萬瓦級光纖激光焊接工藝研究

蔣寶，黃瑞生，李琳琳，滕彬，鄒吉鵬，李振華，武鵬博

摘要：為研究萬瓦級光纖激光自熔焊接焊縫成形規(guī)律，進而實現30 kW激光功率條件下焊縫的良好成形，試驗以30 mm和40 mm厚Q235低碳鋼為研究對象，在平板堆焊基礎上，分析不同激光功率、離焦量、焊接速度和側吹壓力條件下的焊縫成形特征，并利用自制小型側吹裝置進行了工藝參數優(yōu)化和焊縫成形控制。結果表明，萬瓦級激光焊接時，特別是當激光功率達到30 kW時，單一通過離焦量或焊接速度的改變難以獲得良好的焊縫成形，焊縫均勻性差、焊接飛濺大;通過在試板上方施加橫向側吹并在側吹壓力為0.3～0.4 MPa時，可有效改善焊縫成形，減少焊接飛濺，同時焊縫熔深可提高20%以上;通過工藝參數的進一步優(yōu)化，最終在橫向側吹壓力為0.4 MPa、焊接速度為0.6 m/min時實現了30 kW激光焊接時焊縫表面成形的良好控制。

關鍵詞：萬瓦級;光纖激光;30 kW;參數優(yōu)化;側吹

中圖分類號：TG456.7? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0008-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.02

0? ? 前言

隨著船舶等重工業(yè)領域的快速發(fā)展，對中厚板的需求越來越多，對中厚板的焊接技術也提出了更高要求。目前國內的中厚板焊接主要采用窄間隙弧焊[1-3]，也有窄間隙激光焊的應用研究[4-6]，但無論是窄間隙弧焊還是窄間隙激光焊，由于需要多層填充，均難以滿足更高效率的焊接需求。

另一方面，隨著高功率光纖激光器的快速發(fā)展，特別是萬瓦級以上光纖激光器的應用，對中厚板高功率激光焊接技術的研究越來越多[7-10]。利用萬瓦級激光的深熔焊接優(yōu)勢，可在很大程度上減少焊道層數，從而降低層間清理次數并減少不必要的坡口加工等，甚至可以通過單面單道焊接的方式實現中厚板的雙面成形[11]，從而大幅提高焊接效率，因此，萬瓦級激光焊接技術的研究對解決我國船舶等重大領域中厚板的優(yōu)質高效加工具有重要的科學意義及應用價值。

目前，國內對萬瓦級激光焊接技術的研究較少，只有哈爾濱焊接研究院有限公司[12-13]、哈爾濱工業(yè)大學[14]、湖南大學[15-16]、中科院等離子體物理研究所[17]等少數單位進行過相關研究，但所用激光功率多在20 kW及以下，對更高功率條件下的激光焊接技術及其相關的焊縫成形控制技術缺乏系統(tǒng)研究?；谏鲜霰尘?，采用最高輸出功率為30 kW的激光發(fā)生器和平板堆焊的方式，初步研究了30 kW光纖激光自熔焊接焊縫成形規(guī)律，最終在30 kW激光功率條件下通過工藝參數的優(yōu)化實現了焊縫的良好成形。

1 試驗設備、材料與方法

試驗所用激光發(fā)射裝置為IPG公司YLS-30000光纖激光器，其最大輸出功率為30 kW，波長為1 070 nm;自制小型側吹裝置，用于優(yōu)化焊接工藝。

試驗材料分別為30 mm和40 mm厚Q235低碳鋼。其中厚度30 mm低碳鋼用于工藝參數波動試驗（不施加側吹），而在工藝參數優(yōu)化（施加側吹）過程中，為了防止試板焊穿，改用40 mm厚低碳鋼。試驗均采用單激光自熔焊接及平板堆焊方法（實際焊接過程中也存在部分不需要穿透焊接的情況，也就是不穿孔的平板堆焊。因此，進行不穿孔平板堆焊的研究也是有一定的焊接需求），焊接示意如圖 1所示，具體焊接參數如表 1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 工藝參數對焊縫成形的影響規(guī)律

