陳兵CHEN Bing；彭春濤PENG Chun-tao；向紅明XⅠANG Hong-ming

（寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司，石嘴山 753001）

0 引言

激光-電弧復合熱源焊接技術是一種特種加工技術，該技術結(jié)合了激光與電弧兩種特殊焊接技術特點，在焊接中，激光利用自身特性單獨作為熱源焊接時極容易形成有效焊接熔池，形成的激光焊接熔池“深而窄”，焊材焊接焊縫開口面積小、焊縫深度大，焊接質(zhì)量不可靠，不利于焊材之間的焊縫成型；MAG 焊接熔池“淺而寬”，焊材開口面積大、深度小、焊材之間相互橋接能力強，易于焊接，焊接成型質(zhì)量可靠[1]。激光焊與MAG 焊同時作用于同一熔池，相互形成較強的激光電弧，電弧平穩(wěn)不分散，激光-MAG 復合焊接繼承了激光焊與電弧焊的優(yōu)點，極大彌補了各自的缺陷與不足。復合焊接技術在機械行業(yè)焊接過程中適應于中、大厚度焊材的焊接。激光與電弧在焊接時，熱源焊接形成等離子體，等離子體與焊材之間形成穩(wěn)定的導電通道，等離子體間的相互作用，電弧與光致等離子體相互間的作用疊加可以提高復合熱源能量的利用率，使焊接過程更穩(wěn)定，焊接效率更高[1]。

1 激光-MAG 復合焊接優(yōu)勢

①焊縫熔深大。激光與電弧的相互作用使焊縫熔深增加，由于激光的能量密度很高，當能量密度到達激光深熔焊時與電弧復合后，熔透能力進一步增強。加入電弧使其焊縫上部熔寬增加，有利于焊縫成形，同時提高焊接過程的穩(wěn)定性與焊縫熔深[2][3]。

圖1 激光-電弧復合焊接原理圖

②焊接接頭的間隙適應性好。單激光束焊接時，焊件受熱面、熔寬積較小，熔深較大，電弧焊恰恰相反，焊件受熱面積相對較大，焊縫寬而淺，對工件裝配要求較低。當兩種熱源復合在一起焊接時，熔池液態(tài)金屬對流及搭接，在間隙較大時就可實現(xiàn)良好的焊接。

③提高接頭質(zhì)量、減少焊接缺陷。單激光焊的峰值溫度高，溫度梯度大，液態(tài)金屬冷卻凝固時間短，不利于氣孔的溢出，激光焊熔深較大，熔寬較小，焊縫成形系數(shù)小，裂紋傾向嚴重。電弧的峰值溫度低，焊件受熱面積大，溫度梯度小，冷卻速度慢，液態(tài)金屬凝固時間長，氣孔溢出時間充足，能有效地緩解接頭應力集中，降低了裂紋率。

④焊接過程穩(wěn)定。激光對電弧有壓縮和吸引的作用，隨著激光功率的增加而增強，當激光功率達到一定值時，電弧能量通過小孔和熔池流動進入熔池底部，提高電弧焊質(zhì)量，焊接過程穩(wěn)定性增強。單激光焊的等離子體輻射較弱，MAG 電弧明顯強于單激光焊，當兩種焊接熱源復合后，其光譜輻射強度基本與MAG 焊的輻射光譜相似，復合后，電弧熱循環(huán)溫度升高及焊接熔池的Fe 蒸氣濃度增加，形成的電離通道擴大，加寬了電弧的作用范圍，起到穩(wěn)弧的作用[2]。

表1 母材和焊絲的化學成分（質(zhì)量分數(shù)%）

圖2 等離子輻射光譜

⑤提高焊接速度，降低生產(chǎn)成本。激光可以穩(wěn)定電弧，同時提高激光能量利用率，兩種焊接熱源相互作用提高了熱源密度，焊接速度也得到提高；對于中、厚板開坡口的焊接結(jié)構(gòu)，提高了單層焊縫金屬填充量，從而提高焊接效率，降低生產(chǎn)成本。

