摘要： 利用激光-電弧復(fù)合焊接方法，研究了6 mm厚Q345B板激光-電弧復(fù)合焊接成形的影響規(guī)律，并分析了該方式下工況適應(yīng)性及接頭性能。結(jié)果表明：在激光功率為4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min及光絲間距5 mm時(shí)獲得了良好的焊縫成形，且對(duì)間隙和錯(cuò)邊的適應(yīng)性較好；焊縫X射線探傷可以達(dá)到I級(jí)合格；接頭力學(xué)性能表現(xiàn)良好。

關(guān)鍵詞： 激光-電弧復(fù)合焊；焊縫成形；工況；性能

中圖分類號(hào)： TG 456.7，TG 115.28

Study on the performance of laser arc hybrid welding process for Q345B steel

Wen Ziyuan， Jiang Bao， Wei Pengyu， Hang Pengbo， Yang Yicheng， Lei zhen

（Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， China）

Abstract： The influence law of laser arc composite welding on the forming of 6 mm thick Q345B plate was studied using the laser arc composite welding method， and the adaptability of the working conditions and joint performance under this method were analyzed. The results showed that good weld formation was achieved at laser power of 4 000 W， welding speed of 0.8 m/min， wire feeding speed of 8 m/min， and wire spacing of 5 mm， with good adaptability to gaps and misalignment; The Xray inspection of the weld seam can achieve Level I qualification; The mechanical performance of the joint is good.

Key words： laser arc hybrid welding; welding seam forming; working conditions; performance

0前言

激光電弧復(fù)合焊接作為一種新型的焊接技術(shù)，將激光與電弧兩種熱源進(jìn)行復(fù)合，綜合了激光焊接熔深大、焊接效率高、焊接變形小和電弧焊接適應(yīng)性強(qiáng)、橋接能力好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。使用激光-電弧復(fù)合焊接進(jìn)行薄板焊接，具有裝夾精度要求較低、后處理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)[4-5]，在船舶制造、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用價(jià)值[6-8]。

文中利用激光-電弧復(fù)合焊接方法，對(duì)6 mm Q345B板材進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，研究不同參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，對(duì)優(yōu)化參數(shù)下的焊縫進(jìn)行工況適應(yīng)性分析與接頭組織性能分析，為其應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)設(shè)備采用IPG10000W光纖激光器，最大輸出功率為10 000 W；激光加工設(shè)備采用HIGHYAG激光頭，焦距470 mm；弧焊電源為福尼斯TPS500i焊機(jī)，最大輸出電流為500 A，采用脈沖電弧模式，光絲夾角為15°。

試驗(yàn)材料選用6 mm厚Q345B，坡口形式為單邊15°，鈍邊4 mm的Y形坡口，采用氬氣和二氧化碳比例為80∶20的混合氣作為焊接保護(hù)氣。試驗(yàn)通過激光-電弧復(fù)合焊接方法，研究6 mm厚Q345B材料激光焊接特性，試驗(yàn)過程如圖1REF_Ref24949618*MERGEFORMAT所示。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1激光功率對(duì)焊縫成形的影響

研究了在激光功率對(duì)焊縫正背面成形的影響規(guī)律，固定參數(shù)：焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm，分析了激光功率分別為3 000 W、4 000 W和5 000 W時(shí)焊縫正背面成形特征，如圖 2REF_Ref251755285*MERGEFORMAT和圖 3REF_Ref1372356388*MERGEFORMAT所示。

由圖可知，激光功率較小或較大時(shí)，焊縫正背面焊縫均勻性都會(huì)降低，焊縫容易出現(xiàn)正面塌陷、變窄及背面焊瘤，而激光功率為4 000 W時(shí)左右時(shí)可以獲得相對(duì)良好的正背面焊縫成形。

2.2送絲速度對(duì)焊縫成形的影響

研究了送絲速度對(duì)焊縫正背面成形的影響規(guī)律。固定參數(shù)為激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、光絲間距5 mm。分析了送絲速度分別為7 m/min、8 m/min和9 m/min時(shí)焊縫正背面成形特征，如圖 4REF_Ref557884427*MERGEFORMAT和圖 5REF_Ref1073092314*MERGEFORMAT所示。

由圖可知，焊縫正面成形隨送絲量的增加其變化趨勢(shì)相對(duì)較為明顯。其中在所選參數(shù)范圍內(nèi)，隨送絲量的增加，焊縫正面并非單純的越來越飽滿：當(dāng)送絲速度為7 m/min和8 m/min時(shí)，焊縫正面相對(duì)飽滿均勻，焊縫鋪展性也較好；而當(dāng)送絲速度增加到9 m/min時(shí)，正面焊縫寬度變窄，飽滿性和均勻性變得相對(duì)較差，鋪展性也不太好。

