接頭組對(duì)間隙對(duì)激光電弧復(fù)合焊背部成形的影響

李 凱 何廣忠 王春生 李業(yè)雄 謝元立 王麗萍

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心，130062，長(zhǎng)春//第一作者，高級(jí)工程師)

軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架大多由中等厚度耐候鋼板和鋼管拼焊而成，對(duì)接接頭和T型接頭是常見的焊接接頭形式。近年來諸多軌道交通企業(yè)開展了高效焊接技術(shù)研究，其中激光電弧復(fù)合焊技術(shù)受到了廣泛關(guān)注[1]。該技術(shù)已經(jīng)在船舶工程、石油化工、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)諸多優(yōu)勢(shì)[2-4]。為充分發(fā)揮激光電弧復(fù)合焊技術(shù)高效率的優(yōu)勢(shì)，中厚板的坡口設(shè)計(jì)常采用長(zhǎng)度為4～8 mm的大鈍邊，使打底焊時(shí)一次焊透并形成單面焊雙面成形的效果[5]。

研究發(fā)現(xiàn)，鈍邊增大后，背部成形的穩(wěn)定性變差，常常出現(xiàn)駝峰、塌陷、背部焊道寬高比過小等問題，制約了復(fù)合焊技術(shù)的推廣應(yīng)用。在同軸觀測(cè)匙孔穩(wěn)定性中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接過程達(dá)到適度熔透時(shí)光致等離子體信號(hào)非常強(qiáng)烈[6]，通過增加橫向電弧或氣簾減少羽輝對(duì)激光匙孔穩(wěn)定性的影響[7]。文獻(xiàn)[8]對(duì)背部駝峰缺陷進(jìn)行了高速攝像，從受力分析得出其產(chǎn)生原因，主要是表面張力與重力共同作用的結(jié)果。

激光電弧復(fù)合焊背部成形質(zhì)量與多種因素有關(guān)[9]。本文主要針對(duì)不同組對(duì)間隙開展了多組試驗(yàn)研究，用以獲得其對(duì)打底焊背部成形的影響規(guī)律，進(jìn)而為優(yōu)化激光電弧復(fù)合焊工藝提供基礎(chǔ)。

1 激光電弧復(fù)合焊試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)采用中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工藝實(shí)驗(yàn)室的激光電弧復(fù)合焊系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備15 kW光纖激光器、6軸工業(yè)機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、福尼斯TPS5000弧焊電源，能夠開展平板、管件的激光復(fù)合焊試驗(yàn)研究。激光波長(zhǎng)為1 070 nm，光纖直徑為0.3 mm，采用IPG公司的焦距為250 mm激光鏡頭，聚焦光斑直徑為0.6 mm，光束質(zhì)量(BPP)為4.0 mm·mrad。

試驗(yàn)采用激光-MAG復(fù)合焊方法，焊絲為BOHLER公司生產(chǎn)的ER80S-G，直徑為1.2 mm；母材為S355鋼板，尺寸為500 mm×100 mm×10 mm(長(zhǎng)度×寬度×厚度)，坡口鈍邊厚度為6 mm，單邊坡口角度為30°。試驗(yàn)前采用砂輪清理試板表面的氧化層，并采用丙酮清除工件表面的油污。母材與焊絲化學(xué)成分如表1所示。焊接保護(hù)氣為82% Ar+18% CO2混合氣，流量為25 L/min。

表1 焊絲與母材各化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

試驗(yàn)試板通過點(diǎn)固焊組對(duì)為對(duì)接接頭，對(duì)預(yù)制根部間隙分別為0、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm的對(duì)接接頭進(jìn)行平焊(見圖1)，光絲相對(duì)位置固定不變，激光束前傾角α為7°，焊槍與激光束光軸夾角β為26°。焊接時(shí)激光在前、焊槍在后，光絲間距為4 mm，離焦量為-2 mm。打底焊采用單面焊，其工藝參數(shù)為：激光功率6.3 kW、焊接速度1.20 m/min、焊接電壓26 V，送絲速度3.5 m/min。

