激光-MIC复合焊工艺及其在轨道交通领域应用现状

陈 辉，苟国庆，朱宗涛，杨 涛，熊 俊

（西南交通大学四川省先进焊接及表面工程技术研究中心，四川 成都 610031）

0 前言

铝合金具有密度小、塑性好、比强度高、易于加工成形和耐大气腐蚀能力强等优点，符合轻量化设计的要求，在轨道交通运输领域应用广泛[1]。众多铝合金焊接方法中，MIG焊是铝合金焊接的首选方法，其焊接工艺及自动化水平已较为成熟，但是由于铝合金的熔点较低，导热率和线膨胀系数较大，采用MIG焊接铝合金材料易产生裂纹、气孔等焊接缺陷，并且存在焊接变形大、接头软化严重及焊接生产效率低下等问题。由此可见，采用新的焊接方法来提高铝合金焊接接头质量已成为必然趋势[2-4]。

激光-MIG复合焊接是激光热源和MIG热源有机结合而成的新型高效焊接工艺，充分集成激光焊接与MIG焊接的优点，又使两者的不足得到互补，实现了“1+1＞2的协同效应”[5-6]。激光-MIG 复合焊接可以改善铝合金的焊接适应性，提高铝合金的焊接效率，其焊接过程的能量利用率也大于单一热源焊接的能量利用率，能有效地解决激光和MIG焊接铝合金的诸多问题，实现经济、优质、高效的焊接，是目前铝合金焊接研究的热点[7]。作为一种新兴的焊接技术，激光-MIG复合焊接已在德国、日本等发达国家进入工业化应用阶段，但目前我国对该技术的研究还处于探索阶段。

1 原理与特点

英国帝国理工大学W.Steen教授于20世纪70年代提出了激光-电弧复合焊接的概念。图1为激光-电弧复合焊接原理，激光与电弧这两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复合起来作用在同一区域。激光与电弧复合以后，不是简单意义上的叠加，热源之间会产生交互作用，取得1+1＞2的效果[8]。

图1 激光-MIG复合焊接原理[8]

激光-MIG复合焊接的特点主要有以下几方面。

（1）工况适应性良好。

工况适应性强是激光-MIG复合焊接相对于单一激光焊接的最显著优势，有很大的工程实用价值。单一激光焊接的工况适应性较差，通常情况下，接头间隙大于等于板厚的10%即可造成单一激光焊接接头出现未熔合、未填满、咬边和未熔透等焊缝缺陷[9-10]。受益于电弧能够在更宽的范围内熔化母材形成稳定的熔池，激光-MIG复合焊接的工况适应性明显高于单一激光焊接，例如，激光-MIG复合焊接4 mm厚铝板时最大可焊间隙量为1.8 mm，焊接6 mm厚铝板时最大可焊间隙量为2.8 mm[11]。

（2）熔深大。

激光-MIG复合焊接比单一激光焊接有更大的熔深，主要有以下几方面的原因：由于电弧的加热，工件表面升温、熔化，激光光束可以直接辐照液体熔池表面，增加了工件对激光的吸收；电弧等离子体与激光光致等离子体相互作用，降低激光光致等离子体电子密度，减少了其对激光的吸收和折射；电弧具有一定的吹力，焊接熔池液面下凹，降低了激光作用平面。

（3）改善高反射比材料的焊接性。

电弧对工件的加热和熔化作用使激光光束能够直接辐射到液体熔池表面，有效避免高反射比材料对激光的大量反射；通常直流反接的MIG电弧对工件有阴极雾化作用，可以清理工件表面的氧化膜，有利于激光与材料的耦合[12-13]。

（4）提高焊接过程的稳定性。

激光产生的等离子体为电弧稳定燃烧提供了充足的带电粒子，即使在高速焊接时，激光-MIG复合焊的稳定性仍然可以保证[14]。此外，激光光束对电弧有显著的压缩作用，能提高弧柱的挺直度，并且能改善电弧的熔滴过渡形式，这同样有利于提高激光-MIG复合焊接过程的稳定性[15-16]。

2 工艺特性

国内外学术界从工艺参数、工况适应性、接头组织及力学性能等方面对铝合金激光-MIG复合焊接技术进行了一定的研究。

激光-MIG复合焊接工艺参数较多，机理复杂，接头成型受诸多因素的影响。中国兵器科学研究院的马志华等研究了CO2激光-MIG复合焊接工艺参数对焊接成型的影响规律，研究发现焊缝的熔深与熔宽受电弧电流、激光功率、焊接速度和热源间距的影响较大[4]。钢铁研究总院许良红等对激光-MIG复合焊接的进一步研究表明：只有在热源间距、离焦量、焊接速度、激光功率和激光倾斜角度等因素在一定范围内合理搭配才能确保接头的良好成型[17]。

