Q690钢零坡口激光MAG复合单面焊双面成型工艺的制作方法

本发明涉及高强钢激光-电弧复合焊接，具体涉及q690钢零坡口激光mag复合单面焊双面成型工艺。

背景技术：

1、q690低合金高强钢屈服强度不低于690mpa，综合强韧性优异，是重载工程机械主梁、风电支撑构件、压力容器筒体的核心用材。该钢碳当量ce≥0.50%，淬硬倾向大，焊接冷裂纹敏感性极强，厚板对接焊接长期存在工艺繁琐、成型差、缺陷多、效率低等行业痛点。目前12mm厚q690钢板主流焊接工艺分为三类，各自存在难以克服的技术缺陷：

2、1、传统多层多道mag/埋弧电弧焊

3、必须铣削加工v型、x型坡口，配套坡口打磨、焊后背清根、打磨修复多道工序；单条焊缝需3-5层填充盖面，焊接速度仅0.2-0.3m/min，生产效率极低；整体热输入总量大，焊接变形量8-12mm/m，工件尺寸精度难以保障；焊缝热影响区晶粒粗大，易诱发冷裂纹、根部未熔合、链状氢气孔，-20℃低温冲击韧性难以达标；坡口填充金属消耗量大，焊丝、加工工时综合成本高。

4、2、单一光纤激光深熔焊

5、激光能量集中、熔深能力强，但搭桥适配性差，允许对接间隙＜0.1mm，工装装配容错极低；焊缝窄深比过大，背面液态金属极易下坠形成驼峰、凹坑；无电弧填充金属，正面焊缝凹陷，需二次补焊；激光等离子体周期性波动，焊缝内部易产生密集气孔，无法独立完成稳定单面焊双面成型。

6、3、现有激光-mag复合焊接工艺

7、现有复合焊方案存在以下短板：

8、（1）绝大多数工艺仍需开设坡口，少数零坡口方案仅适配6-10mm薄板或16mm以上超厚板，无针对12mm标准规格q690钢的成套工艺；

9、（2）普遍采用药芯焊丝，药粉受潮易引发气孔，材料采购成本高；

10、（3）强制要求焊前预热150-250℃、焊后保温消氢，能耗高、工序链条长；

11、（4）热源排布多采用激光前置布局，未主动利用激光匙孔压缩电弧提升耦合效率；

12、（5）保护气采用正反面同种配比，无法差异化调控正反面熔池成型，背面焊缝纯净度不足。

13、因此，行业亟需开发一套适配12mm q690钢、全程零坡口、免预热免热处理、单道一次双面成型、依托匙孔主动约束电弧、梯度气氛协同控形的完整工艺体系，以同时满足高效率、低变形、高力学性能、低成本的工业化生产需求。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了q690钢零坡口激光mag复合单面焊双面成型工艺。

2、本发明实施例提供的技术方案如下：

3、q690钢零坡口激光mag复合单面焊双面成型工艺，包括以下步骤：

4、s1、焊前准备：

5、将12mm厚q690钢板加工为i型零坡口对接接头，对接端面铣削精加工，对焊缝两侧各20mm区域打磨至表面粗糙度ra≤6.3μm并除油除锈；错边量≤0.5mm；

6、传统12mm厚q690钢需开v型/x型坡口的根本原因在于单一电弧热源能量密度低、熔深不足，必须通过坡口增加熔敷金属填充量并逐层建立熔深，本发明采用9600w高功率激光提供深熔穿透力，从根本上解除了对坡口角度和深度的依赖，使零坡口装配成为可能；

7、对接端面铣削精加工保证了两侧母材在固态界面的紧密贴合，为零间隙装配提供几何精度基础，表面粗糙度ra≤6.3μm及两侧20mm打磨区的作用是去除氧化膜（feo、fe2o3等）和油污，q690钢表面氧化膜的分解温度高于金属基体熔点，若残留将阻碍熔池铺展并成为气孔和夹渣的源头；同时，光滑表面对激光的反射率降低、吸收率提升，有利于激光能量的有效耦合；

