高強(qiáng)度管線鋼激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀解析

梁 超

（西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610500）

在傳統(tǒng)焊接過(guò)程中，應(yīng)用最多的焊接技術(shù)為多道電弧焊接法，這種方法焊接功率較低，焊接速度慢，且熔深相對(duì)較淺，熱輸入量較大，對(duì)熱影響區(qū)域較大，從而影響焊接接頭微觀組織性能，導(dǎo)致接頭出現(xiàn)變形或者殘余應(yīng)力問題。激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)將兩種物質(zhì)性質(zhì)與能量傳輸機(jī)制進(jìn)行有效綜合，形成了一種全新的焊接技術(shù)手段。

1 高強(qiáng)度管線鋼激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)

1.1 負(fù)荷焊接原理

最早提出激光電弧復(fù)合焊接理念的是英國(guó)教授Steen，這種全新的焊接技術(shù)充分的利用了激光與電弧的有點(diǎn)，完善了兩者存在的缺陷。在實(shí)踐中，根據(jù)熱源主導(dǎo)區(qū)別，復(fù)合焊接可以分為激光增強(qiáng)電弧復(fù)合焊接技術(shù)和電弧輔助激光焊接技術(shù)。前者是一種基于電弧能量為主導(dǎo)的技術(shù)手段，在實(shí)踐中加入一些低功率激光，通過(guò)激光在焊道上形成的熱點(diǎn)可以在一定程度上牽引電弧，進(jìn)而有效避免了電弧漂移等問題，實(shí)現(xiàn)快速焊接處理；后者主要將激光做為為主體能量，通過(guò)電弧進(jìn)行工件預(yù)熱處理，有效提升復(fù)合焊接自身橋接性能，進(jìn)而提升焊接效率與質(zhì)量。現(xiàn)階段，電弧輔助激光負(fù)荷焊接技術(shù)為主要研究方向。

1.2 激光電弧負(fù)荷焊接技術(shù)特征

1.2.1 工藝適應(yīng)性較強(qiáng)

復(fù)合焊接可以融化多數(shù)金屬，對(duì)于焊接接口裝配沒有嚴(yán)格要求，可以有效增強(qiáng)橋接能力。在實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)激光與電弧位置分布進(jìn)行控制，可以利用電弧清理焊道，為激光焊接打下良好基礎(chǔ)，最終提升鋁合金等材質(zhì)的焊接質(zhì)量與效果。而加入電弧技術(shù)，可以有效的緩解溫度升高過(guò)快問題，減緩熔池凝固過(guò)程，進(jìn)而有效減少甚至消除其氣孔與裂紋產(chǎn)生現(xiàn)象，有效解決難熔、難焊金屬焊接問題。

1.2.2 改善焊縫成型

復(fù)合焊接技術(shù)可以有效改善熔融金屬以及母材濕潤(rùn)性，通過(guò)激光以及電弧能量進(jìn)行控制，可以獲得深寬比良好的焊縫，進(jìn)而改善焊縫成型，避免焊縫表面出現(xiàn)缺陷，有效增強(qiáng)了接頭自身延伸率，提升了焊件整體疲勞性能與指標(biāo)。在厚板焊接過(guò)程中，可以有效減少焊接次數(shù)，提升工作效率與質(zhì)量。

1.2.3 增加接頭質(zhì)量

復(fù)合焊接方式可以提升焊縫質(zhì)量，減少咬邊以及裂紋問題出現(xiàn)概率，優(yōu)化焊縫以及熱影響區(qū)域周邊組織性能，改善焊件整體應(yīng)力狀態(tài)。激光電弧復(fù)合焊接速度較高，熱輸入量較小，在焊后出現(xiàn)變形以及殘余性應(yīng)力相對(duì)較小，可以有效提升焊接效率與質(zhì)量。1.2.4 提升焊接整體穩(wěn)定性

電弧焊接很容易受到環(huán)境因素影響，從而出現(xiàn)較為顯著的工藝波動(dòng)。在高速焊接過(guò)程中，電弧斑點(diǎn)劇烈跳躍可能導(dǎo)致焊接過(guò)程中出現(xiàn)不穩(wěn)定性因素，進(jìn)而造成了焊縫缺陷。而加入一定激光熱源后，可以給電弧焊接提供較為穩(wěn)定作業(yè)環(huán)境，抑制了電弧跳躍性問題。而在激光以及電弧相互作用之下，可以完全抑制壓縮電弧問題，進(jìn)而提升整個(gè)工藝穩(wěn)定性。

2 高強(qiáng)度管線鋼激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)不同類型激光器與電弧復(fù)合焊接進(jìn)行了深入研究，主要研究?jī)?nèi)容為焊接參數(shù)對(duì)于孔隙率降低的影響、提升焊接效率以及增強(qiáng)焊接穩(wěn)定性等的方法等。

