中厚鋼板萬瓦級光纖激光焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

蔣寶　黃瑞生　雷振　曹浩　孫謙

摘要： 文中從萬瓦級光纖激光深熔焊接熔池行為及羽輝特性、焊接缺欠的抑制、焊接工藝的開發(fā)及工程應(yīng)用等方面，對相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及存在的問題進(jìn)行了比較系統(tǒng)地闡述和分析。其中，對于中厚鋼板的激光焊接，在功率達(dá)到萬瓦以上時，如何保證焊縫質(zhì)量是目前萬瓦級激光焊接技術(shù)能否獲得應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一，而羽輝的存在是影響萬瓦級激光焊接穩(wěn)定性的一個主要因素，利用側(cè)吹法、局部負(fù)壓法和真空法可以在很大程度上降低羽輝對激光能量的影響;此外，焊縫塌陷和底部駝峰的產(chǎn)生也是阻礙萬瓦級激光焊接技術(shù)應(yīng)用的主要技術(shù)難題，通過改變焊接姿態(tài)、采用電磁支撐系統(tǒng)、底部氣壓法或焊縫背面強(qiáng)制成形的方法有助于獲得良好的焊縫成形。

關(guān)鍵詞： 萬瓦級光纖激光; 焊接; 中厚鋼板; 研究現(xiàn)狀; 發(fā)展趨勢

中圖分類號： TG 456.7

0前言

隨著船舶、核電等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對中厚鋼板的焊接提出了更高的要求。目前國內(nèi)中厚鋼板的焊接主要采用窄間隙弧焊，其中以窄間隙埋弧焊和窄間隙TIG為主，也有窄間隙激光焊的應(yīng)用探索[1]。相對于傳統(tǒng)弧焊方法，窄間隙弧焊可明顯地減少焊接道數(shù)，能在一定程度上減小焊接變形并提高焊接效率;此外，窄間隙激光填絲焊[2]和窄間隙激光電弧復(fù)合焊[3]也是中厚鋼板焊接的重要研究方向。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。

近年，萬瓦級高功率激光焊接已成為國際上熱門的前沿焊接技術(shù)之一，利用萬瓦激光的超高功率密度，可獲得具有更大深寬比特征的焊縫，相同板厚條件下，采用萬瓦級激光焊接可在很大程度上減少焊道層數(shù)，從而降低層間清理次數(shù)并減少不必要的坡口加工等，可極大提高焊接效率，特別是在中厚鋼板的焊接中具有高效優(yōu)質(zhì)焊接技術(shù)優(yōu)勢。因此，萬瓦級激光焊接技術(shù)的研究，對于解決國內(nèi)艦艇、核電等重大領(lǐng)域中厚板優(yōu)質(zhì)高效加工具有重要的科學(xué)意義及應(yīng)用價值。文中對相關(guān)萬瓦級光纖激光焊接技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了匯總分析，主要涉及相關(guān)技術(shù)特點、熔池行為特征、羽輝物理特性、焊接缺欠的抑制以及焊接工藝的開發(fā)應(yīng)用。

1萬瓦級激光焊接技術(shù)特點

萬瓦級激光焊接工藝窗口更窄，因為相比千瓦級激光焊接，萬瓦級激光功率密度更高（其激光束功率密度可達(dá)1×10⁷～1×10⁸W/cm²），焊接熱過程更加復(fù)雜，極高的激光功率使得材料在極短的時間內(nèi)被加熱、熔化并發(fā)生劇烈的汽化，焊縫熔池金屬蒸發(fā)更加劇烈，焊接過程不易控制，特別是熔透時很難達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，易出現(xiàn)表面塌陷及底部駝峰。萬瓦激光焊縫成形及常見缺陷[4]，如圖1所示。此外，由于焊接羽輝對激光的屏蔽作用會隨激光功率的增大而急劇增強(qiáng)，因此萬瓦激光焊接過程中產(chǎn)生的大量羽輝，會對入射激光產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，降低激光能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致焊接過程穩(wěn)定性變差。