2.1.1 離焦量對焊縫成形的影響規(guī)律

在焊接速度為1 m/min時，研究了不同激光功率條件下離焦量對焊縫成形的影響規(guī)律，結果如表 2～表 4所示。由表可知，在激光功率為10 kW時，離焦量對焊縫表面成形有一定影響，采用正負離焦量時焊縫成形均有所改善，形成的飛濺較少;而隨激光功率的增加，焊縫成形急劇變差，離焦量的變化對焊縫成形無明顯改善，在激光功率為30 kW時，不同離焦量下大顆粒飛濺明顯增多，同時焊縫均勻性大幅降低。

不同激光功率條件下離焦量對焊縫熔深的影響規(guī)律如圖 2所示。由圖可知，激光功率為10 kW時，離焦量對焊縫熔深無明顯影響，不同離焦量的焊縫熔深未出現明顯變化;隨激光功率增加，不同離焦量的焊縫熔深出現明顯變化，其中激光功率增加到20 kW和30 kW時，焊縫熔深隨離焦量的減小而不斷增大。激光功率為30 kW時，在負離焦條件下可以獲得較大的熔深。

2.1.2 激光功率和焊接速度對焊縫成形的影響規(guī)律

由上述離焦量對焊縫成形的影響規(guī)律可知，雖然離焦量對焊縫表面成形無明顯改善，但在負離焦條件下可以獲得較大的焊縫熔深，綜上考慮選用-10 mm離焦量進行激光功率和焊接速度參數波動試驗，結果如表 5～表 7和圖 3所示。

由表 5～表 7可知，當激光功率超過10 kW，焊縫表面成形開始變差，當激光功率達到30 kW時，焊縫更是難以成形。但與1 m/min和1.6 m/min的焊接速度相比，當焊接速度為0.6 m/min時，焊接飛濺有所減少。

激光功率和焊接速度對焊接熔深的影響規(guī)律如圖3所示。由圖可知，隨激光功率的提高，焊縫熔深逐漸增加，但并非呈線性增長，其激光功率越高，焊縫熔深增加的趨勢越緩;此外焊接速度為1 m/min時，部分功率條件下的焊縫熔深要小于1.6 m/min時的焊縫熔深。

出現以上結果是因為大功率激光焊接時產生的羽輝降低了入射激光能量的穩(wěn)定性和利用率，且激光功率越高，羽輝的影響越顯著，進而導致焊縫熔深未與激光功率呈線性增加（很多文獻都有研究報道），且同一條焊道不同位置的熔深不一致，而本次試驗只選取一處位置進行了測量，導致上述結果的發(fā)生;同時大功率激光焊接時產生的大量羽輝還會降低入射激光傳輸穩(wěn)定性，進而降低焊接穩(wěn)定性，最終導致焊縫成形變差。

基于以上分析，以下試驗將通過在試板上方和激光光束垂直方向上施加橫向側吹裝置（雖然有利用側吹進行焊接工藝方面的研究，但都是較小激光功率的焊接），通過吹除激光匙孔上方羽輝，最大程度地降低其對激光能量的影響，進而提高入射激光的能量利用率及其傳輸過程的穩(wěn)定性，最終實現焊縫表面成形的有效控制及焊縫熔深的提高。

2.2 側吹壓力對焊縫成形的影響規(guī)律

基于以上研究，選用最大激光功率30 kW、離焦量為-10 mm進行試驗;此外，在焊接速度為1.6 m/min時，焊接飛濺較多，在此焊接速度條件下進行后續(xù)試驗可形成有效對比分析的數據。側吹壓力獲得的焊縫表面成形特征如圖 4所示。

