焊缝熔深明显大于单独激光焊接时的熔深；当厚度＞8mm时，弧焊熔深无法很好地渗透到焊缝底部，复合焊接熔深与单独激光焊接熔深接近。

激光离焦量决定了激光焊接时的能量密度、小孔的稳定性。试验了不同焦点下的焊缝熔深与离焦量为0mm时的熔深比，如图5所示。

图5 离焦量对熔深的影响

由图5可知，当激光离焦量在－8mm以下时，熔深快速降低，在到达－10mm时降低速率变缓，最终在－17mm时达到0mm离焦量熔深的0.5倍；当离焦量为－8mm时，熔深达到最大，为0mm离焦量熔深的1.4倍；离焦量从－8～＋15mm时，激光熔深逐渐减少到0mm，为离焦量熔深的0.5倍。

3.4 双面焊接的能力

为测试20kW激光-MAG复合焊能否双面焊透50mm厚T形接头焊缝，在30mm厚T形接头焊缝上测试单面焊接熔深。当激光功率为20kW时，直接穿透30mm厚T形接头；当降低功率到17kW时，焊接熔深控制为27mm，宏观金相如图6所示。

图6 30mm厚T形接头宏观金相

当激光入射角度为8°、激光功率为17kW、焊接位置1.5mm、离焦量为－8mm、焊接速度为0.6m/min、焊接电流为280A、电弧电压为29.5V时，双面焊透50mm，焊缝内部无明显缺陷，宏观金相如图7所示。

4 结束语

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。当激光入射角度＜7°时，容易直接焊到竖板上，出现焊偏的现象。

2）合适的间隙有利于提升焊接熔深、熔宽，改善焊缝内部熔池形状。当预留间隙为1.2mm时焊缝熔池形状最好。

3）激光功率与熔深整体呈线性关系，熔深随激光功率的增加而增加；合适的离焦量可以显著增加熔深，在激光-MAG复合焊接中，当离焦量为－8mm时熔深达到最大，为离焦量0mm时熔深的1.4倍。

4）当预留1.2mm间隙、激光功率17kW，离焦量－8mm时，以0.6m/min的焊接速度可双面焊透50mm厚T形接头焊缝。