激光-电弧复合焊卷接板焊缝成形机理研究.pdf

采用激光电弧复合焊的工艺方法，对厚度3mm、弯曲90的Q355高强钢卷接板实施对接焊工艺试验。试验采用控制变量法，固定工艺参数，改变卷接板的对接间隙及错边来分析其对卷接板焊缝质量的影响。此外，研究了激光功率、焊接速度、送丝速度对不同对接接头条件下焊缝深宽比大小的影响。激光-电弧复合热源兼具了激光热源的大熔深与宽焊缝的优点，且焊接速度与激光焊接近，远高于电弧焊。结果表明：当功率为4.5kW时，对接间隙应0.6mm，深宽比约为1；无论错边量是多少，深宽比均1。若要提升熔深，增大深宽比，可以增加激光功率至5.0kW，但错边量应1.5mm。关键词：激光-电弧复合焊；高强钢；卷接板基金项目：国家自然科学基金（52075317、51905333）；上海汽车工业科技发展基金会（1604）。第一作者：顾勇，工程师，主要研究方向为汽车底盘结构件的焊接工艺设计，E-mail：。1 序言激光-电弧复合焊是一种新型的高效焊接工艺，将激光热源和电弧热源有机地结合起来。它具有激光焊接和电弧焊接的优点1，2。一方面，通过有效使用激光热源，当焊接速度增加时，电弧可以维持稳定，并且电弧焊接渗透不足的问题也可以同时解决3，4。另一方面，使用电弧热源可以弥补在大间隙加工条件下激光焊接适应性差的问题5。另外，它还可以改善在高反射材料上激光焊接效果差的问题6，7。激光-电弧复合焊是一种将激光与电弧两种热源相结合的焊接技术，因激光与电弧相互之间的协同效应，使得此焊接方法有“1+12”的效果，集激光和电弧的优点于一身，可以获得接头质量更好的焊缝8，9。哈尔滨工业大学李昊岳等10采用激光-电弧复合焊的方法焊接了HG785D高强钢，研究了不同热源顺序下激光功率和送丝速度对焊接过程的影响。结果表明，激光先导焊缝易于得到更大的熔深。随激光功率的增加，熔深先减小后增大，随送丝速度的增加，熔深逐渐减小。激光先导接头电弧区的熔宽较大、熔深较小，匙孔效应更为明显。荷兰Lappeenranta科技大学图尔库科学技术研究中心SZA等11对AH36船用钢T形结构的激光-MAG复合焊接工艺进行了试验，研究光纤直径及焊接速度、送丝速度等工艺参数对焊缝微观组织和力学性能的影响，采用600m光纤直径的激光束对8mm厚AH36钢T形接头可实现全熔透焊接，且单面焊双面成形的效果最好。王子健12利用光纤激光-MAG复合焊的方法，成功实现14mm板厚EH36船用高强钢的单道一次焊透，既提高了焊接效率，又可以保证焊缝成形良好（焊缝没有塌陷、气孔和焊瘤等缺陷），性能满足船用钢的使用要求。张川13研究了激光-电弧复合焊工艺参数对异种钢接头焊缝成形的影响，结果表明，与激光区相比，混合区具有更高的热输入和更大的晶粒尺寸，焊缝具有良好的拉伸性能，断裂为韧性断裂，激光区的耐蚀性弱于混合区。激光-电弧复合焊是一种高度自动化、高精度、高柔性化的焊接工艺。本文主要采用激光-MAG复合焊的工艺方法，对Q355钢的90卷接板实施对接焊工艺试验，通过改变间隙、错边等对接方式，使焊缝表面宏观成形良好，从而使深宽比约为1。分析汽车非常规连接部件的焊接工艺特点，按照GB/T 340002016中国造船质量标准进行焊缝质2023年 第9期 热加工88焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g量及接头力学性能检测，优化得出最佳焊接工艺窗口，为汽车非常规连接部件的焊接工艺提供技术储备。2 试验材料及过程2.1 试验材料试验所用材料种类是厚度为3mm的Q355碳素钢，选用的焊丝为JM-56高强钢镀铜焊丝。其化学成分见表1。试验板材样式如图1所示。2.2 试验设备试验采用激光-电弧复合焊接的方式，该激光系统由美国IPG Photonics公司生产的型号为IPG YLS-5.0的5.0kW光纤激光加工系统、芯径200m的传输光纤和HIGHYAG焊接激光头组成。采用氩气作为保护气体。