窄間隙激光焊接鋼板材料研究進(jìn)展

徐小玉

【摘? 要】窄間隙激光焊因其獨特的優(yōu)點而在核電安裝、石油化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。論文主要介紹了窄間隙激光焊的分類，分析了窄間隙激光焊工藝參數(shù)對熔滴過渡形式、焊縫成形、焊接接頭質(zhì)量的影響，并對窄間隙激光焊的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

【Abstract】Narrow gap laser welding is widely used in nuclear power installation， petrochemical industry and other fields because of its unique advantages. This paper mainly introduces the classification of narrow gap laser welding， analyzes the influence of process parameters of narrow gap laser welding on droplet transfer form， weld seam formation and welding joint quality， and prospects the future development of narrow gap laser welding.

【關(guān)鍵詞】窄間隙;激光焊;研究進(jìn)展

【Keywords】narrow gap; laser welding; research progress

【中圖分類號】TG456.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）09-0175-03

1 引言

窄間隙激光焊接具有熱輸入小、熱變形小、熱影響區(qū)小、焊接速度快、接頭質(zhì)量高等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于艦船制造、機(jī)床設(shè)備、石油化工、發(fā)電設(shè)備及航空航天等重大裝備的制造過程中。

2 窄間隙激光焊接的分類

窄間隙激光焊接可分為窄間隙激光自熔焊、窄間隙激光填絲焊、窄間隙激光熱絲焊。與傳統(tǒng)的電弧焊相比，窄間隙激光自熔焊具有熱輸入量小、焊接變形小等優(yōu)點，由于在焊接過程中無焊絲輸入，對板件的定位、裝配要求高，且無法調(diào)節(jié)焊縫的組織性能。為了改善窄間隙激光自熔焊的缺點，發(fā)展了窄間隙激光填絲焊、窄間隙激光熱絲焊。與窄間隙激光填絲焊相比，窄間隙激光熱絲焊具有更高的焊接效率。

3 焊接工藝參數(shù)對熔滴過渡形式的影響

涂丹[1]采用超窄間隙激光填絲焊焊接16mm厚的Q345E鋼板（制造轉(zhuǎn)向架常用的材料），研究了激光功率、焊接速度、送絲速度、離焦量、光絲間距等焊接工藝參數(shù)對熔滴過渡形式的影響。其他工藝參數(shù)不變，改變光絲間距（0～2mm），熔滴過渡形式依次為鋪展過渡（光絲間距=0mm）、液橋過渡（光絲間距=1mm）、顆粒過渡（光絲間距=2mm），不同的熔滴過渡形式影響焊縫表面成形質(zhì)量。改變激光功率（4.0～5.0kW），激光功率為4.0kW時，熔滴過渡形式為鋪展過渡，激光功率為4.5kW時，熔滴過渡形式為液橋過渡，激光功率為5.0kW時，熔滴過渡形式為顆粒過渡。改變焊接速度（0.36～0.72m/min），熔滴過渡形式保持液橋過渡，但熔滴過渡的頻率隨著焊接速度的加快而提升。改變離焦量，影響熔滴熔入焊接熔池的行為，離焦量過小，無法形成穩(wěn)定連續(xù)的熔滴，離焦量過大，降低熱輸入，焊絲不能完全熔化，焊絲端部不能形成熔滴，這些既影響焊縫成形，又降低焊接接頭質(zhì)量。

4 焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

李德利[2]采用超窄間隙激光填絲焊焊接Q345E低合金鋼（激光功率5kW，光絲間距1mm，保護(hù)氣體氬氣流量10L/min），研究了送絲速度、焊接速度、離焦量等焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響。其他工藝參數(shù)一定時，改變送絲速度（分別為3m/min、4m/min、5m/min、6m/min），其對焊縫成形影響的趨勢是：熔池深度隨著送絲速度的加快而增大，熔池寬度隨著送絲速度的加快而減小。焊接速度對焊縫成形的影響是：熔池深度和熔池寬度隨著焊接速度的加快而減小。離焦量對焊縫成形的影響是：熔池深度隨著離焦量的增加而增大，熔池寬度隨著離焦量的增加而減小。一個有趣的現(xiàn)象是：無論送絲速度、焊接速度、離焦量如何變化，送絲速度為4m/min，熔池寬度最小。

5 焊接工藝參數(shù)對焊接接頭性能的影響

窄間隙激光焊接中，主要焊接工藝參數(shù)有激光功率、離焦量、光絲間距、焊接速度、送絲速度、保護(hù)氣體的流量等。表1給出了不同鋼窄間隙激光焊焊接工藝參數(shù)，表2給出了采用這些焊接工藝參數(shù)的窄間隙激光焊后焊接接頭的力學(xué)性能。由表1可以看出，激光功率、離焦量、焊接速度、送絲速度等焊接工藝參數(shù)之間有相應(yīng)的匹配關(guān)系。由表2可以看出，在表1焊接工藝參數(shù)下，采用窄間隙激光焊焊接后，焊接接頭具有良好的性能。

