激光焊在船舶行業(yè)的應(yīng)用

周 飛，張御宇，沈 軍

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

目前滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司（以下簡稱“公司”）一般采用正面CO2氣體保護(hù)焊+反面埋弧焊或正反面埋弧焊的方式對(duì)4～6mm厚度的薄板進(jìn)行焊接。在該方法中，埋弧焊的焊接參數(shù)控制難度較大，若電流和電壓過大，則熱輸入量大，鋼板易產(chǎn)生變形，需在割除引熄弧板之后通過油壓機(jī)進(jìn)行重新壓平，所花費(fèi)的矯正工時(shí)長；若電流和電壓偏小，則焊縫無法熔透，射線探傷合格率低，返修難度大。

隨著造船工藝的不斷進(jìn)步，焊接質(zhì)量和焊接效率成為企業(yè)的核心競爭力。激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過金屬與激光的相互作用，使金屬吸收的激光轉(zhuǎn)化為熱能，將金屬熔化之后冷卻結(jié)晶完成焊接。激光焊接按機(jī)理的不同分為熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊。熱傳導(dǎo)焊接是將光能轉(zhuǎn)化為熱能，以熱傳導(dǎo)的方式向材料深處傳遞；而激光深熔焊是焊接材料在吸收激光光能之后被加熱至氣化狀態(tài)，在焊材表面形成凹坑，隨著激光照射停止，熔液回流，冷卻凝固之后將兩焊件焊接在一起[1]。

目前公司引進(jìn)的是IPG-10000型光纖激光器，由Qutanta焊接激光跟蹤器、KUKA焊接機(jī)器人、FRONIUS-VR700送絲機(jī)和激光復(fù)合用MIG槍等幾部分組成，主要對(duì)高新產(chǎn)品中常用的某型特種高強(qiáng)鋼試板進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

1 試 驗(yàn)

1.1 小試板焊接試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)材料及焊前準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用板厚為6mm的某型特種高強(qiáng)船用鋼，坡口形式為I型，坡口間隙為0，其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1，力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 船用鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

表2 船用鋼力學(xué)性能指標(biāo)

試驗(yàn)使用ER50-6型號(hào)焊絲。根據(jù)《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》（GB/T 8110-2008），ER50-6型焊絲各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表3，力學(xué)性能指標(biāo)見表4。

表3 ER50-6型號(hào)焊絲各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

表4 ER50-6型號(hào)焊絲力學(xué)性能指標(biāo)

對(duì)比 ER50-6型號(hào)焊絲和某型特種高強(qiáng)船用鋼母材的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，焊絲與母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能較為接近，基本上能達(dá)到等強(qiáng)度匹配的要求。

為保證加工精度，試驗(yàn)所用試板均由激光切割機(jī)加工。試驗(yàn)板材底漆較厚，為避免底漆對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，清除坡口兩側(cè)10mm范圍內(nèi)的底漆。

1.1.2 焊接參數(shù)

試驗(yàn)采用激光填絲焊焊接，激光填絲焊聚焦激光斑點(diǎn)不是直接照射母材表面，而是照射焊絲上，焊絲熔化之后進(jìn)入待焊兩工件之間的縫隙內(nèi)。試驗(yàn)設(shè)定離焦量為-1，光絲間距為0，焊接速度為1.2m/min，送絲速度為2.4m/min，焊接功率為6.6kW，焊后觀察焊縫的截面宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)在該焊接參數(shù)下未達(dá)到全熔透。

針對(duì)此種情況，采用僅增大焊接功率其他焊接參數(shù)不變的方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)功率從6.6kW開始，以每次增加200W的方式進(jìn)行遞增，直到7.6kW。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在其他焊接參數(shù)不變的情況下，隨著功率的增大，焊接熔深并未發(fā)生明顯變化。