2萬瓦級激光焊接熔池行為及羽輝特性研究進(jìn)展

2.1萬瓦級光纖激光焊接熔池行為研究現(xiàn)狀

萬瓦級激光焊接過程中，飛濺等焊接缺欠的產(chǎn)生與焊接熔池的行為密切相關(guān)，特別是激光匙孔的劇烈波動直接影響到焊接過程的穩(wěn)定性。激光匙孔縱截面形態(tài)，如圖2所示。因此，國內(nèi)外學(xué)者對匙孔的動態(tài)行為作了較多研究，常用方法包括高速成像技術(shù)、實時X射線檢測及“三明治”觀測法，其中三明治法能夠比較直觀的觀測到匙孔內(nèi)部狀態(tài)，是匙孔特性研究的主要手段之一。

有關(guān)研究指出，在非穿透狀態(tài)下，當(dāng)激光功率相對較低時（20 kW以下），飛濺主要在匙孔后沿產(chǎn)生，且其前期形態(tài)主要為后沿隆起的金屬液柱[5-6]，形貌如圖3所示。

圖3匙孔后沿液柱形貌對于匙孔后沿液柱的產(chǎn)生，Li等人[7]通過“三明治”觀察方法分析了其形成過程，如圖4所示。作者指出，后沿液柱的產(chǎn)生主要與匙孔內(nèi)壁形成的“凸臺”有關(guān)，其中后壁“凸臺”在粘性摩擦力的作用下不斷向上轉(zhuǎn)移，當(dāng)其轉(zhuǎn)移至匙孔開口處時向上隆起并形成液柱。此外，李時春還指出，由于凸臺下面壓力較低且不受激光直接照射，部分蒸氣沿著匙孔前沿向下流動，在匙孔底部遇到向上噴發(fā)的蒸氣時便會產(chǎn)生蒸氣渦流，而這會導(dǎo)致熔池金屬的不規(guī)則運動，同時會在匙孔后壁產(chǎn)生氣化波，當(dāng)氣化波在小孔開口處破裂后，往往會伴隨有飛濺、液柱產(chǎn)生。

也有報道指出，當(dāng)激光功率超過20 kW后，飛濺主要產(chǎn)生位置會有所改變。比如，馮立晨[8]在激光功率增加到30 kW時觀察到匙孔前沿區(qū)域產(chǎn)生液柱及飛濺的概率明顯增加。但是，作者并沒有對匙孔邊沿不同區(qū)域產(chǎn)生金屬液柱概率不同的原因、液柱演變規(guī)律等給出規(guī)律且詳細(xì)的認(rèn)識。

同樣基于“三明治”觀察法，Zhang等人[9]從匙孔內(nèi)部受力角度，對全熔透焊接時焊縫下表面飛濺的形成原因進(jìn)行了研究，如圖5所示。研究指出，底部飛濺產(chǎn)生的關(guān)鍵驅(qū)動力是蒸氣流的高速運動所產(chǎn)生的粘性摩擦阻力?；谏鲜龇治?，Zhang等人[10]指出焊縫上下表面產(chǎn)生的較多飛濺，從而造成焊縫填充不足是焊縫表面產(chǎn)生凹陷的原因之一。

對于焊縫底部駝峰的產(chǎn)生，陳根余等人[11]認(rèn)為匙孔前壁產(chǎn)生的“凸臺”對底部駝峰的形成有重要影響。此外，有研究指出，通過施加電磁場可在一定程度上減少背面駝峰的產(chǎn)生，而Qi等人[12]從熔池金屬流動方面解釋了中厚板萬瓦級激光焊接過程中，外加電磁場如何防止焊縫根部下垂和脫落，研究指出電磁力通過減弱對焊縫背面液體的靜壓力來補(bǔ)償表面張力的不足，從而改變?nèi)鄢亟饘俚牧鲃有?，在表面張力和電磁力的共同作用下，高功率激光熔透焊接時的穩(wěn)定性得以提高。然而，采用“三明治”也有一定的局限性，因為是與高溫玻璃貼合，匙孔沒有形成完全的閉環(huán)，其受力狀態(tài)也會與實際焊接時的狀態(tài)存在一定差異。