由圖 4a可知，無側吹時焊縫表面成形差，焊接飛濺較大且焊縫表面向內凹陷，與上述試驗結果一致。通過在試板上方添加橫向側吹后，焊接飛濺明顯減小，焊縫成形得到有效改善，焊縫凹陷問題得到一定程度地解決，其中側壓力為0.3～0.4 MPa時，焊接飛濺明顯減少，焊縫成形更加連續(xù)均勻，見圖 4d、圖 4e。結果表明，施加橫向側吹可明顯改善焊縫表面成形，對于焊接飛濺也有明顯的抑制作用。

不同側吹壓力下焊縫橫截面形貌、熔深變化規(guī)律分別如圖 5、圖 6所示。由圖可知，在一定范圍內，隨側吹壓力的增大焊接熔深逐漸增加，其中側吹壓力為0.4 MPa時焊接熔深最大為26.8 mm，相比無側吹時的22 mm提高了20%以上;當側吹壓力增加到0.5 MPa時焊接熔深反而減小，說明側吹壓力并非越大越好，這一點在焊縫表面成形上也有所體現。

上述結果表明，采用30 kW激光焊接時，焊接飛濺大、焊縫成形差;通過施加橫向側吹，可改善焊縫成形并增加焊接熔深，其單道焊接熔深可提高20%以上。

2.3 30 kW光纖激光焊接驗證

綜上研究表明，萬瓦級光纖激光平板堆焊時，焊縫成形不易控制，還會產生較多的飛濺，同時獲得的焊縫熔深相對較小;通過常規(guī)的改變單一工藝參數如離焦量或焊接速度，難以獲得良好的焊縫成形，特別是當激光功率達到30 kW時，這種趨勢更為明顯。通過施加橫向高壓側吹，采用合適的側吹壓力可以將大部分羽輝完全吹除同時不擾動熔池，進而降低羽輝對入射激光的影響，激光能量傳輸穩(wěn)定性也大幅增加（后續(xù)將通過高速攝像、探測激光、CCD等進行試驗驗證），焊縫成形得到明顯改善。

此外，由上述焊接速度試驗結果可知，在焊接速度為0.6 m/min時，焊接飛濺量較少。因此，為了實現30 kW激光功率焊接時焊縫表面成形的有效控制，通過施加壓力為0.4 MPa的橫向側吹，同時選用0.6 m/min的焊接速度，最終在30 kW激光功率條件下獲得了良好的焊縫表面成形，無焊接飛濺產生、焊縫均勻性良好，同時還獲得了較大的焊縫熔深（31 mm、板厚40 mm），如圖 7所示。

2.4 應用前景

利用萬瓦級光纖激光的高功率密度，可以一次完成原本需要多道焊接才能完成的工作，在本試驗中采用30 kW激光功率一次焊接得到的焊縫熔深達到了31 mm，這是弧焊等常規(guī)焊接方法難以達到的;此外，對于更大厚度的板材，即使單道焊接難以實現雙面成形，但依然可以采用雙面單道焊接方法，相對于弧焊方法同樣可大幅提升焊接效率，對于艦船、油氣管道以及核電等大量使用中厚板的重工業(yè)領域具有重要的應用價值。

對于中厚板萬瓦級激光焊接，德國不萊梅研究所、美國通用公司、大阪大學、俄羅斯JSC公司、德國弗勞恩霍夫研究所、亞琛工業(yè)大學等單位均已進行了大量研究，且部分已應用在石油管道等領域。國內由于起步較晚，相關技術研究尚不成熟。而研究表明，要解決重大裝備制造業(yè)中厚板的優(yōu)質、高效激光焊接問題，需要采用15 kW以上高功率激光器，并盡快系統(tǒng)開展該技術領域的研究開發(fā)與工程應用工作。目前投入科研應用的激光器最高功率已達100 kW，且未來激光器功率還會進一步提升，成本也會不斷下降，采用萬瓦級激光焊接中厚度材料已經成為焊接領域的重要發(fā)展方向之一。

3 結論

（1）萬瓦級光纖激光焊接時，特別是當激光功率達到30 kW時，單一通過改變離焦量或焊接速度，難以獲得良好的焊縫表面成形，焊接飛濺普遍較多、焊縫均勻性差，同時獲得的焊縫熔深較小。

