手持激光填絲焊接技術(shù)修復(fù)超高壓輸電線路金具的工藝研究

鄭三毛,劉東甲

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，云南昆明 650217）

隨著激光器制造技術(shù)及焊接槍頭制造水平的進(jìn)步，激光焊接技術(shù)在過(guò)去幾十年發(fā)展迅速，在工業(yè)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在部分行業(yè)激光焊接逐步取代傳統(tǒng)的電弧焊接工藝，其優(yōu)良的焊接質(zhì)量及高效率越來(lái)越受到重視［1-3］。近兩年來(lái)，手持激光焊接設(shè)備取得較大的進(jìn)展，在工業(yè)中取得廣泛的應(yīng)用［4］。手持激光焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作較為方便，且在焊接時(shí)不需要復(fù)雜的夾具及設(shè)置，具有相當(dāng)?shù)撵`活性［5］，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的弧光、煙塵、飛濺等相比較于電弧焊較少，使得工業(yè)領(lǐng)域?qū)κ殖旨す夂附釉O(shè)備的接受程度大幅度增長(zhǎng)。

超高壓輸電線路使用的金具一般由板形、桿形、環(huán)形各類形狀的部件組成，由于在服役過(guò)程中受外力破壞、自然侵蝕等，金具不可避免地出現(xiàn)損壞甚至失效［6-8］。目前，采用焊接修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)可減少更換零部件的數(shù)量，然而修復(fù)過(guò)程中需要高空作業(yè)，而且受環(huán)境、天氣、地形、電磁等因素干擾影響大，傳統(tǒng)的電弧修復(fù)易出現(xiàn)氧化、氣孔、熱裂紋等問(wèn)題。因此，為進(jìn)一步提高輸電金具的修復(fù)水平，擬選用手持激光焊接修復(fù)的方法來(lái)替代電弧焊修復(fù)。本文針對(duì)鋁合金金具，采用手持激光焊接修復(fù)的方法進(jìn)行激光焊接修復(fù)，對(duì)焊接修復(fù)工藝及修復(fù)接頭的各項(xiàng)性能進(jìn)行了研究，為手持激光焊接修復(fù)用于超高壓輸電線路的鋁合金金具打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

用于實(shí)驗(yàn)研究的手持激光焊接設(shè)備由激光器、水冷機(jī)、手持焊槍、控制系統(tǒng)、送絲機(jī)等部件組成。激光器為光纖激光器，其輸出最大功率為1.5 kW、波長(zhǎng)為1070 nm；手持激光頭準(zhǔn)直焦距為100 mm、聚焦焦距為150 mm，傳輸光纖芯徑為200 μm。手持激光焊接設(shè)備如圖1 所示。

圖1 手持激光焊接設(shè)備Figure 1 Hand-held laser welding equipment

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)?zāi)覆臑?050A 鋁合金金具，選用直徑1.2 mm 的4043 鋁合金焊絲作為填充材料，母材及焊絲成分分別列于表1 和表2。

表1 母材組成成分Table 1 Chemical composition of base metal

表2 焊絲組成成分Table 2 Chemical composition of wire

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了模擬待修復(fù)的缺陷，首先對(duì)鋁合金金具開(kāi)具寬2 mm、深2 mm 的坡口，然后對(duì)坡口進(jìn)行單道激光填絲焊接修復(fù)。焊前用鋼絲刷去除母材表面的氧化膜，并用酒精清除表面油污。焊后沿垂直于焊縫方向制備拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖2 所示。

圖2 拉伸試樣形狀及尺寸Figure 2 Dimension of tensile specimen

采用GP-TS2000M 型拉伸機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，采用FD-101 型數(shù)字便攜式渦流導(dǎo)電儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)修復(fù)效果的影響

2.1.1 光束擺動(dòng)方式對(duì)修復(fù)的影響

通過(guò)振鏡的擺動(dòng)可實(shí)現(xiàn)激光光束多模式擺動(dòng)，實(shí)驗(yàn)研究了在其他參數(shù)不變的情況下，光束四種擺動(dòng)模式對(duì)鋁合金材料修復(fù)表面的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖3 可見(jiàn)，四種擺動(dòng)模式分別是其中“—”這種擺動(dòng)模式獲得的焊縫形貌效果較好，故在后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究中光束采用此種擺動(dòng)方式。