2.2萬瓦級光纖激光焊接羽輝特性研究現(xiàn)狀

高功率激光焊接時，焊接羽輝會對入射激光產(chǎn)生折射和散射等作用，大幅降低到達(dá)工件表面的激光能量，導(dǎo)致焊接熔深無法達(dá)到預(yù)期的深度，且對焊接過程的穩(wěn)定性以及焊縫質(zhì)量有著較大影響。因此深入了解萬瓦級激光焊接時羽輝特性及其對焊接過程的影響機(jī)制具有重要意義。目前，對羽輝的研究主要是利用光譜儀、激光探針及高速成像技術(shù)等手段、并從羽輝溫度、電子密度及其對入射激光的折射率和衰減系數(shù)等方面[13-14]進(jìn)行分析，常用方法如圖6所示。

由于試驗所用探測激光的波長通常與焊接激光不同，在計算焊接激光能量的衰減率時，需要將探測激光能量的變化值轉(zhuǎn)換成焊接激光能量的衰減系數(shù)，常用的轉(zhuǎn)換公式[15]如（1）式所示。

Q_ext∝I_m[（m²-1）/（m²+2）]λ^-1（1）

式中：Q_ext為羽輝對激光能量的吸收系數(shù);m為羽輝對激光的復(fù)折射率;λ為激光波長。

基于上述分析方法，研究人員在激光功率為10 kW時測得匙孔上方局部羽輝對入射激光能量的衰減系數(shù)小于5%[16]，而激光功率增加到15 kW和20 kW時為12%左右[17-18];并通過羽輝輻射的光譜信息測得其電離度均小于2%。然而在實際焊接過程中由于激光光斑大小、焦點位置、保護(hù)氣體、焊接母材、測量位置和探測激光波長的不同，特別是焊接羽輝的非規(guī)律性波動導(dǎo)致測量的結(jié)果會存在一定差異。因此，如何有效定量分析羽輝的組分及其對激光能量的影響，對相關(guān)物理和化學(xué)現(xiàn)象的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。此外，如何消除羽輝對激光能量的影響，也是萬瓦激光焊接的一個重要研究方向，主要手段有側(cè)吹法、局部負(fù)壓法[19]和真空法[20]。

3萬瓦級激光焊接缺欠抑制研究進(jìn)展

由于焊縫表面凹陷及底部駝峰的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響了萬瓦級激光焊接技術(shù)的發(fā)展。因此對相關(guān)缺欠的有效控制，對推動萬瓦級激光焊接技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。目前對相關(guān)缺欠的抑制方法主要有電磁支撐系統(tǒng)、改變焊接姿態(tài)、底部氣壓法及焊縫背面強(qiáng)制成形。

為了防止熔池下垂和脫落并增加焊縫熔深， Avilov等人[21]利用“感應(yīng)電磁焊接熔池支持系統(tǒng)”，成功抑制了底部駝峰的形成，為該技術(shù)提供了理論依據(jù)。英國曼徹斯特大學(xué)Guo等人[22]則通過橫焊方法有效防止了焊接過程中由于重力作用造成的熔池脫落，并在激光功率13 kW時實現(xiàn)了13 mm厚S700鋼全熔透焊接，焊縫質(zhì)量良好。關(guān)于高功率光纖激光聚焦性能對焊接性的影響，大阪大學(xué)Matsumoto等人[23]進(jìn)行了首次研究，指出高功率激光焊接厚板時，長焦深更有助于獲得良好的焊縫。陳飛等人[24]則基于底部氣壓法在激光功率為16 kW條件下焊接20 mm厚316L不銹鋼時成功抑制相關(guān)焊接缺欠的形成。陳根余提出了一種抑制萬瓦級激光焊接表面塌陷的方法，通過在焊接過程中同步將金屬顆粒輸送到熔池中，可補(bǔ)足部分飛濺產(chǎn)生時材料的流失，減少焊縫塌陷的產(chǎn)生;此外側(cè)吹保護(hù)氣體可較好抑制了釘子頭焊縫和上表面飛濺的產(chǎn)生[25]。

