激光—MAG电弧复合焊接工艺研究
【摘 要】本文结合轨道车辆承载部件的结构中的典型接头型式，研究激光-MAG电弧复合焊接工艺应用于轨道车辆承载部件的可行性。通过对比激光-MAG电弧复合焊接和MAG焊接工艺参数、对焊缝成型、焊接接头质量和焊接接头机械性能，为激光-MAG电弧复合焊接工艺在轨道车辆承载部件应用提供试验数据和研究基础。
【关键词】激光-MAG电弧复合焊；焊接工艺；对比试验研究
0.引言
随着激光焊接工艺应用范围推广，激光-MAG电弧复合焊接工艺成为一种新兴的焊接工艺备受青睐，应用日益广泛，如造船业、管道运输和车辆制造等领域。
轨道车辆的承载部件主要包括走形部转向架构架和车体钢结构的牵枕缓，主要采用中厚低合金钢板（板厚为8～16mm）通过冷加工压型（或滚压成型）的零件，相互拼焊组装而成。通常焊接工艺为自动或半自动MAG焊接。
通过激光-MAG电弧复合焊和MAG焊接工艺对比试验验证及性能试验，为激光-MAG电弧复合焊接工艺在轨道车辆承载部件应用提供试验数据和研究基础。
1.激光—MAG电弧复合焊原理及特点
1.1激光-MAG电弧复合焊接原理
激光-MAG电弧复合焊接是将激光焊接和电弧焊接有机结合起来的一种高效优质焊接新工艺。它将激光和电弧这两种热源物质的物理性能、能量传输机制截然不同的复合在一起，共同作用于被焊接件的表面，通过两种热源物质的相互作用及复合热源与工件的作用完成焊接过程。
采用激光+电弧的复合方式可以充分发挥两种热源的优势，在同等条件下，激光-MAG电弧复合焊接比单一的激光焊或电弧焊具有更强的焊接工艺适应性和更好的焊缝成型质量。
1.2激光-MAG电弧复合焊接的特点
（1）焊缝熔深增大。熔化的熔池金属可以提高对激光光源的吸收率，而激光束在熔池中产生小孔，保证在高速焊接条件下获得理想的焊缝熔深，并保证焊接过程中的稳定和获得规则焊缝成型。
（2）焊缝质量改善，焊接缺陷减少。激光束可以使焊缝加热变短，不易产生晶粒过大而且热影响区减小，改善焊缝组织性能。同时，在电弧的作用下，复合热源能减缓熔池的凝固时间，有利于气体和杂质的溢出，有效减少焊缝中气孔、裂纹、咬边等缺陷。
（3）焊接过程稳定。由于激光作用在熔池中会形成匙孔，对电弧有吸引作用，从而提高了焊接的稳定性。匙孔也会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。
（4）生产效率提高，生产成本降低。激光和电弧的相互作用增大焊接速度，电弧的作用使得较小功率的激光器就能达到很好的焊接效果，与纯激光焊接工艺相比可降低焊接设备成本。
激光-MAG电弧复合焊接工艺能够形成大深宽比、高质量焊接接头，提高生产效率、降低生产成本的诸多优势，作为一种优质、高效、清洁的焊接技术，具有良好的应用价值。
2.激光—MAG电弧复合焊接工艺可行性试验
2.1试验材料及其化学成分和物理性能
试验焊件选用常用低合金钢材Q345C（板厚12mm），试验填充焊丝选用ф1.2实心焊丝（牌号 CHW-55CNH）。
2.2 试件组装间隙及钝边调整试验验证
在坡口角度选定常用的60°时的激光-MAG电弧复合焊缝成型及外观如图1所示，其中钝边尺寸分别取为4mm和2mm，组焊间隙分别选取0和1mm。
图1 焊缝成型及外观
当钝边尺寸为2mm时，无论组装间隙为0还是1mm，焊缝根部完全熔透，焊缝表面成型良好，无缺陷。但是外层焊缝需要两道才能完全熔合。
当钝边尺寸为4mm时，无论组装间隙为0还是1mm，焊缝根部完全熔透，焊缝表面成型良好，无缺陷，外层焊缝一道完全熔合。比较组装间隙，由于当离焦量为+2～+4mm时，对应作用在焊件表面的激光斑束直径一般为1.0～1.5mm，因此底层焊道的组装间隙不应大于1mm。同时，底层焊道均呈凹形，有利于后续焊道的填充。
根据上述试验结果分析，当选用坡口角度60°、钝边尺寸4mm、组装间隙0为宜，最大不能大于1mm。
