李 凱 何廣忠 王春生 李業(yè)雄 謝元立 王麗萍

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

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[2-4]。為充分發(fā)揮激光電弧復合焊技術(shù)高效率的優(yōu)勢，中厚板的坡口設(shè)計常采用長度為4～8 mm的大鈍邊，使打底焊時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，制約了復合焊技術(shù)的推廣應用。在同軸觀測匙孔穩(wěn)定性中發(fā)現(xiàn)，當焊接過程達到適度熔透時光致等離子體信號非常強烈[6]，通過增加橫向電弧或氣簾減少羽輝對激光匙孔穩(wěn)定性的影響[7]。文獻[8]對背部駝峰缺陷進行了高速攝像，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。

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

1 激光電弧復合焊試驗設(shè)備與方法

試驗采用中車長春軌道客車股份有限公司工藝實驗室的激光電弧復合焊系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備15 kW光纖激光器、6軸工業(yè)機器人、旋轉(zhuǎn)變位機、福尼斯TPS5000弧焊電源，能夠開展平板、管件的激光復合焊試驗研究。激光波長為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。

試驗采用激光-MAG復合焊方法，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(長度×寬度×厚度)，坡口鈍邊厚度為6 mm，單邊坡口角度為30°。試驗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。母材與焊絲化學成分如表1所示。焊接保護氣為82% Ar+18% CO2混合氣，流量為25 L/min。

表1 焊絲與母材各化學成分的質(zhì)量分數(shù)

試驗試板通過點固焊組對為對接接頭，對預制根部間隙分別為0、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm的對接接頭進行平焊(見圖1)，光絲相對位置固定不變，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 激光電弧復合焊試驗的形位參數(shù)

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

2 試驗結(jié)果分析

2.1 背部成形典型缺陷形式

平焊時，激光電弧復合焊對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、表面凹縮進入接頭內(nèi)部。焊接時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，導致部分金屬滴落，進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、聚集，進而形成較大尺寸駝峰，駝峰內(nèi)一般為金屬實體。

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力集中，從而影響接頭服役的動載性能，一般此類焊縫在服役應用時需做打磨處理。

圖4 背部焊縫寬高比過小缺陷示意圖

參照ISO 5817:2013中對弧焊的缺欠等級定義，板厚大于3 mm的一般要求時，余高h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 間隙對背部成形影響分析

通過對不同預制間隙的對接接頭進行激光電弧復合焊打底焊試驗，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，組對間隙對背部焊縫成形具有顯著影響。當間隙為0時，背部出現(xiàn)了駝峰缺陷；間隙為1.2 mm、1.6 mm時，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)。當間隙過大且大于某一臨界點時，激光電弧復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，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。當間隙過大，如間隙為1.6 mm時，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 不同組對間隙條件下的焊縫背部成形照片

圖6 組對間隙對背部焊縫寬度影響規(guī)律

分別測量各組試驗中的背部焊縫寬度和余高，并進行統(tǒng)計分析，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間隙的增加呈先增大后減小的趨勢，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；當間隙為1.2 mm時，焊縫成形前后不一致，成形穩(wěn)定性較差；當間隙為0.8 mm時，焊縫成形穩(wěn)定，寬度波動較小，測量得到的寬度最大值與最小值相差約為0.6 mm；當間隙為1.6 mm時，接頭鈍邊受到的熱源能量顯著降低，未能形成焊道，其背面焊縫寬度測量結(jié)果穩(wěn)定在組對間隙附近；當間隙為0.4 mm、0.6 mm時，焊縫外觀良好，寬度波動均小于0.9 mm。

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

圖7 組對間隙對背部焊縫余高影響規(guī)律

在背部成形良好所對應的間隙范圍內(nèi)，即間隙為0.4 mm、0.6 mm和0.8 mm時，計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，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，當匙孔完全穿透接頭鈍邊時，焊縫余高最小。在其他工藝參數(shù)不變時，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) 組對間隙對接頭背部成形缺陷有直接的影響。間隙過小(0)時形成背部駝峰缺陷，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) 當間隙為0.4 mm、0.6mm、0.8 mm時，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) 在試驗工藝參數(shù)相同的條件下，0.4 ～ 0.8 mm為可應用的接頭組對間隙范圍。