萬瓦級激光焊接時，會產(chǎn)生深層氣孔。Kawahito等人[26]用10 kW光纖激光焊接304不銹鋼時，發(fā)現(xiàn)超高功率激光深熔焊接時氣孔會在匙孔中下部產(chǎn)生，并指出焊接速度低于3 m/min時，改變光斑直徑不能有效減少氣孔的產(chǎn)生。大阪大學(xué)Minhyo等人[27]通過研究指出，同CO2激光和YAG激光焊接時氣孔僅在未熔透焊縫中大量出現(xiàn)不同，高功率光纖激光焊接中厚板時，即使在全熔透情況下焊縫也會出現(xiàn)大量氣孔，通過對氣孔成分分析，指出氣孔是由從焊縫背面進(jìn)入匙孔的空氣引起的。在未熔透情況下，趙琳等人[28]研究了20 mm低碳鋼光纖激光焊接過程中工藝參數(shù)對小孔型氣孔、熱裂紋和飛濺的影響，指出隨著焊接速度的增加，焊縫氣孔和熱裂紋傾向降低;零離焦時，氣孔傾向最大。Sun等人[29]指出10 kW光纖激光橫向焊接304不銹鋼時，相對于氬氣和氦氣，氮氣對焊接氣孔有更好的抑制效果。

4萬瓦級激光高效焊接工藝研究進(jìn)展

在實際工程應(yīng)用中，大部分材料的焊接加工需要實現(xiàn)板材的雙面成形。對于中厚度材料，采用傳統(tǒng)焊接方法需要多層填充，而采用萬瓦級激光焊接技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)32 mm厚不銹鋼的單面焊接雙面成形。但對于更大厚度的材料，目前常采用雙面焊接成形。因此，如何實現(xiàn)更大板厚的單面焊接雙面成形，是中厚鋼板萬瓦級激光焊接領(lǐng)域的研究熱點之一，包括萬瓦級光纖激光自熔焊接工藝及激光-電弧復(fù)合焊接工藝。

4.1萬瓦級激光自熔焊接工藝研究現(xiàn)狀

Avilov等人在激光功率為10.9 kW和10 kW時實現(xiàn)12 mm和15 mm鋼單面焊接雙面成形。芬蘭拉普蘭塔大學(xué)Sokolov等人[30]研究了30 kW光纖激光深熔焊接能力，在焊接速度高達(dá)2.4 m/min時實現(xiàn)了25 mm厚S355的熔透焊接;而德國IPG公司Grupp等人[31]在相同激光功率下完成了32 mm不銹鋼一次焊接成形。大阪大學(xué)Katayama等人[32]則利用100 kW光纖激光器實現(xiàn)70 mm厚304不銹鋼雙面單道焊接成形，焊縫質(zhì)量良好，其焊縫表面及截面形貌如圖7所示。

近年隨著光纖激光器的快速發(fā)展，國內(nèi)研究人員也已開展了中厚板萬瓦光纖激光焊接技術(shù)的應(yīng)用研究。在激光功率為15 kW時，陳根余等人通過橫焊加多路側(cè)吹的方法，在焊接速度0.6 m/min時成功實現(xiàn)了18 mm厚不銹鋼單面焊接雙面成形。對于20 kW級激光焊接，信紀(jì)軍等人[33]進(jìn)行了工藝參數(shù)波動試驗，并獲得了20 mm厚不銹鋼全熔透焊縫，其焊縫表面形貌，如圖8所示。