初步分析，在激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子云霧遮擋激光導(dǎo)致真實(shí)作用于焊縫的激光功率受到影響（見圖1）。等離子云霧是金屬蒸氣在激光束的作用下電離產(chǎn)生光致等離子體，形成等離子云團(tuán)，對(duì)入射的

激光產(chǎn)生吸收和反射，甚至是屏蔽的現(xiàn)象[1]。后續(xù)試驗(yàn)采用加裝吹氣裝置的方式解決等離子云霧問題，但效果并不明顯（見圖2）。

經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)，激光器中的保護(hù)鏡片受污染的速率很高（僅經(jīng)過幾次焊接之后就受到較為嚴(yán)重的污染損壞），與理論上1個(gè)月使用周期的情況差距較大，問題的根源在于通入激光器中作為保護(hù)氣體的壓縮空氣壓力不足（僅為0.3MPa），使得焊接產(chǎn)生的飛濺及煙塵進(jìn)入到激光器中，附著在保護(hù)鏡片上，阻礙激光作用在焊絲上，激光焊接熔深受到嚴(yán)重的影響。通過調(diào)度，確定當(dāng)壓縮空氣壓力>0.75MPa時(shí)，保護(hù)情況良好，可滿足焊接要求。

圖1 激光焊接焊縫實(shí)時(shí)示意

圖2 加裝吹氣裝配

1.1.3 焊縫成形

試驗(yàn)的預(yù)期效果是達(dá)到單面焊雙面成形。當(dāng)前焊縫達(dá)到全熔透已不成問題，但在使用上文給出的焊接參數(shù)時(shí)，焊縫反面的成形達(dá)不到實(shí)際生產(chǎn)的要求。高新產(chǎn)品對(duì)4～6mm薄板焊縫外觀的要求通常為：焊縫熔寬3～4mm，余高1～2mm，焊縫光順飽滿且與周圍母材圓滑過渡。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定離焦量為1、光絲間距為0、焊接速度為1.5m/min、送絲速度為1.8m/min、焊接功率為6.0kW時(shí)，存在的主要問題是反面焊縫成形不光順，焊縫中間為尖銳的突起。由于激光填絲焊接涉及的焊接參數(shù)較多，故在試驗(yàn)時(shí)每次僅改變1個(gè)參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果更改下一個(gè)參數(shù)。

試驗(yàn)首先通過調(diào)節(jié)離焦量來改善反面成形，當(dāng)調(diào)至負(fù)離焦時(shí)發(fā)現(xiàn)反面加強(qiáng)高增加，但為尖銳的突起狀，且正面焊縫下凹。分析試驗(yàn)結(jié)果可知，焊接填充量不足，對(duì)此采用增加送絲速度的方式進(jìn)行改進(jìn)，焊后發(fā)現(xiàn)正面焊縫成形光順，余高約為 2mm，但反面焊縫成形依舊不光順。結(jié)合焊縫坡口形式、送絲速度及焊接速度發(fā)現(xiàn)，此時(shí)焊絲的填充已滿足焊縫填充要求，反面焊縫存在尖銳突起的原因在于其功率小，焊縫未鋪展開，對(duì)此采用增大功率而保持其他參數(shù)不變的方式進(jìn)行焊接，焊后發(fā)現(xiàn)反面焊縫成形有明顯的改善。

經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：厚度為6mm的某型特種高強(qiáng)船用鋼拼板縫，在裝配精度良好的條件下，采用功率為6.6kW，送絲速度為2.2m/min、焊接速度為0.96m/min、光絲間距為0、離焦量為7mm的焊接參數(shù)，焊縫正面和反面的成形均良好，能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

1.2 焊縫跟蹤與視校

高新產(chǎn)品使用的對(duì)接拼板間隙非常小，焊縫圖像的處理及焊縫特征點(diǎn)的識(shí)別都特別困難。為準(zhǔn)確識(shí)別焊縫及焊縫的特征點(diǎn)，目前公司采用的焊縫跟蹤設(shè)備是高精度、高分辨率的激光視覺傳感器。激光視覺傳感器安裝在KUKA機(jī)器人的第6個(gè)軸上，在焊接過程中實(shí)時(shí)拍攝焊縫圖像，并將拍攝到的圖像傳給跟蹤控制器；跟蹤控制器通過圖像處理和特征點(diǎn)提取來確定激光焊槍的位置，并及時(shí)進(jìn)行糾偏。