8、s2、工件装夹：

9、将钢板刚性固定于焊接工装，板材背部不设置衬垫，依靠激光深熔匙孔与熔池自身表面张力平衡实现背面成型；

10、刚性固定夹具的作用是限制焊接热循环过程中母材的横向收缩和角变形，防止因熔池凝固收缩产生的拉应力超出母材屈服强度而导致裂纹，同时保证焊道沿对接缝直线行进、不偏移；不设置背部衬垫，而是通过激光深熔焊接效应形成的小孔稳定熔池，配合正面与背面梯度保护气氛，使背面熔池在表面张力与重力之间形成动态平衡，防止熔池下塌流失，同时避免衬垫带来的额外装配工序和背面焊缝污染风险；

11、s3、焊丝选型：

12、选用直径φ1.2mm、抗拉强度780-900mpa的高强实心焊丝；

13、q690母材屈服强度≥690mpa，若焊丝强度不足，接头将成为结构薄弱区；若焊丝强度过高，则焊缝塑性储备不足、裂纹敏感性急剧上升。er100s-g（抗拉780~900mpa）实现了与q690母材的等强匹配，保证接头强度不低于母材，φ1.2mm细丝配合10m/min的高送丝速度，保证了单位时间内足够熔敷量的同时，细丝比表面积大、熔滴过渡细密，有利于电弧稳定燃烧，区别于药芯焊丝，实心焊丝无需添加造渣剂、稳弧剂等药粉，从根本上排除了药粉受潮引入氢源和气孔源的风险，确保熔敷金属的超低氢含量，这是实现免预热免后热的冶金基础；

14、s4、复合热源与参数设定：

15、采用电弧前置、激光后置的激光mag复合焊接布局，激光前进角0°，电弧前进角-60°，光丝水平间距1-3mm；焊接参数：激光功率9600w，离焦量-3mm，焊接速度20mm/s，送丝速度10m/min，电弧采用脉冲模式；正面保护气为体积分数80%ar与20%co2混合气、流量25l/min，背部保护气为高纯ar、流量25l/min；

16、9600w激光以-3mm离焦量作用于板材表面时，功率密度约107w/cm2，远超金属气化阈值，使材料瞬间气化、形成贯穿性或深型小孔，小孔内金属蒸汽压与外加激光辐射压力共同维持小孔不闭合，激光能量沿小孔壁通过菲涅尔吸收和逆轫致吸收向板材纵深传递，这是实现12mm全熔透的能量来源；

17、光丝水平间距1-3mm的设定是本发明的核心机制所在：该间距恰好使mag电弧落入激光小孔上方等离子体云的边缘区域，小孔内高温高密度金属蒸汽/等离子体具有极低的电阻率，为电弧提供了低阻抗的导电路径，从而对电弧产生吸引效应，这种吸引作用使原本呈钟形发散的电弧被约束压缩，电弧直径减小、挺度提升，电弧被压缩后，其电流密度和能量密度同步增大，对小孔底部的加热效率增强，由此形成正向循环，即小孔吸引电弧→电弧压缩挺度提升→压缩电弧增强对小孔底部的加热→小孔进一步加深；

18、激光与电弧在空间上错位但热源在熔池内汇合，既避免了同位置叠加导致的能量浪费和金属过度蒸发，又实现了电弧预热与激光深熔的时序配合，保护气方面，正面80%ar与20%co2的弱氧化性气氛兼具电弧稳弧和改善熔池流动性的功能；背面纯ar则提供根部惰性保护，防止背面焊缝氧化；

19、s5、自动化焊接实施：

20、同步启动激光器与mag焊机；按照s4设定的工艺参数进行自动化单道对接焊，焊接过程中激光深熔焊接效应形成小孔，mag电弧被小孔吸引压缩；

21、当激光和mag电弧同步启动后，焊接过程进入一种自稳定的动态平衡状态，激光焊接速度20mm/s与送丝速度10m/min的匹配关系保证了单位长度焊缝的熔敷金属量恒定，既保证了正面焊缝的填充饱满度，又防止了过量熔敷导致的焊瘤和下塌，随着焊枪沿焊缝行进，熔池前端持续形成新的小孔、尾端熔池连续凝固，形成准稳态温度场，小孔对电弧的吸引压缩效应在行进过程中保持恒定，焊接过程中的自调节机制表现为：当焊接速度或送丝速度出现微小波动时，小孔尺寸随之改变并即时反馈至电弧形态，电弧通过自身阻抗的变化自适应调整热输入，最终维持熔透深度恒定；