⑥減小焊接變形量。通過預熱利用激光焊接的高熔深的特點，避免使用增加電流的方式增加熱輸入而起到增加熔深的效果，可以將輸入熱量降到最低，減少焊接變形量。

2 激光-MAG 復合焊接工藝研究

2.1 試驗

中部槽中底板材料均為耐磨鋼，組織為馬氏體組織，合金元素含量高，根據(jù)碳當量計算公式，耐磨鋼板焊接性比較差，鋼板成分在焊接熱循環(huán)的作用下會使焊縫及熱影響區(qū)組織發(fā)生變化，不利于焊接，耐磨鋼材在焊接過程中容易出現(xiàn)冷裂傾向、焊接熱影響區(qū)軟化及韌性下降、焊接接頭的疲勞失效等問題。ZG30SiMn 合金元素C=0.27%～0.33%、Si=0.6%～0.8%、Mn=1.2%～1.6%含量成分比重較大，“脆硬溫度區(qū)”較大。為了獲得高強耐磨性能，鑄后通過正火和調(diào)質(zhì)處理，淬火后組織以板條狀馬氏體為主，高溫回火后為細小的索氏體組織。ZG30SiMn 與NM400 焊接屬于異種高強鋼的焊接，在焊接過程中容易產(chǎn)生馬氏體脆性層、接頭軟化區(qū)、線脹系數(shù)差異導致的裂紋等缺陷，焊接難度較大[3]。

本次試驗選用板厚50mm 的NM400 耐磨板（布氏硬度為400HB）和ZG30SiMn 槽幫進行異種鋼焊接工藝研究，焊材選擇直徑?1.2mm 的ER69-G 焊絲，試板尺寸為350×150×50mm，使用機械加工的方法消除表面鐵銹，進行多種形式的坡口加工，坡口形式如圖3 所示，用不同間隙研究間隙量以及焊接工藝對中部槽焊接變形量的影響。

表2 材料力學性能

圖3 焊接坡口形式示意圖

2.2 方法及工藝

焊接試驗采用激光—MAG 復合焊接方式，在焊材復合焊接時采用激光在前電弧在后的焊接方式，保護氣體為80%Ar+20%CO2。

采用垂直焊接，垂直焊接方向截取焊縫斷面，焊材表面拋光出來，硝酸溶液腐蝕拋光表面，在光學顯微鏡觀察焊縫金相組織。顯微鏡下焊縫組織為柱狀晶。光學顯微鏡原奧氏體晶界（AGB）組織較為明顯，焊縫間金相組織為貝氏體（B）組織，焊材兩側(cè)過熱區(qū)組織均為：馬氏體（M）+貝氏體（B）。相同熱輸入下，鑄鋼側(cè)過熱區(qū)比耐磨側(cè)過熱區(qū)馬氏體組織多，且晶粒尺寸較粗大，兩側(cè)過熱區(qū)組織均大于焊縫區(qū)域組織。熱輸入增加，焊縫區(qū)和熔合線處的晶粒尺寸明顯增大，柱狀晶區(qū)寬度增加。馬氏體組織向貝氏體組織轉(zhuǎn)變，馬氏體含量減少貝氏體增多[4]。