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷采集，建立激光焊接實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，達(dá)到利用高分辨率的激光跟蹤傳感器對(duì)焊接情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果，實(shí)現(xiàn)激光焊接高精度的跟蹤糾偏，保證焊槍左右及高低方向的誤差值在±0.15mm 以內(nèi)[2]。

1.3 ADAP自適應(yīng)焊接參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用激光焊接的方式加工鋼板不可能保證完全零間隙，在拼板裝配過程中難免出現(xiàn)焊縫間隙不均勻的情況，而激光焊接參數(shù)對(duì)不同間隙板縫的覆蓋能力很差，若在焊接過程中始終采用唯一參數(shù)進(jìn)行焊接，則無法保證焊接質(zhì)量。如果該問題不解決，激光焊在船廠的應(yīng)用將無法實(shí)現(xiàn)。

ADAP自適應(yīng)焊接參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以激光焊接跟蹤器為基礎(chǔ)，利用激光焊接跟蹤傳感器獲取焊縫實(shí)時(shí)信息來不斷調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)焊接參數(shù)。此時(shí)的焊接參數(shù)根據(jù)不同的間隙情況，以最優(yōu)的焊接參數(shù)為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)庫模型[3]。試驗(yàn)選用0.2mm、0.4mm、0.6mm和0.8mm等4種間隙進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)4種間隙下的最優(yōu)參數(shù)的選取，建立ADAP自適應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，具體參數(shù)見表5。

表5 不同間隙焊接參數(shù)優(yōu)選

1.4 大試板樣件試驗(yàn)

1.4.1 焊前準(zhǔn)備

大試板尺寸見圖3，拼板最短的焊縫長度達(dá)到3856mm，遠(yuǎn)大于小板試樣的180mm，焊接長度增加，熱量增大，前期裝配必增加定位焊，以防止焊接過程中焊接收縮引起的熄弧端板縫間隙增大。因?yàn)椴捎眉す夂负傅廊蹖捿^?。s3mm），而采用CO2半自動(dòng)焊定位焊寬度較大（5～6mm），隨后的激光拼板焊無法覆蓋定位焊，導(dǎo)致定位焊部位成形較差。為降低定位焊帶來的焊縫成形影響，嘗試采取氬弧焊進(jìn)行定位，雖可有效減小定位尺寸，但在實(shí)際生產(chǎn)中有一定的局限性。通過摸索發(fā)現(xiàn)，采用激光焊（連續(xù)焊縫激光焊功率×90%）進(jìn)行定位焊可獲得焊寬適中、定位長度滿足要求的定位焊，為隨后的連續(xù)拼板縫打下良好基礎(chǔ)。

圖3 大試板尺寸

試驗(yàn)采用固定壓鐵的方式固定間隙、糾正錯(cuò)邊。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅采用壓鐵固定可有效固定拼板的間隙，但在糾正拼板裝配產(chǎn)生的錯(cuò)邊時(shí)效果不明顯。觀察現(xiàn)場壓鐵的實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，兩排共 32個(gè)壓鐵在下壓過程中并不是按照一定的方向下壓的。在這種情況下，若拼板存在錯(cuò)邊，拼板兩端的壓鐵率先壓下，則無論中間的壓鐵如何下壓，均會(huì)導(dǎo)致焊縫中間存在突起錯(cuò)邊。發(fā)現(xiàn)該問題之后，對(duì)現(xiàn)場的壓鐵控制裝置進(jìn)行改進(jìn)，使壓鐵沿著一個(gè)方向順序下壓，有效控制拼板縫的間隙及錯(cuò)邊。