激光波长为1067nm，工作模式为连续 表1各材料化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnPSNiCrCuFeQ3550.200.501.700.030.350.5Bal.JM-560.070.881.490.150.130.308Bal.c）0.9mm图3不同间隙的对接接头示意图1试验板材样式a）0.3mm b）0.6mm 图2卷接板复合焊焊接示意波，光束质量为4mmmrad，光斑直径为0.42mm。动力系统由德国库卡KR 60 HA六轴机器人组成。使用Keyence公司的VHX-5.0超深视场显微镜（OM）观察焊缝区域。采用HVS-30型维氏硬度计进行硬度测试，测试时加载力为300g，保荷时间为15s。卷接板复合焊焊接如图2所示。2.3 接头形式（1）不同间隙对接接头 材料使用尺寸为300mm100mm3mm的Q355钢，在300mm处90对中弯折。90弯折后在顶部形成不同间隙的复合焊对接接头。分别为0、0.3mm、0.6mm、0.9mm不同对接间隙的弯折板实施激光-电弧复合焊。不同间隙的对接接头如图3所示。（2）不同错边对接接头 材料使用尺寸为300mm100mm3mm的Q355钢，在300mm处90对中弯折。90弯折后在顶部形成不同错边的复合焊对接接头。分别为0、0.5mm、1.0mm、1.5mm不同错边的弯折板实施激光-电弧复合焊。不2023年 第9期 热加工89焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g同错边的对接接头如图4所示。a）错边的具体形式图5卷接板无间隙对接热源中心偏移量b）对接接头图4 不同错边的具体形式表2卷接板无间隙对接热源中心偏移焊缝宏观形貌及截面形貌热源偏移量/mm焊缝宏观形貌截面形貌00.30.60.93 试验结果与分析3.1 热源中心位置偏移对焊缝质量的影响使用激光-电弧复合焊焊接无对接间隙、3mm厚Q355钢卷接板。通过调整热源中心位置相对于焊缝中心位置的偏移量，来评估容许的热源待焊位置对中差异值。卷接板无间隙对接热源中心偏移量如图5所示。研究热源中心位置偏移对于卷接板焊接接头质量的影响，设置热源位置偏移量为0、0.3mm、0.6mm、0.9mm。将复合焊热源的中心位置与焊缝中心设置不同的偏移值，进行卷接板的焊接试验。卷接板无间隙对接热源中心偏移焊缝宏观形貌及截面形貌见表2，热源中心偏移量对焊缝的影响如图6所示。由表2和图6可知，观察焊缝正面的宏观形貌与焊缝截面形貌可以发现，热源偏移值在0、0.3mm时，焊缝位置没有明显的偏移，并且焊缝的熔深可达到4mm以上，深宽比略1。当热源位置偏移至0.6mm、0.9mm时，焊缝位置明显偏移且焊缝熔深减少。尤其是热源偏移为0.9mm时，焊缝余高已经向偏移侧塌陷。这是由于偏移距离过大、焊缝平台位置不足、熔池向一侧塌陷导致的。因此，可以得出热源中心位置偏移应0.6mm的结论。2023年 第9期 热加工90焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g3.2 间隙对卷接板焊缝质量的影响试验采用控制变量法，固定工艺参数，通过改变卷接板的对接间隙来分析间隙对卷接板焊缝质量的影响。3mm板在4.5kW功率下不同对接间隙复合焊焊缝的宏观形貌和截面形貌见表3。由表3可知，当对接间隙为0或0.3mm时，焊缝宏观形貌较饱满，余高较大，熔深和熔宽几乎无变化。焊缝的熔深约3.5mm，焊缝的深宽比略1。随着对接间隙的增大，焊缝宏观形貌不再饱满，余高减少。当间隙为0.9mm时，由于对接间隙过大，底部熔池会不断往下渗透，最终导致熔深减小。焊缝的深宽比1。3mm板在5.0kW功率下不同对接间隙复合焊焊缝的宏观形貌和截面形貌见表4，焊缝截面尺寸见表5。随着对接间隙的增大，从焊缝微观形貌可发现，对接间隙0.6mm时，焊缝的熔深与熔宽几乎无变化。当对接间隙为0.9mm时，由于对接间隙过大，因此底部熔池会不断往下渗透，最终导致熔深减小。为了进一步加大熔深，增大深宽比。试验在表5参数的基础上增加了0.5kW激光功率，采用了5.0kW的激光功率，具体参数见表6。由表6可知，对接间隙为0或0.3mm时，焊缝宏观形貌较饱满，余高较大。随着对接间隙的增大，焊缝宏观形貌不再饱满，余高减少，当对接间隙达到0.9mm时，焊缝明显塌陷。随着对接间隙的增大，从焊缝微观形貌可以发现，对接间隙0.6mm时，焊缝的熔深与熔宽几乎无变化，深宽比接近1.5。