22、s6、焊后处理：

23、焊接完成后自然冷却至室温度，随后对焊缝进行外观检测与内部质量检验，合格后实现单面焊双面完整成型；

24、q690钢焊接的冶金难题在于：焊接冷却速度过快易形成全马氏体组织、韧性不足；冷却速度过慢则形成粗晶贝氏体/铁素体、强度下降，本发明中，9600w激光配合20mm/s焊接速度的组合热输入使熔池在凝固后的冷却速度恰好落在窗口区间，约10-20℃/s；

25、在上述冷却速度下，高温奥氏体在连续冷却转变过程中部分转变为板条状马氏体，提供强度，部分转变为针状铁素体，提供韧性，针状铁素体在原始奥氏体晶粒内以相互穿插的针状形态形核生长，其大角度晶界能有效阻碍裂纹扩展；板条马氏体的高密度位错亚结构则保证了强度水平；两种组织的相互交割和协同分布，最终使焊缝在无需焊后热处理的条件下同时满足强度和韧性的双重要求，同时低氢体系确保了马氏体转变过程中无扩散氢的参与，根除了氢致延迟裂纹的隐患；

26、外观检测显示焊缝表面成型良好，正反两面成型饱满，无咬边、驼峰、气孔等表面缺陷，内部质量检验显示焊缝横截面全熔透，无裂纹、气孔、侧壁未熔合等内部缺陷；焊缝微观组织均匀，为针状铁素体与板条状马氏体的双相复合组织，力学性能测试结果满足q690钢使用要求，拉伸试样断于母材，-20℃冲击吸收功高于47j。

27、优选地，s2中不设置背部衬垫，通过激光匙孔稳定熔池并配合梯度气氛控制，约束背面熔池液态金属，稳定控制背面焊缝熔宽2.5-3.0mm。

28、优选地，s3中实心焊丝为er100s-g匹配焊丝。

29、优选地，s4中焊丝干伸长15mm，激光光斑尺寸0.45mm，焊丝倾斜角0°。

30、优选地，s5中光丝间距为2mm。

31、优选地，焊接后焊缝正面熔宽5.8-6.5mm，焊缝横截面呈沙漏形完整熔合，无侧壁未熔合缺陷。

32、优选地，整套工艺焊接热输入相较传统多层多道mag电弧焊降低20%-35%，焊接残余变形减少40%-60%。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

34、（1）本发明采用光丝间距1-3mm的激光后置排布方式，配合激光匙孔对mag电弧的吸引压缩机理。将激光匙孔从熔深来源升级为电弧约束结构，当光丝间距为2mm时，匙孔内高温低阻抗等离子体对mag电弧产生定向吸引，使钟形发散的电弧被压缩挺度提升，压缩后的电弧对小孔底部加热效率增强，形成热源自反馈正向循环，实现激光与电弧的能量互馈及12mm厚板零坡口单道全熔透。

35、（2）本发明采用正面80%ar与20%co2与背面纯ar的保护气方案，配合厚度方向气氛梯度效应。正面富co2气氛高温分解吸热，降低熔池温度与表面张力、提高润湿铺展性，防止熔池过热下塌；背面纯ar提供无氧化惰性环境，确保背面焊缝纯净度与韧性，实现正反面成型质量的独立调控。

36、（3）本发明采用实心焊丝配合全低氢体系，配合马氏体转变窗口区间的冷却速度控制。实心焊丝从源头控制扩散氢含量低于5ml/100g，根除氢致延迟裂纹的氢源；激光功率9600w与焊接速度20mm/s的组合热输入使焊缝冷却速度落在10-20℃/s窗口区间，高温奥氏体部分转变为板条状马氏体提供强度、部分转变为针状铁素体提供韧性，使焊缝无需焊后热处理即可同时满足强度与韧性要求。

37、（4）本发明采用刚性固定与无背部衬垫的组合约束方案，配合熔池表面张力与激光匙孔的动态平衡控制。刚性夹具约束母材横向变形，激光匙孔稳定熔池并配合正反面梯度气氛控制，使液态金属表面张力与重力形成动态平衡，稳定控制背面焊缝熔宽在2.5-3.0mm，实现稳定可控的单面焊双面成型。