激光-MIG复合焊接具有良好的工艺适应性，在很大的板厚范围内均可实现良好的焊接，并且对间隙、错边、热源间距等具有良好的适应能力。中铁总公司的安治业等采用激光-MIG复合焊接方法对4～16 mm厚6005A铝合金进行了焊接，并从外观成形、微观组织及力学性能等方面对比分析不同厚度的接头。研究表明：采用激光-MIG复合焊接方法焊接4～16 mm厚的铝合金均能得到组织及力学性能良好的焊接接头，且不同厚度的接头组织及力学性能差别较小[18]；四方机车车辆股份有限公司汪认等以6 mm厚7N01铝合金为研究对象，从焊接速度、坡口间隙、热源间距、错边量等方面对激光-MIG复合焊接的工艺适应性进行了研究，结果表明：激光-MIG复合焊接工艺适应性良好，在较大的焊接速度、坡口间隙、热源间距和错边量的范围内均可保证焊缝的良好成形[19]。

激光-MIG复合焊接接头的力学性能较普通的MIG焊接接头有所提升，接头软化问题有所改善。中国兵器科学研究院谭兵等针对10 mm厚的5052铝合金采用激光-MIG复合焊接技术进行焊接，利用光学显微镜、扫描电镜和维氏硬度计等工具对焊接接头组织、元素分布和力学性能等进行研究，结果表明：采用复合焊接方法可以实现中厚板铝合金的高速焊接，焊缝成形美观、界面熔合良好，焊接接头软化区较窄，焊接接头强度达到母材强度的94.4%[20]。西南交通大学的 Shaohua Yan等则对A5083-H111铝合金激光-MIG复合焊接接头的组织及力学性能进行了研究，研究发现激光-MIG复合焊接接头的热影响区窄于MIG，且其疲劳性能较MIG有所改善[21]。

综合以上现状可知，激光-MIG复合焊接铝合金具有良好的工艺适应性，焊接不同厚度的铝合金均能获得组织及力学性能良好的焊接接头，其与MIG焊接相比表现出了一定的优势。

3 轨道交通领域应用现状

目前，激光-电弧复合焊接技术在轨道交通领域得到了广泛应用。

随着高速铁路事业的快速发展，实现车体的轻量化已成为提高列车速度的关键措施。铝合金是高速列车车体的主要材料，国外的高速列车生产厂家尝试使用激光-MIG复合焊接方法提高车体质量。德国的Dilthey和Reich在2003年就采用激光-MIG复合焊接方法成功实现 ICE Trains一节铝合金客车车厢（材料为6xxx系列，车身长度为26 m）的焊接，焊缝总长度超过1 km。结果表明：复合焊接后的车厢完全满足产品要求，而且和MIG焊接相比，焊接变形大大减少[22]。

图2 铝合金车厢激光-MIG复合焊

2008年英国 TWI、2009年德国BIAS均开展了用于高速列车的铝合金蜂窝板结构激光-MIG复合焊技术，对于8 mm厚铝合金接头，采用激光-MIG复合焊一次性焊透，焊接速度高达6 m/min，接头达到一级焊缝质量。日本也于2008年建成了铝合金车体激光-MIG复合焊生产线，如图3所示。

图3 日本 The Kinki Sharyo Co.，Ltd.铝合金激光-MIG复合焊生产线

国内西南交通大学多年来致力于激光电弧复合焊技术，并成功地将该技术应用到高铁转向架、横梁、侧梁大部件的焊接上，极大提高了焊接效率和生产效率，减少了焊接变形。图4为枕梁大部件焊缝的激光MIG复合焊接。

图4 枕梁大部件焊缝的激光-MIG复合焊

4 结论

激光-MIG复合焊接将激光与MIG电弧结合在一起，充分集成激光焊接与MIG焊接的优点，焊接铝合金效率高，其焊接过程的能量利用率也大于单一热源焊接的能量利用率，能有效地解决激光和MIG焊接铝合金的诸多问题，在工业中得到了广泛的应用。随着铝合金在结构材料中所占的比例日益增加，激光-MIG复合焊接以其经济性和实用性的优势在工业上将会得到更加广泛的应用。

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