激光復(fù)合焊工藝參數(shù)選擇

鄭小東，李洛凡，李寧

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

激光復(fù)合焊因其被焊件熱影響區(qū)小、焊接深寬比高、不局限于導(dǎo)電材料、不受磁場的影響、焊接過程中變形小等特點，近些年在國內(nèi)船舶制造行業(yè)得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。在國內(nèi)首制大型郵輪薄板分段的建設(shè)中，引進了多套激光復(fù)合焊設(shè)備，實現(xiàn)了拼板焊縫單面焊雙面成型、縱骨一次定位焊接等工作，在保證了焊接質(zhì)量的同時，減少了大量矯平、返修工作，提升了生產(chǎn)效率，在船舶制造中有著重要意義。影響激光復(fù)合焊質(zhì)量的主要參數(shù)大致分為2類：①與激光參數(shù)，如，激光功率、激光吸收率等；②電弧的參數(shù)，如，焊接速度、送絲速度等。這幾個重要參數(shù)均會對熔深、正反面焊寬、焊縫成型產(chǎn)生影響。結(jié)合以往經(jīng)驗，通過各項參數(shù)的對照試驗，分析并調(diào)試出不同工況下各參數(shù)之間的合理選擇范圍，可以用于提高激光復(fù)合焊設(shè)備操作人員的技術(shù)水平，提升激光復(fù)合焊質(zhì)量。

1 關(guān)鍵參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響

1.1 對照試驗

焊接速度、送絲速度，以及激光功率是3個直接影響激光復(fù)合焊質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。焊接速度和送絲速度對焊縫正反面熔寬及余高起主導(dǎo)作用，激光功率會直接影響焊縫的熔深，當(dāng)光斑直徑一定時，熔深隨著激光功率的提高而增加。3個參數(shù)互相影響，調(diào)整至適當(dāng)范圍時可得到成型較好的焊縫。

實驗中采用控制變量法探究這3個參數(shù)對焊縫成形的影響，5 mm薄板焊接實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 厚度為5 mm的薄板復(fù)合焊實驗數(shù)據(jù)

1.2 焊接速度對焊縫質(zhì)量的影響

不同焊接速度下5 mm板焊縫成形情況見表2。由表2可見，當(dāng)控制其他工藝參數(shù)不變，僅改變焊接速度。1號及2號的焊接速度較快，線能量小，電弧陰極斑點發(fā)生跳躍穩(wěn)定性差，正面成型寬窄不一，背面存在局部未熔透現(xiàn)象；3號焊縫正背面成型均十分均勻，且均有一定余高；4號焊縫速度過慢造成焊透，正面有明顯的凹陷，焊縫背面較寬且有分布均勻的粗大焊瘤。比較可看出，3號為較優(yōu)參數(shù)。所以在焊接5 mm薄板時焊接速度應(yīng)控制在30 mm/s。

表2 不同焊接速度下5 mm板焊縫成形情況

1.3 送絲速度對焊縫質(zhì)量的影響

不同送絲速度下5 mm板焊縫成形情況見表3。由表3可見，當(dāng)控制其他工藝參數(shù)不變，僅改變電弧送絲速度(電弧電流)時。5號焊縫背面成型較寬，有大顆粒焊瘤，正面有咬邊；6、7號焊縫正面余高較大；8號焊縫正背面成型較均勻一致；9、10號焊縫正面有少量凹陷，所以在焊接5 mm薄板時送絲速度應(yīng)控制在8 m/min。

由此可見，當(dāng)送絲速度過大時，電弧膨脹稀釋激光等離子體，電弧被吸引壓縮作用降低，穩(wěn)定效果下降，正面成形不穩(wěn)定，背面成型較寬。

表3 不同送絲速度下5 mm板焊縫成形情況

1.4 激光功率對焊縫質(zhì)量的影響

不同激光功率下5 mm板焊縫成形情況見表4。由表4可見，控制其他工藝參數(shù)不變，僅改變激光功率，11、12號焊縫背面余高較大，且寬窄不一，激光功率過高，能量密度越大，焊縫熔透性更好，焊縫背面余高增大；13號焊縫背面成型均勻，但正面局部余高較大；15、16號焊縫背面余高過小，局部未焊透。14號為較優(yōu)參數(shù)，所以5 mm板的復(fù)合焊激光功率應(yīng)介于5 000～7 000 W。