圖1 激光電弧復(fù)合焊試驗(yàn)的形位參數(shù)

焊接試驗(yàn)后對(duì)打底焊背面成形的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，并測(cè)量背部熔寬、余高，以及取樣進(jìn)行宏觀金相檢測(cè)，用以判斷組對(duì)間隙變化對(duì)背部成形質(zhì)量的影響。采用背部熔寬、余高測(cè)量時(shí)，取焊縫中段40 cm區(qū)域，每隔4 cm測(cè)量一次，并對(duì)各組結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；取焊縫中部進(jìn)行金相試樣切割，采用FeCl3飽和水溶液進(jìn)行試樣制備。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 背部成形典型缺陷形式

平焊時(shí)，激光電弧復(fù)合焊對(duì)接接頭背部成形的典型缺陷形式有3種，分別為表面凹陷缺陷、駝峰缺陷及寬高比過小缺陷。

背部焊縫表面凹陷缺陷如圖2所示，表現(xiàn)為背部焊道無突出余高、表面凹縮進(jìn)入接頭內(nèi)部。焊接時(shí)一般伴隨著背部滴落液態(tài)金屬的現(xiàn)象，其產(chǎn)生主要原因是熱輸入相對(duì)較大，液態(tài)金屬體積、質(zhì)量增加后，焊縫背面熔池表面張力無法限制液態(tài)熔池，導(dǎo)致部分金屬滴落，進(jìn)而在焊縫背部形成了背部凹陷缺陷。

圖2 背部焊縫表面凹陷缺陷示意圖

背部駝峰是大鈍邊激光焊、激光電弧復(fù)合焊存在的特有缺陷形式，如圖3所示。其外觀主要表現(xiàn)為焊縫背面形成周期性駝峰突起，駝峰間隔與焊接速度、激光功率等參數(shù)顯著相關(guān)。駝峰間焊道寬度較窄，在焊接過程中能夠明顯觀察到液態(tài)金屬沿著駝峰間較窄的通道向焊接方向的后方流動(dòng)、聚集，進(jìn)而形成較大尺寸駝峰，駝峰內(nèi)一般為金屬實(shí)體。

圖3 背部駝峰缺陷示意圖

背部焊縫寬高比過小缺陷主要表現(xiàn)為焊縫背面余高隆起較高，而激光電弧復(fù)合焊焊道一般較窄，使背部焊縫未能與母材形成緩和的過渡，如圖4所示。此缺陷易在焊趾處形成應(yīng)力集中，從而影響接頭服役的動(dòng)載性能，一般此類焊縫在服役應(yīng)用時(shí)需做打磨處理。

圖4 背部焊縫寬高比過小缺陷示意圖

參照ISO 5817:2013中對(duì)弧焊的缺欠等級(jí)定義，板厚大于3 mm的一般要求時(shí)，余高h(yuǎn)與焊縫根部寬度b需滿足下列條件：

h≤1 mm+b且hmax=5 mm

式中：

hmax——最大余高量。

2.2 間隙對(duì)背部成形影響分析

通過對(duì)不同預(yù)制間隙的對(duì)接接頭進(jìn)行激光電弧復(fù)合焊打底焊試驗(yàn)，背部成形外觀如圖5示。由圖5可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，組對(duì)間隙對(duì)背部焊縫成形具有顯著影響。當(dāng)間隙為0時(shí)，背部出現(xiàn)了駝峰缺陷；間隙為1.2 mm、1.6 mm時(shí)，背部未能形成穩(wěn)定連續(xù)的焊道。駝峰缺陷的出現(xiàn)主要與焊接能量過小、間隙不足有關(guān)。當(dāng)間隙過大且大于某一臨界點(diǎn)時(shí)，激光電弧復(fù)合焊熱源能量無法覆蓋間隙兩側(cè)的鈍邊，從而無法形成熔合良好、穩(wěn)定的背部成形。如圖5 e)，間隙為1.2 mm時(shí)，前半部分熔合良好，但后半部分產(chǎn)生了凹陷缺陷，可以判斷該組接近背部成形變化的間隙臨界點(diǎn)。當(dāng)間隙過大，如間隙為1.6 mm時(shí)，熱源能量大部分在焊縫間隙中透過，焊縫根部并未形成良好的熔合，如圖6 f)接頭背面鈍邊仍保留焊前狀態(tài)。