3.激光—MAG电弧复合焊与MAG焊工艺对比
板厚12mm的板材对接焊缝焊接工艺对比。
对比板厚12mm的板材对接焊缝，坡口角度60°、钝边尺寸4mm、组装间隙0试件，激光-MAG电弧复合焊比MAG焊接线能量减少50%以上，焊缝填充金属的质量减少60%左右。表明激光-MAG电弧复合焊具有焊接线能量低，焊接速度快和节约焊接熔敷金属等焊接特点。
（1）对接接头力学性能对比结果表明：焊接接头及热影响区的维氏硬度方面，激光-MAG电弧复合焊接工艺高于MAG焊接工艺试件；拉伸、弯曲性能两者相当，但冲击韧性方面，激光-MAG电弧复合焊接接头优于常规MAG焊接接头。
两种焊接工艺的焊接接头区域的焊缝和热影响区的维氏硬度都低于标准规定的退货状态下最高硬度值320 HV10，符合要求。
（2）对接接头对比—冲击扫描对比：两种焊接工艺的焊接对接接头—冲击扫描对比结果如图2所示。
图2 接头冲击扫描对比结果
经过低温冲击试验后，激光-MAG电弧复合焊接接头的焊缝和热影响区的冲击断口起裂区均呈现韧窝状微观断裂特征，属于典型的韧窝断裂性质。而MAG电弧焊接接头的焊缝区的冲击断口呈准解理+少量韧窝状的混合断裂特性；其热影响区的冲击断口起裂区韧窝状，为韧性断裂特征。
（3）对接接头对比—接头宏观、微观组织对比：两种焊接工艺的焊接对接接头—宏观、微观组织对比结果如图3所示。
图3 宏观、微观组织对比结果
宏观组织对比：MAG焊接接头中，焊缝根部完全熔合，焊道之间及焊道与母材之间完全熔合，没有气孔等缺陷。激光-MAG电弧复合焊接接头中，焊缝根部完全熔合，焊道之间及焊道与母材之间完全熔合，没有气孔等缺陷，焊缝具有较大的深宽比。表面焊缝的成型主要依靠电弧焊，而底层焊缝主要借助于激光束的匙孔效应，保证了完全熔透和完好的背面成型。
两种焊接接头宏观组织对比可以发现，激光-MAG电弧复合焊接接头中，焊缝与母材之间的焊趾部位圆滑过渡，可以明显降低焊缝应力集中程度，有利于接头疲劳强度改善。
微观组织对比：两者的焊接接头特征区划分相同，焊接热影响区分为熔合区、粗晶区（过热区）、相变重结晶区（正火区）和不完全重结晶区（不完全正火区），焊缝及热影响区各微观区的组织结构没有发生变化，只是由于激光-MAG电弧复合焊的线能量较小，接头区域冷却速度较快，使得接头区域的晶粒度在一定程度上细化，焊接热影响区粗晶区宽度减小，从而改善焊接接头的力学性能。
4.结论
（1）通过焊接工艺可行性试验表明：激光-MAG电弧复合焊焊接板厚12mm的低合金钢板对接焊缝时，采用坡口角度60°、钝边尺寸4mm、组装间隙0～1mm，焊接质量高，焊缝成型好。
（2）通过激光-MAG电弧复合焊接与MAG焊接工艺对比表明，激光-MAG电弧复合焊接线能量减少50%以上，焊缝填充金属的质量减少60%左右。体现激光-MAG电弧复合焊具有焊接线能量低，焊接速度快和节省焊接材料的工艺特点。
（3）通过激光-MAG电弧复合焊接与MAG焊接焊缝的宏观组织对比表明，激光-MAG电弧复合焊接接头中，焊缝与母材之间的焊趾部位圆滑过渡，可以明显降低焊缝应力集中程度，有利于接头疲劳强度改善。
（4）通过激光-MAG电弧复合焊接与MAG焊接焊缝的微观组织对比表明，激光-MAG电弧复合焊接接头的焊缝和热影响区各微区的显微组织没有发生变化，只是由于复合焊接的线能量较小，接头各区域冷却速度较快，使得接头区域的晶粒度在一定程度上细化，焊接热影响区粗晶区宽度减小，从而改善焊接接头的力学性能。
（5）轨道车辆主要承载结构焊接量大，焊接质量要求高。通过验证结构中典型的对接接头的激光-MAG电弧复合焊接工艺，能有效提高生产效率，改善工作环境，提高焊接质量。
【参考文献】
[1]左铁钏.制造用激光光束质量、传输能量与聚焦质量，科学出版社，2008.
[2]刘天佑.金属学与热处理，冶金工业出版社，2009.