1.4.2 試板焊接

根據(jù) ADAP自適應(yīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，對(duì)于板厚為 6mm的某型特種高強(qiáng)船用鋼試板，焊縫間隙在0.2～0.8mm，設(shè)置激光功率為6.6kW、送絲速度為4.0m/min、焊接速度為1.2m/min、光絲間距為0、離焦量為7mm的初始工藝參數(shù)進(jìn)行大試板樣件焊接。

1.4.3 焊后探傷

在焊接結(jié)束之后對(duì)試板進(jìn)行外觀檢查，結(jié)果顯示：焊縫表面成形均勻且平滑地向母材過渡，無焊瘤和咬邊等表面缺陷。48h之后進(jìn)行焊縫表面探傷（磁粉探傷 MT）和內(nèi)部探傷（射線探傷 RT），檢測(cè)結(jié)果顯示：焊縫表面無磁粉痕跡，焊縫內(nèi)部無裂紋、未熔合和夾渣等焊接缺陷，符合相關(guān)規(guī)定的要求。

對(duì)于拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、硬度測(cè)試、焊縫斷面宏觀檢查及顯微組織分析等力學(xué)性能測(cè)試，取樣位置見圖 4。試樣檢測(cè)分析方法、取樣位置及焊接質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行中國船級(jí)社入籍建造規(guī)范中《材料與焊接》的要求。

圖4 取樣示意圖

1.4.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見表6。通過拉伸試樣發(fā)現(xiàn)斷裂位置在母材上，說明焊縫的抗拉強(qiáng)度高于母材；焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為 554MPa，高于某型特種高強(qiáng)船用材料機(jī)械性能要求的最低抗拉強(qiáng)度（≥530MPa），說明接頭的安全性達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“等強(qiáng)匹配”的要求；所有橫向彎曲試樣均未出現(xiàn)裂紋、夾渣等開口缺陷，完全滿足規(guī)范要求；試樣的沖擊性能均達(dá)到高新產(chǎn)品的使用要求；維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，試板硬度值均遠(yuǎn)小于要求值360HV。

表6 某型特種高強(qiáng)船用鋼薄板對(duì)接工藝試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)試樣的焊縫中心、界外1mm和界外10mm等3處進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看：試樣焊縫中心平均沖擊值達(dá)到105J，最低值為84J；熱影響區(qū)平均沖擊值達(dá)到52J，最低值為45J，遠(yuǎn)高于要求值22.7J，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，離散性很小。

某型特種高強(qiáng)船用鋼對(duì)接焊接頭宏觀形貌見圖 5。由圖 5可知，試板焊縫內(nèi)部無裂紋、氣孔、夾渣和未熔合等焊接缺陷，焊縫成形美觀，質(zhì)量達(dá)到中國船級(jí)社要求。由焊縫宏觀形貌可知，對(duì)接焊焊縫成形規(guī)律與堆焊保持一致。隨著焊接速度增大，熔寬減小，下塌趨勢(shì)減小，焊縫變得狹長，熱影響區(qū)寬度也逐漸減小。接頭上部區(qū)域熱影響區(qū)較窄，焊縫較寬；中上部區(qū)域熱影響區(qū)變寬，中下部區(qū)域又重新變窄。