表4 不同激光功率下5 mm板焊縫成形情況

2 激光吸收率

2.1 影響激光吸收率的因素

復(fù)合焊,激光在焊接過程中會產(chǎn)生反射、折射、散射影響焊材對光能的吸收，造成能量浪費，影響焊接質(zhì)量。當(dāng)激光入射到金屬溶液上，表面開始汽化隨后形成匙孔，這些汽化的物質(zhì)會產(chǎn)生等離子云體[1](見圖1)，同時，鋼板底漆焊接時會產(chǎn)生黑色煙熏物質(zhì)(見圖2)，并在電弧作用下發(fā)生電離，且焊絲熔化會產(chǎn)生大量混合了保護氣體的氣體煙塵，這一綜合性氣體物質(zhì)屏蔽了光束，降低了金屬對激光能量的吸收率。

激光復(fù)合焊過程中吸收率應(yīng)在90%以上(船用低合金剛)，可以通過選擇外加側(cè)吹氣法和調(diào)整MAG焊槍角度、激光角度、合適的保護氣體，以及流量等方法改善鋼板對激光的吸收率[2]。

圖1 焊接時產(chǎn)生大量煙塵及等離子體

圖2 鋼板上油漆產(chǎn)生的黑色物質(zhì)

2.2 外加側(cè)吹氣體及流量選擇

如圖3，使用外加側(cè)吹氣管法，可以減少光束之間的總體煙塵量，增加工件對激光能量的吸收率。氣管內(nèi)徑選擇3～5 mm,管端部避開光束位置以避免損壞，壓縮空氣流量可根據(jù)選擇的總體能量調(diào)節(jié)。焊接時如產(chǎn)生較多綜合物質(zhì)煙塵可調(diào)整空氣流量、氣體角度及氣管位置，但要注意保證液態(tài)金屬熔池不會被吹散。

圖3 側(cè)吹氣管(施工現(xiàn)場)

調(diào)整氣體流量大小能改變光致等離子云體及煙塵的運動軌跡，使其發(fā)生偏移避開光束，可增強工件對光束的吸收率。不同氣體流量下的運動軌跡見圖4?？梢栽黾觽?cè)吹氣管來提高激光吸收率，空氣流量選擇25 mL/min效果較好。

圖4 等離子云體運動軌跡

2.3 激光角度與焊槍角度

2.3.1 激光復(fù)合焊焊槍角度

激光復(fù)合焊設(shè)備以工件垂線為準焊槍角度可調(diào)節(jié)范圍為20°～60°。焊槍角度過大時，被保護范圍增加，單位面積上的保護氣體減小，保護效果下降，不利于熔池穩(wěn)定；焊槍角度越小，保護氣體角度越小，綜合氣體向上作用量增加，對激光的屏蔽效果增加，激光利用率下降。激光引導(dǎo)薄板焊接，MAG焊槍采用角度30°～45°，隨著板厚增加可適當(dāng)減小角度。

2.3.2 激光復(fù)合焊激光角度

激光角度為90°時光斑最小，能量利用率最高，匙孔成形也最為穩(wěn)定。但由于激光是垂直反射，增加了損壞保護鏡的可能性，此外，等離子體及焊接煙塵向上作用，阻礙了光束入射到工件，降低了工件對激光的吸收率，所以需要適當(dāng)偏移，見圖5。

圖5 激光與焊槍偏移角度示意

激光束的傾斜入射角度過大時，焊接深度增加，光斑變大，熔深變淺且匙孔穩(wěn)定性下降，氣體易被卷入形成氣孔，影響焊接質(zhì)量[3]。

綜上，激光復(fù)合焊設(shè)備激光角度建議選用范圍為5°～10°。

3 焦點位置

在焊接作業(yè)中，聚焦透鏡安裝在焊接小車的激光頭上，激光頭與工件表面的距離發(fā)生變化時，聚焦后的焦點位置也會發(fā)生變化，即在鋼板拼接不平整時，焦點相對鋼板的位置會上下偏移。鋼板上的光斑大小不定，會使焊縫寬窄不一，熔深大小不定；相對焊縫左右偏移會造成虛焊或焊不上。