4.2萬瓦級激光-電弧復(fù)合焊接工藝研究現(xiàn)狀

與激光自熔焊接相比，激光-電弧復(fù)合焊接工況適應(yīng)性強(qiáng)，工程應(yīng)用范圍更廣。國外已經(jīng)對相關(guān)焊接技術(shù)進(jìn)行了大量研究，其中圣彼得堡國立海洋技術(shù)大學(xué)Turichin等人[34]實現(xiàn)14 mm RS E36船用高強(qiáng)鋼對接及T形接頭單面焊接雙面成形;圣彼得堡國立理工大學(xué)Turichin等人[35]則利用20 kW激光復(fù)合焊接在高達(dá)3 m/min的焊接速度下成功實現(xiàn)14 mm X80管線鋼一次焊接成形。

Wahba及大阪大學(xué)Mizutani等人[36]通過預(yù)置剪斷焊絲并在試板下方添加埋弧焊劑或玻璃纖維以改善背部成形的方式，通過激光-GMAW復(fù)合焊接方法，在16 kW激光功率下，實現(xiàn)了20 mm，25 mm SM490A低合金結(jié)構(gòu)鋼單面焊接雙面成形，隨后通過雙面單道焊接，完成了50 mm厚試板的焊接加工，焊縫性能符合相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 試驗裝置和部分焊縫截面，如圖9所示。德國弗勞恩霍夫研究所?stündagˇ 等人[37-39]研究了復(fù)合焊接對坡口間隙及錯邊的適應(yīng)性，通過交流振蕩電磁系統(tǒng)并利用20 kW級光纖激光-GMAW復(fù)合焊接成功實現(xiàn)了20 mm，25 mm，28 mm船用S355J2低合金鋼及20 mm X20管線鋼單面焊接雙面成形，如圖10所示。

挪威科技大學(xué)Bunaziv等人[40-43]研究機(jī)構(gòu)相繼利用15 kW以上光纖激光進(jìn)行了大量試驗研究，并取得了豐碩成果。

國內(nèi)目前對萬瓦級光纖激光-電弧復(fù)合焊接中厚板的研究較少。近年可見報道中沈陽工業(yè)大學(xué)井志成等人[44]采用光纖激光-MAG復(fù)合焊接在激光功率為10 kW時實現(xiàn)了18 mm厚船用高強(qiáng)鋼一次焊接成形，力學(xué)性能指標(biāo)均滿足船級社要求;此外，黃瑞生等人[45]通過采用不同的電弧熱源，對30 kW級光纖激光-電弧復(fù)合焊接特性進(jìn)行了研究，研究指出大功率激光-電弧復(fù)合焊接時，采用激光-TIG復(fù)合填絲焊接過程的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于激光-MAG復(fù)合焊接及激光-MAG復(fù)合填絲焊接。5萬瓦級光纖激光焊接技術(shù)的工程應(yīng)用

利用萬瓦級光纖激光焊接技術(shù)可以大幅提高中厚鋼板的焊接效率，在造船、油氣管道以及核電等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。早在2005年，德國不萊梅研究所Vollertsen等人[46]已經(jīng)利用17 kW光纖激光實現(xiàn)11.2 mm燃?xì)廨斔凸艿赖暮附?美國通用公司[47]也已于2011年開發(fā)了基于20 kW光纖激光的復(fù)合焊接系統(tǒng)，并應(yīng)用于石油、航空、鐵路等行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施制造。

2015年，俄羅斯JSC公司利用16 kW光纖激光電弧復(fù)合焊接設(shè)備開發(fā)的20 mm厚船用鋼板焊接技術(shù)獲海運注冊局批準(zhǔn)，并與德國IMG公司合作設(shè)計建造了12 m×12 m船用鋼板切割和焊接的自動化生產(chǎn)線;此外，JSC基于現(xiàn)有焊接技術(shù)并利用最高功率25 kW光纖激光器開始進(jìn)行40 mm厚船用高強(qiáng)鋼的激光電弧復(fù)合垂直焊接技術(shù)的開發(fā)，并針對相關(guān)自動化垂直焊接技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用設(shè)計了試制模型[48]。德國弗勞恩霍夫研究所、亞琛工業(yè)大學(xué)等單位對厚度20 mm以上造船用鋼高功率激光復(fù)合焊接應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，其所用激光功率均在15 kW以上。