其原因之一是送絲量增加后，雖然電弧能量也同時(shí)增加，但由于焊接速度本身較快，單純憑借電弧能量不能很好的將焊絲熔化鋪展開，需要同時(shí)調(diào)整激光功率才能更好的實(shí)現(xiàn)正面焊縫的良好成形。而對(duì)于焊縫背面，不同送絲速度下均獲得良好的焊縫成形。

2.3焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

焊接速度對(duì)焊縫正背面成形的影響規(guī)律見圖 6REF_Ref1971207863*MERGEFORMAT和圖 7REF_Ref1482866137*MERGEFORMAT。固定參數(shù)為激光功率4 000 W、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm，分析了焊接速度分別為0.8 m/min、0.9 m/min和1.0 m/min時(shí)的焊縫正背面成形特征。

由圖可知，在所選焊接速度范圍內(nèi)，雖然都可以獲得較為良好的正面焊縫成形，但隨焊接速度的增加，正面焊縫的鋪展性和穩(wěn)定性會(huì)受到一定限制。其中，焊接速度為0.8 m/min和0.9 m/min時(shí)，焊縫成形效果一致性較好，焊縫鋪展性和均勻性都能較好滿足要求；而焊接速度達(dá)到1.0 m/min時(shí)，正面焊縫寬度有些變窄，鋪展性較差，實(shí)際焊接過程中穩(wěn)定性也不能得到很好的保證。

在所選焊接速度范圍內(nèi)，均可以實(shí)現(xiàn)較為良好的焊縫背面成形，背透較為飽滿均勻，無凹坑、少肉等缺陷。其中，焊接速度為0.8 m/min時(shí)，焊縫熔透更加飽滿，焊接過程中背透成形穩(wěn)定性和適應(yīng)性更好一些。

2.4光絲間距對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律

選擇了兩組差值較大的光絲間距參數(shù)并分析了其對(duì)焊縫成形的影響，如圖 8REF_Ref1326263017*MERGEFORMAT和圖 9REF_Ref1717620013*MERGEFORMAT所示。固定參數(shù)：激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min。

由圖可知，光絲間距的大小，對(duì)焊縫正背面成形均有較明顯的影響，其中較小的光絲間距如5 mm時(shí)更有利于實(shí)現(xiàn)焊縫的正背面成形，其焊縫成形更加飽滿均勻；而過大的光絲間距如6 mm容易造成焊縫均勻性變差，易出現(xiàn)焊縫均勻性降低、正面變窄、背面焊瘤等缺陷。

其原因?yàn)榧す怆娀?fù)合焊接時(shí)，激光與電弧兩個(gè)熱源相距較近時(shí)，熱源復(fù)合效果更好；而過大的光絲間距會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)熱源間的復(fù)合效果變差，從而導(dǎo)致焊縫成形不良。

2.5工況適應(yīng)性分析

文中主要分析了工藝參數(shù)對(duì)錯(cuò)邊和間隙的適應(yīng)能力，根據(jù)上述成形規(guī)律，這里選擇一組成形相對(duì)良好的焊接參數(shù)：激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm。

2.5.1對(duì)錯(cuò)邊的適應(yīng)性

由圖 10REF_Ref2064760131*MERGEFORMAT和圖 11REF_Ref11290347*MERGEFORMAT可知，所選工藝參數(shù)對(duì)錯(cuò)邊的適應(yīng)性較好，在坡口錯(cuò)邊量由0.2 mm漸變至0.8 mm的過程中，正面焊縫總體均可保持較為良好的成形，無明顯塌陷和咬邊產(chǎn)生；背面焊縫總體同樣均可保持較為良好的成形，無明顯凹坑、少肉和咬邊產(chǎn)生。

2.5.2對(duì)間隙的適應(yīng)性

由圖 12REF_Ref589364851*MERGEFORMAT和圖 13REF_Ref868596017*MERGEFORMAT可知，焊縫正面成形對(duì)間隙適應(yīng)性較差一些，在對(duì)接間隙由0.1 mm漸變至0.8 mm的過程中，正面焊縫呈現(xiàn)出逐漸收窄的趨勢(shì)，其焊縫寬度隨間隙的增大逐漸變小，甚至在超過約0.5 mm的間隙量后正面焊縫會(huì)有較明顯收窄甚至出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象；而背面焊縫總體成形均良好，無凹坑、少肉或咬邊產(chǎn)生，說明背面焊縫對(duì)間隙的適應(yīng)性好于正面。