3 激光-MAG 復合焊接對變形的影響及控制

焊接過程中由于熱應力和組織應力的作用導致結(jié)構(gòu)件焊接變形，焊件各部分相互連接而存在較大的拘束應力，內(nèi)應力積聚產(chǎn)生焊接變形。產(chǎn)品的焊接變形影響加工精度與產(chǎn)品組裝，影響產(chǎn)品使用壽命，因此減少中部槽的焊接變形迫在眉睫。最常見的焊接變形主要為收縮變形、橫向變形、翹曲變形等。中部槽焊接部位主要為中底板與鑄造槽幫之間的焊接，中板與鑄造槽幫焊接過程中，焊縫及兩邊焊接高溫區(qū)發(fā)生膨脹，焊縫區(qū)域組織經(jīng)歷復雜塑性變形，焊縫產(chǎn)生壓應力，自然冷卻與人工冷卻時焊縫兩邊收縮，焊接變形受到中板及槽幫低溫部分的約束而產(chǎn)生拉應力，導致焊縫產(chǎn)生橫向收縮變形，橫向變形收縮量受到間隙、焊接層數(shù)的影響，焊接層數(shù)的越多而焊接變形越大，橫向收縮變形主要受前兩層焊道的影響?？刂茩M向收縮主要在于控制最初兩層焊道的熱輸入。通過試驗總結(jié)，控制中部槽焊接間隙，能有效降低焊縫收縮量[5]。

3.1 避免使用加強筋

利用剛性固定法的原理，焊接支撐拉筋為了增加結(jié)構(gòu)件的剛性和強度，保護結(jié)構(gòu)件打底焊接的穩(wěn)定性，通過增加拘束的方法可以有效地減小焊接變形。通過試驗證明，焊接支撐拉筋對增強穩(wěn)定性，防止焊接變形有著重要的作用。但是拉筋需要人工手動點固，在中板焊接完成之后將其切割下來，不僅增加了工人的勞動強度，而且提高了輔助工作時間，耗費焊接材料，降低了生產(chǎn)效率。

通過使用激光-電弧復合焊接可以在不使用拉筋的前提下進行焊接，而且可以在小間隙下充分焊透。對于激光焊接而言，由于其光斑直徑較小，如果焊接間隙大于光斑直徑，就會使能量略過焊道，無法焊接成型，所以單純的激光對焊接間隙的要求比較高，通過加入電弧之后，電弧可以有效地促進“搭橋”作用，增加激光對間隙的適應性，降低對裝配精度的要求，也可以有效地提高生產(chǎn)效率。普通電弧焊的電弧寬度無法精確控制，受電流、電壓、干伸長等焊接參數(shù)以及工件表面狀態(tài)的影響比較大，激光焊接的能量比較集中，熔化的材料比較少，焊接熱輸入低，在低焊接熱循環(huán)的作用下，產(chǎn)生較小的焊接熱應力和組織應力，焊縫熔敷組織發(fā)生較小的相變，可以有效降低變形量。

3.2 減小焊接間隙

對于中部槽的打底焊接而言，如果使用普通MAG 焊接方法進行焊接，為了保證充分焊透，增加熔深，在焊接時需要留有一定量的間隙，間隙隨著坡口角度、坡口形式、鈍邊尺寸的不同而有所變化。隨著間隙的增加，填充的熔敷金屬量就隨之增加，焊接熱輸入也會增加。這就導致焊接熱循環(huán)對母材的作用程度加劇，焊接熱影響區(qū)相變溫度以上的停留時間增加，晶粒長大趨勢明顯，相變應力和組織應力加劇作用到結(jié)構(gòu)件上，會增加焊接變形的趨勢。

激光在前電弧在后的激光-MAG 復合焊接，利用激光具有高熔深的特點，中部槽中底板與槽幫對接接頭表面在激光束的作用下，溫度迅速上升到沸點，金屬迅速蒸發(fā)形成蒸汽壓力、反沖力等克服熔融金屬的表面張力以及液體的靜壓力等而形成小孔，深入材料內(nèi)部，形成深寬比較大的焊縫，可以在小間隙或者無間隙的情況下完成焊接，而且由于激光束密度集中，可以減小焊接坡口的角度，從而降低焊接熱循環(huán)對母材的作用，減小焊接變形。