圖5 不同組對(duì)間隙條件下的焊縫背部成形照片

圖6 組對(duì)間隙對(duì)背部焊縫寬度影響規(guī)律

分別測(cè)量各組試驗(yàn)中的背部焊縫寬度和余高，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如圖6～7所示的結(jié)果。由圖6～7可知，背部焊縫寬度的平均值隨組對(duì)間隙的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大平均寬度為3.3 mm，出現(xiàn)在間隙為0.8 mm與1.2 mm的條件下；當(dāng)間隙為1.2 mm時(shí)，焊縫成形前后不一致，成形穩(wěn)定性較差；當(dāng)間隙為0.8 mm時(shí)，焊縫成形穩(wěn)定，寬度波動(dòng)較小，測(cè)量得到的寬度最大值與最小值相差約為0.6 mm；當(dāng)間隙為1.6 mm時(shí)，接頭鈍邊受到的熱源能量顯著降低，未能形成焊道，其背面焊縫寬度測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定在組對(duì)間隙附近；當(dāng)間隙為0.4 mm、0.6 mm時(shí)，焊縫外觀良好，寬度波動(dòng)均小于0.9 mm。

從背部焊縫余高測(cè)量結(jié)果(見圖7)可以得出：余高平均值隨著接頭組對(duì)間隙的增加而逐漸減?。婚g隙小于0.8 mm時(shí)，余高平均值為正值；間隙大于1.2 mm時(shí)，余高平均值為負(fù)值，表示存在凹陷。值得注意的是：當(dāng)間隙為1.2 mm時(shí)，余高波動(dòng)較大，既存在正余高的區(qū)域，也存在負(fù)余高的區(qū)域；而當(dāng)間隙為0 時(shí)，產(chǎn)生了背部駝峰缺陷，余高波動(dòng)很大，駝峰處最大高度可達(dá)10 mm，駝峰間焊道余高最低為0.3 mm；當(dāng)間隙為0.4～0.8 mm時(shí)，能夠形成穩(wěn)定的余高。

圖7 組對(duì)間隙對(duì)背部焊縫余高影響規(guī)律

在背部成形良好所對(duì)應(yīng)的間隙范圍內(nèi)，即間隙為0.4 mm、0.6 mm和0.8 mm時(shí)，計(jì)算得出背部焊縫寬高比分別為1.9、3.4、6.6。打底焊宏觀金相照片如圖8所示。由圖8可見，背部成形穩(wěn)定時(shí)，寬高比隨著間隙的增加而逐漸增大，一方面是由于間隙增加而強(qiáng)制增加了焊縫熔寬，另一方面間隙增加使熔透所需能量閾值下降，高于閾值的熱源能量能夠充分穩(wěn)定匙孔，當(dāng)匙孔完全穿透接頭鈍邊時(shí)，焊縫余高最小。在其他工藝參數(shù)不變時(shí)，大間隙條件下的熱源能量高于能量閾值部分要多于小間隙條件下，因此背部焊縫余高隨著間隙增加而減小，故寬高比與接頭間隙呈正相關(guān)。

圖8 打底焊宏觀金相照片

3 結(jié)論

1) 組對(duì)間隙對(duì)接頭背部成形缺陷有直接的影響。間隙過小(0)時(shí)形成背部駝峰缺陷，間隙過大(≥1.2 mm)則產(chǎn)生凹陷甚至無法形成良好的熔合。

2) 當(dāng)間隙為0.4 mm、0.6mm、0.8 mm時(shí)，背部成形穩(wěn)定、一致，且背部焊縫寬高比與接頭間隙呈正相關(guān)。

3) 在試驗(yàn)工藝參數(shù)相同的條件下，0.4 ～ 0.8 mm為可應(yīng)用的接頭組對(duì)間隙范圍。