圖3 光束擺動(dòng)模式對(duì)接頭成形的影響Figure 3 Effect of beam swing mode on joint formation

2.1.2 工藝參數(shù)對(duì)修復(fù)效果的影響

表3 為焊接工藝參數(shù)，采用表3 的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可見(jiàn)：在合適的工藝范圍內(nèi)，線性修補(bǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)小裂紋類線性缺口的一次性修復(fù)，且修復(fù)效果顯著；隨著激光功率的增加及擺動(dòng)寬度增加，修復(fù)表面更為飽滿，修復(fù)效率提高，成形美觀。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Laser welding process parameters

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 4 Test results

2.2 對(duì)焊接接頭性能的影響

2.2.1 拉伸性能

對(duì)所制備的焊接修復(fù)接頭進(jìn)行拉伸性能實(shí)驗(yàn)（圖5），并且與母材（13 號(hào)）的拉伸性能進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果列于表4。從表4 的結(jié)果可以看出：1、11 號(hào)試樣的斷裂位置在焊接接頭處，其余試樣的斷裂位置為母材處，表明手持激光焊接修復(fù)工藝獲得的堆焊接頭的抗拉性能不低于母材；在較大的抗拉強(qiáng)度參數(shù)范圍內(nèi)，修復(fù)件的抗拉性能均好于母材，這也表明了手持激光焊接工藝的適用性及實(shí)用性。隨后對(duì)斷裂位置為焊縫的試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)接頭存在氣孔，這導(dǎo)致了接頭抗拉強(qiáng)度的下降。

圖5 拉伸測(cè)試實(shí)驗(yàn)Figure 5 Tensile tests

表4 試樣力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 4 Tensile test results

2.2.2 導(dǎo)電性

對(duì)采用手持激光填絲焊接工藝修復(fù)的接頭進(jìn)行導(dǎo)電性測(cè)試，選擇2、4、7 和12 試樣進(jìn)行測(cè)試，利用數(shù)字便攜式渦流導(dǎo)電儀進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試，在焊縫測(cè)試3 點(diǎn)，在焊縫兩端的母材各測(cè)試2 點(diǎn)，結(jié)果列于表5。由表5 可知，母材的導(dǎo)電率為30.29 Ms?m?1，而焊縫處的導(dǎo)電率為22.67—26.93 Ms?m?1，其最大導(dǎo)電率為母材的89.43%。

2.2.3 顯微硬度及金相組織

對(duì)2 號(hào)試樣進(jìn)行維氏顯微硬度測(cè)試，分別在上、中、下三層進(jìn)行測(cè)試，在載荷為0.05 kg、加載時(shí)間為10 s 的條件下，最后測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。圖6 可以看出，修復(fù)層硬度高于原始母材，修復(fù)層從上到下顯微硬度逐漸降低。

表5 導(dǎo)電性能測(cè)試結(jié)果Table 5 Electrical conductivity test results

圖6 顯微硬度測(cè)試結(jié)果Figure 6 Microhardness test results

為進(jìn)一步分析試樣修復(fù)層的硬度，對(duì)2 號(hào)試樣進(jìn)行了金相分析，不同區(qū)域的金相組織如圖7 所示。從圖7 可見(jiàn)，修復(fù)層存在多道次組織特征，焊縫中間的晶粒比較細(xì)，靠近母材處晶粒較大，這與接頭處硬度的波動(dòng)相對(duì)應(yīng)。這是因?yàn)樾迯?fù)過(guò)程中采用的是光束擺動(dòng)模式，材料因此受到多次熱循環(huán)的影響。

圖7 2 號(hào)試樣不同位置的金相組織Figure 7 Metallographic structure of sample #2 at different locations

3 結(jié)論

采用手持激光焊接技術(shù)，在合適的工藝范圍內(nèi)能夠一次性對(duì)細(xì)小裂紋類線性缺口進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)層表面飽滿，成形美觀。手持激光填絲焊接修復(fù)接頭的抗拉強(qiáng)度不低于母材，導(dǎo)電性可以達(dá)到母材的89.43%。研究結(jié)果表明，采用手持激光填絲焊接有望實(shí)現(xiàn)輸電線路中鋁合金金具的修復(fù)工作。