（2）在激光功率為30 kW時，通過施加壓力為0.3～0.4 MPa的橫向側吹，可明顯改善焊縫表面成形，在減少焊接飛濺的同時，焊縫熔深可提高20%以上。

（3）在激光功率為30 kW時，通過施加0.4 MPa的橫向側吹，同時選取0.6 m/min的焊接速度，實現了焊縫表面的良好成形，無焊接飛濺產生、焊縫均勻性良好。

參考文獻：

[1]劉金湘，孫凡，俞增強，等.核級高溫液態(tài)金屬泵用奧氏體不銹鋼窄間隙細絲埋弧焊焊接工藝技術研究[J].電焊機，2019，49（6）：56-60.

[2]柳鎖賢，付堃，張小龍，等.伸縮臂式卡盤單面窄間隙埋弧焊工藝技術研究[J].焊接技術，2021，50（5）：124-126.

[3]張志強，孔德勝，李新偉.大壁厚管道窄間隙自動焊氣孔缺陷成因的探析[J].焊接技術，2017，46（9）：108-110.

[4]徐楷昕，雷振，黃瑞生，等.擺動工藝對鈦合金窄間隙激光填絲焊縫成形及氣孔率的影響[J].中國激光，2021，48（6）：143-151.

[5]Ramakrishna R V. S. M.，Amrutha P. H. S. L. R.，Rahman Rashid R. A，et al. Narrow gap laser welding （NGLW） of structural steels—a technological review and future research recommendations[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2020，111（7-8）：.

[6]張成竹，陳輝. B950CF高強鋼超窄間隙激光焊接頭組織對殘余應力的影響[J].中國激光，2021，48（6）：43-54.

[7]Zhang M，Zhang Z，Tang K，et al. Analysis of mechanisms of underfill in full penetration laser welding of thick stainless steel with a 10 kW fiber laser[J]. Optics Laser Technology，2018（98）：97-105.

[8]蔣寶，黃瑞生，雷振，等.中厚鋼板萬瓦級光纖激光焊接技術研究現狀[J].焊接，2020（2）：42-48.

[9]Bunaziv I，Frostevarg J，Akselsen O M，et al. Process stability during fiber laser-arc hybrid welding of thick steel plates[J]. Optics & Lasers in Engineering，2018（102）：34-44.

[10]Omer U，Sergej G，Andrey G，et al. Hybrid laser arcwelding of thick high-strength pipeline steels of gradeX120 with adapted heat input[J]. Journal of MaterialsProcessing Tech.，2020（275）：116358.

[11]Wahba M，Mizutani M，Katayama S. Single pass hyb-rid laser-arc welding of 25 mm thick square groove butt joints[J]. Materials & Design，2016（97）：1-6.

[12]黃瑞生，楊義成，蔣寶，等.超高功率激光-電弧復合焊接特性分析[J].焊接學報，2019，40（12）：73-77，96，164.

[13]蔣寶，雷振，黃瑞生，等.萬瓦級光纖激光-MAG復合焊接焊縫成形[J].焊接，2020（6）：5-11.

[14]Gong J F，Peng G C，Li L Q，et al. Effect of plasma plume produced by vacuum laser welding on energy transmission[J]. Optics and Laser Technology，2021（136）：.

[15]Li S，Chen G，Zhang M，et al. Dynamic keyhole profile during high-power deep penetration laser welding[J]. Journal of Materials Processing Tech.，2014，214（3）：565-570.

[16]Zhang M J，Tang K，Zhang J，et al. Effects of processing parameters on un-derfill defects in deep penetration laser welding of thick plates[J]. The Inter-national Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018（96）：491-501.

[17]信紀軍，方超，宋云濤，等. 20 mm厚316LN不銹鋼板的超高功率光纖激光自熔焊[J].中國激光，2018，45（5）：94-101.