激光—MAG電弧復合焊接工藝研究

喻海洋

【摘 要】本文結合軌道車輛承載部件的結構中的典型接頭型式，研究激光-MAG電弧復合焊接工藝應用于軌道車輛承載部件的可行性。通過對比激光-MAG電弧復合焊接和MAG焊接工藝參數、對焊縫成型、焊接接頭質量和焊接接頭機械性能，為激光-MAG電弧復合焊接工藝在軌道車輛承載部件應用提供試驗數據和研究基礎。

【關鍵詞】激光-MAG電弧復合焊；焊接工藝；對比試驗研究

0.引言

隨著激光焊接工藝應用范圍推廣，激光-MAG電弧復合焊接工藝成為一種新興的焊接工藝備受青睞，應用日益廣泛，如造船業、管道運輸和車輛制造等領域。

軌道車輛的承載部件主要包括走形部轉向架構架和車體鋼結構的牽枕緩，主要采用中厚低合金鋼板（板厚為8～16mm）通過冷加工壓型（或滾壓成型）的零件，相互拼焊組裝而成。通常焊接工藝為自動或半自動MAG焊接。

通過激光-MAG電弧復合焊和MAG焊接工藝對比試驗驗證及性能試驗，為激光-MAG電弧復合焊接工藝在軌道車輛承載部件應用提供試驗數據和研究基礎。

1.激光—MAG電弧復合焊原理及特點

1.1激光-MAG電弧復合焊接原理

激光-MAG電弧復合焊接是將激光焊接和電弧焊接有機結合起來的一種高效優質焊接新工藝。它將激光和電弧這兩種熱源物質的物理性能、能量傳輸機制截然不同的復合在一起，共同作用于被焊接件的表面，通過兩種熱源物質的相互作用及復合熱源與工件的作用完成焊接過程。

采用激光+電弧的復合方式可以充分發揮兩種熱源的優勢，在同等條件下，激光-MAG電弧復合焊接比單一的激光焊或電弧焊具有更強的焊接工藝適應性和更好的焊縫成型質量。

1.2激光-MAG電弧復合焊接的特點

（1）焊縫熔深增大。熔化的熔池金屬可以提高對激光光源的吸收率，而激光束在熔池中產生小孔，保證在高速焊接條件下獲得理想的焊縫熔深，并保證焊接過程中的穩定和獲得規則焊縫成型。

（2）焊縫質量改善，焊接缺陷減少。激光束可以使焊縫加熱變短，不易產生晶粒過大而且熱影響區減小，改善焊縫組織性能。同時，在電弧的作用下，復合熱源能減緩熔池的凝固時間，有利于氣體和雜質的溢出，有效減少焊縫中氣孔、裂紋、咬邊等缺陷。

（3）焊接過程穩定。由于激光作用在熔池中會形成匙孔，對電弧有吸引作用，從而提高了焊接的穩定性。匙孔也會使電弧的根部壓縮，從而增大電弧能量的利用率。

（4）生產效率提高，生產成本降低。激光和電弧的相互作用增大焊接速度，電弧的作用使得較小功率的激光器就能達到很好的焊接效果，與純激光焊接工藝相比可降低焊接設備成本。

激光-MAG電弧復合焊接工藝能夠形成大深寬比、高質量焊接接頭，提高生產效率、降低生產成本的諸多優勢，作為一種優質、高效、清潔的焊接技術，具有良好的應用價值。

2.激光—MAG電弧復合焊接工藝可行性試驗

2.1試驗材料及其化學成分和物理性能

試驗焊件選用常用低合金鋼材Q345C（板厚12mm），試驗填充焊絲選用ф1.2實心焊絲（牌號 CHW-55CNH）。

2.2 試件組裝間隙及鈍邊調整試驗驗證

在坡口角度選定常用的60°時的激光-MAG電弧復合焊縫成型及外觀如圖1所示，其中鈍邊尺寸分別取為4mm和2mm，組焊間隙分別選取0和1mm。

圖1 焊縫成型及外觀

當鈍邊尺寸為2mm時，無論組裝間隙為0還是1mm，焊縫根部完全熔透，焊縫表面成型良好，無缺陷。但是外層焊縫需要兩道才能完全熔合。

當鈍邊尺寸為4mm時，無論組裝間隙為0還是1mm，焊縫根部完全熔透，焊縫表面成型良好，無缺陷，外層焊縫一道完全熔合。比較組裝間隙，由于當離焦量為+2～+4mm時，對應作用在焊件表面的激光斑束直徑一般為1.0～1.5mm，因此底層焊道的組裝間隙不應大于1mm。同時，底層焊道均呈凹形，有利于后續焊道的填充。