2.6.1樣件焊接及X射線探傷檢測(cè)

根據(jù)上述焊縫成形規(guī)律，并經(jīng)過參數(shù)的優(yōu)化后，選擇工藝參數(shù)：激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm，進(jìn)行樣件焊接并進(jìn)行X射線探傷檢測(cè)和金相檢驗(yàn)，如圖 14REF_Ref35941625*MERGEFORMAT和圖 15REF_Ref1934173249*MERGEFORMAT所示。

如圖16所示，焊縫正背面成形良好，且經(jīng)X射線探傷檢測(cè)，可以達(dá)到I級(jí)合格，符合技術(shù)要求；同時(shí)，經(jīng)過金相檢驗(yàn)，試樣腐蝕后未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透、未熔合及夾渣等缺陷。

2.6.2力學(xué)性能分析

針對(duì)上述樣件接頭，進(jìn)行了拉伸、彎曲和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表 1REF_Ref411608102*MERGEFORMAT～表 3REF_Ref870898218*MERGEFORMAT所示。

其中，拉伸試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2652-2008進(jìn)行。由表 1REF_Ref411608102*MERGEFORMAT可知，樣件接頭平均抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到437.5 MPa，試驗(yàn)結(jié)果符合要求。

彎曲試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2653-2008進(jìn)行。在進(jìn)行接頭彎曲試驗(yàn)中，未發(fā)現(xiàn)有裂紋或斷裂情況，接頭彎曲性能合格，如表 2REF_Ref562589783*MERGEFORMAT所示。

上述樣件檢測(cè)結(jié)果可知，針對(duì)6 mm厚碳鋼激光-電弧復(fù)合焊接，此次所選工藝參數(shù)不僅可以獲得良好的焊接接頭，同時(shí)無論從內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，還是力學(xué)性能檢測(cè)，均能達(dá)到較好的效果，且對(duì)間隙和錯(cuò)邊的適應(yīng)性較好。

3結(jié)論

（1）采用激光-電弧復(fù)合焊接方法，在激光功率4 000 W、焊接速度0.8 m/min、送絲速度8 m/min、光絲間距5 mm左右時(shí)，可以獲得良好的正背面焊縫成形。

（2）優(yōu)化后的參數(shù)對(duì)間隙和錯(cuò)邊的適應(yīng)能力較強(qiáng)，其中對(duì)錯(cuò)邊的適應(yīng)能力要優(yōu)于對(duì)間隙的適應(yīng)能力。

（3）經(jīng)X射線探傷檢測(cè)及金相檢測(cè)，焊縫可達(dá)到I級(jí)合格。

（4）接頭力學(xué)性能結(jié)果表現(xiàn)良好，其抗拉強(qiáng)度、彎曲性能及沖擊性能均合格。

參考文獻(xiàn)

［1］Swanson P，Page C，Read E，et al.Plasma augmented laser welding of 6mm steel plate [J].Science and Technology of Welding and Joining，2013，12（2）：153-160.

[2]Gu X，Li H，Yang L，et al．Coupling mechanism of laser and arcs of lasertwinarc hybrid welding and its effect on welding process ［J］．Optics & Laser Technology，2013，48（6）：246-253.

[3]肖榮詩(shī)，吳世凱.激光-電弧復(fù)合焊接的研究進(jìn)展[J].中國(guó)激光，2008（11）：1680-1685.

[4]汪彥鈞.薄板拼接激光-電弧復(fù)合焊工藝研究[J].中國(guó)重型裝備，2021（2）：36-40.

[5]Lyes B，Philippe M L，Eugen C. Influences of laser on the energy parameters of the electric arc in the case of laserMIG hybrid welding[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2024，131（7-8）.

[6]施佳慧，周瀚森.激光—電弧復(fù)合焊接及其標(biāo)準(zhǔn)在郵輪中的應(yīng)用[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2022，55（3）：26-30.

[7]王曉南，陳夏明，環(huán)鵬程，等.新能源汽車用鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接研究進(jìn)展（特邀）[J].中國(guó)激光，2024，51（4）：31-48.

[8]羅高祥，李超，喻軍，等.船用薄板激光-電弧復(fù)合焊工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2023（4）：14-17.

收稿日期： 2024-04-20

溫子緣簡(jiǎn)介： 1998年出生，碩士研究生。主要從事激光電弧復(fù)合焊接方面研究。