TWI等學(xué)者對(duì)高強(qiáng)度管線鋼平板進(jìn)行了激光電弧復(fù)合焊接工藝實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中利用厚度為11mm的管線鋼平板，復(fù)合焊接則應(yīng)用了Yb摻雜光纖激光器，其功率為7KW，GMAW弧焊電源則為AB Aristo450，試板接頭采用Y型坡口，鈍口深度為6mm。通過(guò)平焊、立焊接與仰焊的方式進(jìn)行位置模擬處理，進(jìn)行管線全位置焊接作業(yè)，沖擊試樣厚度數(shù)值是標(biāo)準(zhǔn)試樣的三分之二，其中平焊、立焊以及仰焊三種焊接位置的低溫沖擊功分別為69J、78J、73J。

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)厚度為11.7mm的管線鋼進(jìn)行電弧焊接以及激光電弧負(fù)荷焊接，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在利用GMAW焊接處理時(shí)，在一個(gè)焊口中需要四個(gè)焊道；而利用激光GMAW進(jìn)行焊道作業(yè)，只需要一個(gè)焊道即可以實(shí)現(xiàn)。故在實(shí)踐中，有效提升了焊接效率與質(zhì)量。

德國(guó)相關(guān)學(xué)者對(duì)激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)其在焊接過(guò)程中的組隊(duì)誤差、環(huán)境影響以及整套設(shè)備移動(dòng)性能等相關(guān)內(nèi)容展開仔細(xì)研究，重點(diǎn)研究了典型的激光深熔焊接效果，對(duì)激光復(fù)合焊接激光光束與電弧之間可能組合形式進(jìn)行總結(jié)分析。

在第一個(gè)階段中，主要就是利用4.5kW的光纖激光器進(jìn)行復(fù)合焊接研究；在第二個(gè)階段中則對(duì)10kW光纖激光器進(jìn)行了負(fù)荷焊接，通過(guò)額外的自由度復(fù)合焊接頭設(shè)計(jì)研究，利用弧形引導(dǎo)機(jī)構(gòu)以及帶夾持的鉸鏈機(jī)構(gòu)，調(diào)整了激光束以及電弧之間的位置，分析了激光以及電弧的不同組合。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)六米長(zhǎng)的管件進(jìn)行激光電弧負(fù)荷性焊接處理，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)管端，該實(shí)驗(yàn)管件具有較大組對(duì)間隙以及邊界偏離問題。

通過(guò)兩個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)，對(duì)其坡口、首層復(fù)合焊打底焊縫以及完整填充之后的焊接進(jìn)行分析，研發(fā)了新的管道激光電弧復(fù)合焊接原理樣機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)每分鐘六米的定位速度、每分鐘三米的焊接速度，在直徑為500～700mm的管道上進(jìn)行處理。而集成激光工作頭可以配合應(yīng)用20kW功率輸出光纖固體激光器，通過(guò)測(cè)試結(jié)果表明，該負(fù)荷焊接工藝具有一定的可行性，在實(shí)踐中效果顯著。

在哈爾濱工業(yè)大學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中，相關(guān)研究人員對(duì)X80管線鋼進(jìn)行了激光電弧復(fù)合焊接接頭微觀組織以及力學(xué)性能研究。利用激光MAG復(fù)合焊接系統(tǒng)光纖激光器以及焊接電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將激光系統(tǒng)與焊槍固定安裝在自制機(jī)構(gòu)上，保持激光頭垂直性，將半個(gè)圓周進(jìn)行四等分處理，在每個(gè)等分點(diǎn)上進(jìn)行激光電話負(fù)荷性焊接實(shí)驗(yàn)處理。通過(guò)五個(gè)不同位置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)激光電弧負(fù)荷焊接接頭具有高強(qiáng)度、高韌性特征，焊接效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

激光電弧負(fù)荷焊接技術(shù)融合了激光焊接以及電弧焊接兩種技術(shù)，它不僅具有激光焊接深熔性能力，也具有良好間隙橋接能力。通過(guò)電弧焊方式對(duì)金屬進(jìn)行填充，可以充分調(diào)節(jié)焊接接頭自身冶金性能指標(biāo)，進(jìn)而提升管線鋼焊接質(zhì)量與焊接速度，增強(qiáng)生產(chǎn)效率?？傊?，激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)焊接技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛，在實(shí)踐中獲得了較高評(píng)價(jià)，在今后工作中，要根據(jù)實(shí)際工作情況調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，從而滿足焊機(jī)要求。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光復(fù)合焊接技術(shù)也會(huì)不斷提升。