当对接间隙为0.9mm时，底部熔池会不断往下渗透，但由于激光功率足够，因此熔深不会减小，熔深仍有4.5mm。由此可知，当增加激光功率时，在焊接速度和送丝速度不变的情况下，高功率的深宽比更接近于1。不同功率在不同间隙下对卷接板焊缝横断截面尺寸的影响如图7所示。表33mm板在4.5kW功率下不同对接间隙复合焊焊缝的宏观形貌和截面形貌间隙/mm功率/kW焊缝宏观形貌截面形貌04.50.34.50.64.50.94.5图6热源中心偏移量对焊缝的影响2023年 第9期 热加工91焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g3.3 错边量对卷接板焊缝质量的影响试验采用控制变量法，固定工艺参数，通过改变卷接板的对接错边来分析错边对卷接板焊缝质量的影响。3mm板在4.5kW功率下不同对接错边复合焊焊缝的宏观形貌和截面形貌见表7，焊缝截面尺寸见表8。由表7可知，当对接错边量为0或0.5mm时，焊缝宏观形貌较饱满，余高较大，且余高也没有明显的倾斜。随着对接错边的增大，焊缝余高向较低侧倾斜，余高减小。当对接间隙达到0.9mm时，焊缝宏观形貌明显倾斜。这是由于对接错边过大，母材两边侧壁高低落差过大，最终导致熔池向一侧倾斜。从焊缝微观形貌可以发现，错边量为0.5mm或1.0mm时，焊缝的熔深略小于无错边时的熔深，深宽比仍接近1。当错边量为1.5mm时，由于对接错边过大，母材两侧高低落差较大，激光会有部分表43mm板在5.0kW功率下不同对接间隙复合焊焊缝的宏观形貌和截面形貌间隙/mm功率/kW焊缝宏观形貌截面形貌05.00.35.00.65.00.95.0表53mm板在4.5kW功率下不同对接间隙的焊缝截面尺寸间隙/mm熔宽/mm熔深/mm深宽比焊前间隙/mm焊后间隙/mm激光功率/kW焊接速度/（m/min）送丝速度/（m/min）03.253.451.06004.52.74.50.33.393.691.090.300.184.52.74.50.62.963.531.190.600.324.52.74.50.93.22.860.950.900.614.52.74.5表63mm板在5.0kW功率下不同对接间隙的焊缝截面尺寸间隙/mm熔宽/mm熔深/mm深宽比焊前间隙/mm焊后间隙/mm激光功率/kW焊接速度/（m/min）送丝速度/（m/min）02.953.161.08005.02.74.50.33.274.311.320.300.185.02.74.50.62.584.531.760.600.325.02.74.50.92.814.561.620.900.415.02.74.52023年 第9期 热加工92焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g能量消耗在较高侧母材处。因此导致在同样的参数下，错边量为0.5mm时的熔深明显减小，熔深仅为2mm。根据之前的试验可发现，激光功率为4.5kW时，在错边的情况下，焊缝熔深并不能达到预期要求，为了进一步加大熔深、增大深宽比，试验采用了5.0kW的激光功率。3mm板在功率5.0kW下不同对接错边复合焊焊缝的宏观形貌和截面形貌见表9，焊缝截面尺寸见表10。由表9可知，当对接错边量为0或0.5mm时，焊缝宏观形貌较饱满，余高较大，余高也没有明显的倾斜。随着对接错边的增大，焊缝余高向较低侧倾斜，余高减小。当对接错边达到1.0mm时，焊缝宏观形貌明显倾斜。这是由于对接错边过大，母材两边侧壁高低落差过大，最终导致熔池向一侧倾斜。由表10可知，在将激光功率提升至5.0kW后，错边量为0和1.0mm时，焊缝的熔深明显提升，深宽比均1。当错边量为1.5mm时，同样由于对接错边过大，母材两侧高低落差较大。激光会有部分能量消耗在较高侧母材处。因此导致在同样的参数下，错边量为0.5mm时的熔深明显减小。但由于激光功率的提升，此时的熔深仅为2.89mm。不同功率在不同错边下对卷接板焊缝横断截面尺寸的影响如图8所示。