根據上述試驗結果分析，當選用坡口角度60°、鈍邊尺寸4mm、組裝間隙0為宜，最大不能大于1mm。

3.激光—MAG電弧復合焊與MAG焊工藝對比

板厚12mm的板材對接焊縫焊接工藝對比。

對比板厚12mm的板材對接焊縫，坡口角度60°、鈍邊尺寸4mm、組裝間隙0試件，激光-MAG電弧復合焊比MAG焊接線能量減少50%以上，焊縫填充金屬的質量減少60%左右。表明激光-MAG電弧復合焊具有焊接線能量低，焊接速度快和節約焊接熔敷金屬等焊接特點。

（1）對接接頭力學性能對比結果表明：焊接接頭及熱影響區的維氏硬度方面，激光-MAG電弧復合焊接工藝高于MAG焊接工藝試件；拉伸、彎曲性能兩者相當，但沖擊韌性方面，激光-MAG電弧復合焊接接頭優于常規MAG焊接接頭。

兩種焊接工藝的焊接接頭區域的焊縫和熱影響區的維氏硬度都低于標準規定的退貨狀態下最高硬度值320 HV10，符合要求。

（2）對接接頭對比—沖擊掃描對比：兩種焊接工藝的焊接對接接頭—沖擊掃描對比結果如圖2所示。

圖2 接頭沖擊掃描對比結果

經過低溫沖擊試驗后，激光-MAG電弧復合焊接接頭的焊縫和熱影響區的沖擊斷口起裂區均呈現韌窩狀微觀斷裂特征，屬于典型的韌窩斷裂性質。而MAG電弧焊接接頭的焊縫區的沖擊斷口呈準解理+少量韌窩狀的混合斷裂特性；其熱影響區的沖擊斷口起裂區韌窩狀，為韌性斷裂特征。

（3）對接接頭對比—接頭宏觀、微觀組織對比：兩種焊接工藝的焊接對接接頭—宏觀、微觀組織對比結果如圖3所示。

圖3 宏觀、微觀組織對比結果

宏觀組織對比：MAG焊接接頭中，焊縫根部完全熔合，焊道之間及焊道與母材之間完全熔合，沒有氣孔等缺陷。激光-MAG電弧復合焊接接頭中，焊縫根部完全熔合，焊道之間及焊道與母材之間完全熔合，沒有氣孔等缺陷，焊縫具有較大的深寬比。表面焊縫的成型主要依靠電弧焊，而底層焊縫主要借助于激光束的匙孔效應，保證了完全熔透和完好的背面成型。

兩種焊接接頭宏觀組織對比可以發現，激光-MAG電弧復合焊接接頭中，焊縫與母材之間的焊趾部位圓滑過渡，可以明顯降低焊縫應力集中程度，有利于接頭疲勞強度改善。

微觀組織對比：兩者的焊接接頭特征區劃分相同，焊接熱影響區分為熔合區、粗晶區（過熱區）、相變重結晶區（正火區）和不完全重結晶區（不完全正火區），焊縫及熱影響區各微觀區的組織結構沒有發生變化，只是由于激光-MAG電弧復合焊的線能量較小，接頭區域冷卻速度較快，使得接頭區域的晶粒度在一定程度上細化，焊接熱影響區粗晶區寬度減小，從而改善焊接接頭的力學性能。

4.結論

（1）通過焊接工藝可行性試驗表明：激光-MAG電弧復合焊焊接板厚12mm的低合金鋼板對接焊縫時，采用坡口角度60°、鈍邊尺寸4mm、組裝間隙0～1mm，焊接質量高，焊縫成型好。

（2）通過激光-MAG電弧復合焊接與MAG焊接工藝對比表明，激光-MAG電弧復合焊接線能量減少50%以上，焊縫填充金屬的質量減少60%左右。體現激光-MAG電弧復合焊具有焊接線能量低，焊接速度快和節省焊接材料的工藝特點。

（3）通過激光-MAG電弧復合焊接與MAG焊接焊縫的宏觀組織對比表明，激光-MAG電弧復合焊接接頭中，焊縫與母材之間的焊趾部位圓滑過渡，可以明顯降低焊縫應力集中程度，有利于接頭疲勞強度改善。

（4）通過激光-MAG電弧復合焊接與MAG焊接焊縫的微觀組織對比表明，激光-MAG電弧復合焊接接頭的焊縫和熱影響區各微區的顯微組織沒有發生變化，只是由于復合焊接的線能量較小，接頭各區域冷卻速度較快，使得接頭區域的晶粒度在一定程度上細化，焊接熱影響區粗晶區寬度減小，從而改善焊接接頭的力學性能。

（5）軌道車輛主要承載結構焊接量大，焊接質量要求高。通過驗證結構中典型的對接接頭的激光-MAG電弧復合焊接工藝，能有效提高生產效率，改善工作環境，提高焊接質量。

【參考文獻】

[1]左鐵釧.制造用激光光束質量、傳輸能量與聚焦質量，科學出版社，2008.

[2]劉天佑.金屬學與熱處理，冶金工業出版社，2009.