3.3 減少中部槽焊接變形的方法

控制焊接變形的方法主要有：反變形法、剛性固定法、焊前預熱、多層多道焊、控制熱輸入、選擇合適的焊接順序等方法均可有效控制變形。

3.3.1 控制預熱溫度 預熱可以減小焊縫金屬和母材的溫度差，從而降低焊接內(nèi)應力值，減小變形量。預熱不僅能提高焊縫金屬的抗裂性，而且還有益于降低熔合線附近區(qū)域的硬度，降低裂紋傾向。由于中部槽焊接母材分別為NM400、ZG30MnSi、BNTM、BTM，屬于異種高強鋼的焊接，如果焊接熱輸入過大，會加劇碳遷移的作用，造成接頭軟化和硬化現(xiàn)象。而且NM400 和ZG30SiMn 屬于低合金高強鋼，二者的碳當量都較高，焊接性較差。激光焊接屬于高熔深的特種焊接方法，焊縫深寬比較大，容易產(chǎn)成焊接裂紋，所以需要進行焊前預熱。對于不同鋼材而言，由于其臨界冷卻速度不同，預熱溫度也不相同，同時鋼板的厚度、焊接方法的選擇對預熱溫度也有不同的要求。如果預熱溫度過小，冷卻速度大于臨界冷卻速度，會在冷卻過程中生成馬氏體組織，造成接頭淬硬組織增多，容易產(chǎn)生裂紋，如果預熱溫度過高，增加熱影響區(qū)的范圍，使焊接變形量增大。所以需要控制預熱溫度范圍。

①對于預熱溫度的確定，首先需要確定輸入的線能量的值，不同的焊接方法焊接熱效率不同，激光焊接熱效率相比于電弧的熱效率更高。Hn=EIf1/V

Hn-線能量J/mm；E-電壓（V）；I-電流（A）；f1-熱效率；V-焊速（mm/s）。

②由于板厚的不同，預熱溫度的計算公式也不同，而且板厚只是一個相對概念，所以在實際工作中引入“相對板厚”的概念，相對板厚大于0.75 屬于厚板，小于0.75 屬于薄板

τ：相對板厚；Tc：過冷奧氏體轉(zhuǎn)變珠光體的溫度。

③每種鋼的臨界冷卻速度值都不相同，預熱溫度的確定和臨界冷卻速度密切相關，施加預熱溫度的目的是為了冷卻速度低于臨界速度。R=2πkcp（t/Hn）2-（Tc-T0）3

④確定預熱溫度T0

T0：母材初始的均勻溫度；k：金屬熱導率。通過試驗計算與研究，激光MAG 焊的預熱溫度在100℃-150℃最佳。

3.3.2 避免分段退焊 中部槽長度一般在1.5m 以上，焊縫較長，使用普通MAG 焊焊接時，在組裝時候，人工進行打底點固，焊接時從中間向兩端焊，采取分段退焊法來改變應力分布，從而減小焊接應力和變形。先將長焊縫分成幾段進行點固焊接。使用激光-MAG 復合焊接，配合專有組裝夾具，可以免去分段退焊點固的工序，節(jié)約工作時間，減輕工人的勞動強度。

3.3.3 避免預置反變形 使用激光-MAG 復合焊可以直接在操作臺上進行組裝焊接，利用激光熔深大、熱量集中、變形小的特點可以避免使用預置變形，就可以實現(xiàn)小變形甚至無變形的焊接，大大提高了生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動強度，避免因為計算失誤導致的成品件的返工和損失。

4 總結(jié)

①為了控制中部槽焊接變形，針對激光-MAG 電弧復合熱源具有焊接過程穩(wěn)定、焊縫熔透性好、焊接熱輸入小的特點，對中板焊接變形最大的打底焊接進行了工藝優(yōu)化研究，獲得了焊接過程穩(wěn)定、焊縫熔透性好的激光-MAG電弧復合熱源最佳打底焊接工藝，其焊縫成型良好，焊縫質(zhì)量、熔透與焊接變形滿足要求。②通過使用激光-MAG電弧復合焊接，對于控制焊接變形而言?？梢员苊馐褂眉訌娊罟潭?、減小焊接問隙、避免分段退焊、取消預置變形量等工作所帶來的人工、能源、效率的消耗，降低對工裝夾具精度的要求，可以有效地提升生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。