焦點位置不準，會直接影響焊縫成形。相比正離焦，負離焦時激光束可獲得更大熔深，另外考慮MAG焊時的熔深2～4 mm，因此選用-2 mm離焦量以保證熔深[4]。為了保證焊縫成形質(zhì)量的穩(wěn)定性，要把板材的變形量控制在較小范圍，并且還要經(jīng)常校準激光焦點位置以保證設(shè)備精度。

4 光絲間距

光絲間距不變時，隨著激光功率適當(dāng)增加，兩熱源耦合效果增加，焊接趨于穩(wěn)定，功率降低時，匙孔上方光致等離子體隨之減少，對電弧的吸引作用降低。相反，在相同的功率下光絲間距的變化也會直接影響激光和電弧復(fù)合的穩(wěn)定性[5]。

光絲間距在負值時(如-2 mm)，焊接過程中斷弧現(xiàn)象嚴重，工件對激光吸收率降低，焊接過程不穩(wěn)定，焊縫不連續(xù)；光絲間距等于0或較近時，光斑的作用位置較靠近熔滴的下部，使熔滴在焊絲尖端不斷增大，而無法順利過渡到熔池中，大熔滴接觸到熔池時會產(chǎn)生強烈的爆斷和大量飛濺；光絲間距增加時，兩熱源相對獨立，光致等離子體不能吸引電弧，焊接穩(wěn)定性降低。

激光復(fù)合焊設(shè)備在焊接4～14 mm板縫時采用激光復(fù)合焊一次焊接成形，隨著板厚增加選擇功率和電弧電流及電壓也會增加，光絲間距也要適當(dāng)增加[6]，所以選擇合適的光絲間距在后期的調(diào)試中尤為重要。

5 短路過渡與射流過渡

MAG電弧參數(shù)選擇不當(dāng)，電弧呈極不穩(wěn)定的短路過渡，熔滴尺寸過大，過渡周期長，電弧穩(wěn)定性差，并且激光極易作用在熔滴上，熔滴會因局部過熱而產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象，造成焊接飛濺，工藝穩(wěn)定性下降，甚至?xí)p壞保護鏡片，見圖6。

圖6 保護鏡片受損

另一方面，較大的熔滴會阻礙激光能量入射到鋼板上，會損耗激光能量，造成焊接匙孔的不穩(wěn)定，產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。

因此復(fù)合焊接中采用MAG穩(wěn)定法進行穩(wěn)定的射流過渡，能有效提高板材對激光能量的利用率，MAG穩(wěn)定法效果見圖7。

圖7 MAG穩(wěn)定法對比

MAG穩(wěn)定法：MAG焊采用的電源Cloos Quineo Pulse 600具有弧長修正功能，能調(diào)整電弧光斑大小。首先關(guān)閉激光，人工確定電弧光斑直徑，然后把MAG調(diào)整到需要的送絲速度，并調(diào)整弧長修正(電弧電壓)，觀察焊接時光斑的穩(wěn)定性。

電弧調(diào)整穩(wěn)定后，才能和激光更好地耦合。當(dāng)MAG焊在高速焊接時，電弧快速移動，光斑減小，易發(fā)生跳躍移動導(dǎo)致穩(wěn)定性差，應(yīng)適當(dāng)減少光絲間距，2熱源靠的越近耦合越好。激光引導(dǎo)焊接薄板，高速焊接中激光焦點位置選擇距離電弧光斑中心點前端1～2 mm處。

6 結(jié)論

1)實驗證明，激光功率、焊接速度、送絲速度對焊縫成型影響較大，選擇合適的焊接參數(shù)尤為重要。

2)激光吸收率受較多因素的影響，可通過調(diào)整MAG焊槍角度、激光的入射角，側(cè)吹氣體改善激光吸收率。

3)焊接作業(yè)時焦點位置要對準焊縫中心，對焊接工況有較高要求。

4)合適的光絲間距可提高兩熱源耦合狀態(tài)，復(fù)合效果穩(wěn)定。

5)電弧短路過渡時，會產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象，焊接非常不穩(wěn)定，可以利用MAG穩(wěn)定法優(yōu)化電流熱源，達到更穩(wěn)定的復(fù)合效果。