a）4.5kW b）5.0kW图7不同功率在不同间隙下对卷接板焊缝横断截面尺寸的影响表73mm板在4.5kW功率下不同对接错边量复合焊焊缝的宏观形貌和截面形貌错边量/mm功率/kW焊缝宏观形貌截面形貌04.50.54.51.04.51.54.52023年 第9期 热加工93焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表83mm板在4.5kW功率下不同对接间隙下的焊缝截面尺寸错边量/mm熔深/mm熔宽/mm深宽比激光功率/kW焊接速度/（m/min）送丝速度/（m/min）03.162.951.074.52.74.50.53.042.340.774.52.74.51.03.593.140.874.52.74.51.52.063.210.674.52.74.5表93mm板在5.0kW功率下不同对接错边复合焊焊缝的宏观形貌和截面形貌错边量/mm功率/kW焊缝宏观形貌截面形貌05.00.55.01.05.01.55.0表103mm板在5.0kW功率下不同对接间隙下的焊缝截面尺寸错边量/mm熔深/mm熔宽/mm深宽比激光功率/kW焊接速度/（m/min）送丝速度/（m/min）03.162.951.075.02.74.50.54.133.511.185.02.74.51.03.853.191.215.02.74.51.52.893.450.845.02.74.5a）4.5kW b）5.0kW图8不同功率在不同错边量下对卷接板焊缝横断截面尺寸的影响2023年 第9期 热加工94焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g4 结束语1）根据热源中心位置偏移试验，可得出小幅度的热源对中偏移对焊缝质量的影响并不大（0.3m m）。当热源中心位置偏移距离超过0.6mm时，焊缝熔池容易向偏移侧塌陷，焊缝熔深也会有所减小。由于热源中心偏移过大，导致对接间隙的焊缝底部并未成功连接，而是偏移侧的母材被熔化，这将大大影响焊接质量。2）在激光功率4.5kW参数组下，对接间隙0.6mm时，焊缝表面宏观成形良好，焊缝宏观形貌较饱满，余高较大。焊缝的熔深在3.5mm左右，深宽比均1。但当对接间隙为0.9mm时，焊缝熔池塌陷，焊缝熔深减小，深宽比1。这是由于对接间隙过大、焊接时熔池底部会向下渗透导致的。因此，可以得出对接间隙应0.6mm的结论。为了进一步研究如何提升焊缝熔深，采用了5.0kW的激光功率对其进行焊接。结果表明，焊缝熔深得到了明显的增加。即使在0.9mm的对接间隙下，熔深也可达到4mm以上，但熔池塌陷的问题同样存在。最终可得出结论：对接间隙应0.6mm，若需求深宽比为1左右，可采用表5中参数。若要提升熔深，增大深宽比，则可以采用表6中参数。3）在激光功率4.5kW参数组下，发现无论对接错边量是多少，焊缝熔深都很浅，焊缝的深宽比均不能达到1。尤其是错边量为1.5mm时，焊缝的熔深出现了明显的减小，这是由于一侧母材偏高，在焊接时阻挡了一部分热源能量导致的。为了能够增加熔深，参考间隙组的参数，将激光功率增加至5.0kW。在此基础上，我们发现熔深同样明显提升，熔深3.5mm，深宽比1。但是，当错边量为1.5mm时，熔深相比错边量较小时有明显减少，深宽比已不足1。导致这一现象的原因与前述一致。因此，可以得出结论，错边量应1.5mm。通过本文试验可知，当功率为4.5kW时，对接间隙应0.6mm，深宽比约为1；无论错边量是多少，深宽比均1。若要提升熔深、增大深宽比，则可以增加激光功率至5.0kW，但错边量应1.5mm。参考文献：1 BUNAZIV I，AKSELSEN O M，FROSTEVARG J，et alLaser-arc hybrid welding of thick HSLA steelJJMaterProcess Tech，2018，259：75-872 胥国祥，张新建，刘海军，等船舶激光-电弧复合热源焊接关键物理机制研究J金属加工（热加工），2023（6）：1-7，173 IVAN B，JAN F，AKSELSEN O M，et alThe penetration efficiency of 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