國內(nèi)對高功率光纖激光及激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用起步較晚。近年，在科研人員的努力攻關(guān)下，相關(guān)技術(shù)也開始應(yīng)用到核電及船舶制造領(lǐng)域。2013年，湖南大學(xué)利用15 kW光纖激光器開發(fā)的18 mm厚不銹鋼單面焊接雙面成形技術(shù)已經(jīng)成功用于核電堆芯圍筒的穩(wěn)定焊接生產(chǎn)[49];2019年，哈爾濱焊接研究院有限公司與煙臺中集來福士海洋工程有限公司等單位合作開發(fā)的萬瓦激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)成功應(yīng)用于20 m長焊縫的生產(chǎn)，其10 mm厚鋼板一次焊接成形的速度可達(dá)1.2～1.5 m/min，這也是激光復(fù)合焊接生產(chǎn)線在國內(nèi)造船行業(yè)的首次應(yīng)用[50]。

6發(fā)展趨勢

隨著新技術(shù)、新材料的快速發(fā)展，高端制造業(yè)產(chǎn)品正在朝著高負(fù)荷、高強(qiáng)度、輕量化的趨勢發(fā)展，在艦船及核電等重要領(lǐng)域也對中厚板的焊接提出了更高的要求。近年隨著光束質(zhì)量更好、加工效率更高的萬瓦級光纖激光器的發(fā)展，中厚板萬瓦激光焊接技術(shù)得到進(jìn)一步提升。目前投入科研應(yīng)用的激光器最高功率已達(dá)100 kW，而據(jù)IPG公司官方報道，其已具備生產(chǎn)最高輸出功率可達(dá)500 kW的光纖激光器的能力，且未來激光器功率還會進(jìn)一步提升，成本也會不斷下降。因此采用萬瓦級光焊接中厚度材料是一個必然趨勢。此外，在萬瓦級光纖激光焊接技術(shù)研發(fā)方面， 大阪大學(xué)、德國亞琛工業(yè)大學(xué)、弗勞恩霍夫研究所、俄羅斯圣彼得堡國立技術(shù)大學(xué)及芬蘭拉普蘭塔大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)均將萬瓦級高功率激光焊接技術(shù)作為重要研究方向，其采用的激光功率均在15 kW以上。在此方面，國內(nèi)起步較晚且研究水平遠(yuǎn)落后于國外發(fā)達(dá)國家。研究表明，要解決重大裝備制造業(yè)中厚板的優(yōu)質(zhì)、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(shù)領(lǐng)域的研究開發(fā)與工程應(yīng)用工作。

7結(jié)束語

綜上所述，萬瓦級激光焊接是解決中厚鋼板優(yōu)質(zhì)、高效焊接的一種先進(jìn)焊接技術(shù)，是未來激光焊接技術(shù)發(fā)展的重要研究方向之一，具有重要的戰(zhàn)略意義和應(yīng)用價值。在各國學(xué)者的不懈努力下，萬瓦激光焊接技術(shù)研究已經(jīng)取得了一定的成果并實現(xiàn)了部分工業(yè)應(yīng)用，這為繼續(xù)深入研究并實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)成果的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但是高功率激光焊接匙孔及羽輝特性、焊縫成形及焊接缺陷有效控制、關(guān)鍵工程應(yīng)用技術(shù)等方面仍需深入研究，以推動該技術(shù)的應(yīng)用普及。

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蔣寶簡介： 碩士;主要從事激光焊接工藝特性研究;已發(fā)表論文3篇。

黃瑞生簡介： 通信作者，博士，高級工程師;主要從事高功率激光焊接技術(shù)與裝備的科研及工程應(yīng)用工作;已發(fā)表論文20余篇。