激光焊接接頭微觀組織分析：在光學(xué)顯微鏡條件下，焊接接頭各部位的微觀金相見圖6。

圖5 某型特種高強(qiáng)船用鋼對(duì)接焊接頭宏觀形貌

圖6 某型特種高強(qiáng)船用鋼對(duì)接焊接頭高倍金相圖

圖6a)所示的母材組織為塊狀鐵素體+帶狀珠光體，其中帶狀組織為軋制組織。圖6b)所示的不完全相變區(qū)組織為塊狀鐵素體+珠光體類組織，珠光體組織仍顯露出軋制的帶狀，與母材組織相似，具有晶粒尺寸大小不一、組織不均勻的特征。圖 6c)所示的細(xì)晶區(qū)組織為細(xì)小的鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體組織，兼有少量馬氏體。圖6d)所示的粗晶區(qū)組織為塊狀鐵素體+粒狀貝氏體+馬氏體組織，該晶粒粗大，韌性較差，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。圖 6e)所示的熔合區(qū)組織為鐵素體+貝氏體+馬氏體組織，形態(tài)復(fù)雜不規(guī)則，是產(chǎn)生裂紋、脆性破壞的發(fā)源地。圖 6f)所示的焊縫區(qū)組織主要為鐵素體+貝氏體+馬氏體組織，呈柱狀晶，晶粒比較粗大。

2 焊接變形控制對(duì)比

激光焊線能量輸入少，焊后殘余應(yīng)力小，帶來的變形小。傳統(tǒng)的焊接方法通常是采用增大電流的方式來保證焊縫的熔深；而激光焊則是將激光光束匯聚到一個(gè)相對(duì)較小的點(diǎn)上，使功率密度達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)，該數(shù)量級(jí)的入射功率密度可在極短的時(shí)間內(nèi)使加熱區(qū)的金屬氣化，從而在液體熔池中形成一個(gè)小孔，稱之為“匙孔”[4]。形成匙孔之后，光束可直接照射到匙孔內(nèi)部，通過匙孔的傳熱獲得較大的熔深。對(duì)比2種焊接方法可發(fā)現(xiàn)：激光焊熱輸入集中在線能量上，對(duì)整個(gè)焊縫的熱輸入量少；傳統(tǒng)焊接方法則是對(duì)整個(gè)焊縫增加熱輸入來增大熔深，如此大的熱輸入在4～6mm薄板上進(jìn)行焊接，變形較大。

通過對(duì)激光焊拼板焊后收集的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平整度測(cè)量發(fā)現(xiàn)，激光拼板的焊接變形量在±1mm（傳統(tǒng)焊接變形量在±10mm），無須進(jìn)行油壓機(jī)的重新壓平，可大大節(jié)省校正工時(shí)。

3 焊接效率對(duì)比

傳統(tǒng)焊接方法與激光焊的焊接速度對(duì)比見表7。通過對(duì)比前面ADAP自適應(yīng)焊接系統(tǒng)的焊接參數(shù)可發(fā)現(xiàn)，在焊接速度方面，激光焊的焊速可達(dá)到1m/min，是傳統(tǒng)焊接方法焊速的2倍以上。

表7 傳統(tǒng)焊接方法與激光焊焊接速度對(duì)比

此外，對(duì)于4～6mm厚的鋼板激光焊，可憑借“匙孔”效果實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的效果。單面焊雙面成形可節(jié)省拼板翻身、拼板碳刨清根及最后反面封底焊所需的工時(shí)。如上文所述，激光焊焊接變形小，拼板焊后變形的矯正工作量與傳統(tǒng)焊接方法相比減少50%以上。2種工藝矯正時(shí)間對(duì)比見表8。

表8 傳統(tǒng)焊接工藝與激光焊矯正時(shí)間對(duì)比 單位：min

4 結(jié) 語

1) 激光焊在試驗(yàn)過程中均以投入實(shí)際生產(chǎn)使用為基準(zhǔn)，解決實(shí)際使用中的可能發(fā)生問題；通過焊縫跟蹤系統(tǒng)和ADAP自適應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用，激光焊已初步具備投入實(shí)際生產(chǎn)使用的條件。

2) 與傳統(tǒng)焊接工藝相比，激光焊在控制焊接變形、提高焊接效率等方面優(yōu)勢(shì)明顯，使用激光焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接工藝，焊接總體效率可提高50%以上。

3) 經(jīng)過一系列檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于激光焊接質(zhì)量，不管是焊縫外觀質(zhì)量還是焊縫內(nèi)部質(zhì)量，均能達(dá)到高新產(chǎn)品的使用要求。