郭寶超等人采用光纖激光超窄間隙焊接技術(shù)實現(xiàn)30mm厚的304LN不銹鋼與Inconel 690材料的對接，拉伸試驗和晶間腐蝕試驗結(jié)果表明焊接接頭具有良好的拉伸性能，焊縫具有優(yōu)異的耐腐蝕性、抗晶間腐蝕能力。朱洪羽等人采用超窄間隙激光填絲焊實現(xiàn)P92鋼與Inconel合金的焊接，力學(xué)性能試驗表明，焊接接頭中P92鋼粗晶區(qū)的硬度最大，接頭的力學(xué)性能高于P92鋼，接頭的沖擊韌性介于P92鋼與Inconel合金之間。章鴻研究了窄間隙激光焊接S275鐵素體鋼，焊接工藝參數(shù)（焊接熱輸入、送絲速度、光絲間距、保護(hù)氣體輸送模式）對焊接質(zhì)量影響的規(guī)律。依據(jù)各工藝參數(shù)產(chǎn)生缺陷的危害程度（裂紋>未熔合/飛濺>氣孔），焊接接頭質(zhì)量影響由大到小依次為焊接熱輸入、光絲間距、保護(hù)氣體輸送模式、送絲速度。李濤等人采用窄間隙激光焊實現(xiàn)12mm厚的S355J2N鋼的焊接，研究了焊接接頭的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到歐標(biāo)EN ISO 4136 Ed 2011標(biāo)準(zhǔn)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到歐標(biāo)EN ISO 5173 Ed2010標(biāo)準(zhǔn)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到歐標(biāo)EN ISO 9016 Ed 2011標(biāo)準(zhǔn)。汪認(rèn)等人采用窄間隙激光焊實現(xiàn)16SMA490BW耐候鋼的焊接，進(jìn)行了焊接接頭的拉伸試驗、彎曲試驗、硬度測試，結(jié)果表明焊接接頭具有良好的力學(xué)性能（拉伸試樣在母材處斷裂，彎曲試樣彎曲180°未開裂）。徐國建等人采用窄間隙激光焊實現(xiàn)15mm厚的SUS306LN不銹鋼的焊接，焊接接頭拉伸試驗表明試樣斷裂于母材，表面焊接接頭的強(qiáng)度高于母材。楊武雄等人采用超窄間隙激光焊實現(xiàn)了100mmm厚的304不銹鋼的焊接，焊接接頭的強(qiáng)度達(dá)到母材的94.3%，拉伸試樣斷裂于焊縫，顯微硬度測試表明焊縫上中下位置的硬度差異較小，分布趨于一致。田書強(qiáng)等人采用超窄間隙光纖激光焊實現(xiàn)16mm厚的9Ni鋼的焊接，其焊縫中心的低溫沖擊功遠(yuǎn)大于用于LNG船液罐的9Ni鋼焊縫所需的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。闞曉陽等人采用窄間隙激光填絲焊實現(xiàn)了16mm厚的轉(zhuǎn)向架用Q345E鋼的焊接，焊接接頭拉伸試樣斷裂于母材，彎曲試樣彎曲180°后未開裂，表明焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。

6 展望

6.1 焊接過程數(shù)值模擬

窄間隙激光焊焊接過程是一個涉及電弧物理、傳質(zhì)傳熱、冶金和力學(xué)行為的復(fù)雜過程，隨著計算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)滲透到航空航天、軍工、能源、交通等研究領(lǐng)域，對熔池現(xiàn)象、焊縫和熱影響區(qū)的組織、殘余應(yīng)力與變形等的模擬分析，對優(yōu)化工藝過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和消除安全隱患起著日益重要，甚至不可替代的作用。研究表明在制造業(yè)，數(shù)值模擬與仿真可以增加材料利用率25%，節(jié)約生產(chǎn)成本30%，產(chǎn)品設(shè)計至實際投產(chǎn)的時間縮短40%。因此，焊接數(shù)值模擬是當(dāng)今材料加工領(lǐng)域的一個研究熱點。

6.2 窄間隙激光焊復(fù)合其他技術(shù)

窄間隙激光-MIG復(fù)合焊接工藝研究中，激光-電弧復(fù)合焊時，兩種熱源共同作用于焊縫區(qū)，通過激光與電弧之間的等離子體耦合機(jī)制，達(dá)到這兩種熱源之間的優(yōu)勢互補(bǔ)，實現(xiàn)小功率條件下厚板的焊接。外加縱向恒定磁場，華中科技大學(xué)朱政武等人采用外加縱向恒定磁場與窄間隙激光-MIG焊相結(jié)合的技術(shù)研究了316L不銹鋼焊接接頭的組織與疲勞裂紋。這一新技術(shù)減小焊縫熱影響區(qū)的寬度，細(xì)化焊縫組織，降低接頭裂紋擴(kuò)展的敏感性。

6.3 焊接過程的自動化、智能化、數(shù)字化、信息化

將智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用到焊縫跟蹤控制中，增強(qiáng)非線性系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性，為實現(xiàn)焊接自動化、智能化奠定基礎(chǔ)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟、推廣應(yīng)用，為窄間隙激光焊的數(shù)字化、信息化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。以焊接機(jī)器人為核心的柔性智能焊接自動化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，焊接專家系統(tǒng)的普及和推廣已經(jīng)成為國內(nèi)外焊接智能化發(fā)展的重要方向。

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