焊缝测试结果和成本分析

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　　如果成功使用混合系统，据估计，管道公司一年可节约生产成本500，000美元。

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　　大约半个世纪前，研究人员在混合工艺中首次把传统焊接电弧与激光束结合起来。但直到最近，激光-气体保护电弧混合焊(GMA)才开始应用于工业中。现在，混合激光-熔化极气体保护焊迅速实现从实验室到生产的过渡，广泛运用于工业中，从造船业到汽车制造都有所涉及。近来对把这项技术应用于造船厂管道车间可以极大地节省成本。本文就混合焊的性能，以及在造船业利用该技术实现生产成本节约的效果进行评估。

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　　一、混合激光——熔化极气体保护焊

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　　与传统的电弧连接工艺相比，激光焊(LBW)焊接速度快，熔深大。和前些年相比，凭着近来在商业激光技术中出现的优势，激光供应商可用更小的成套设备传递更高的功率，效率也提高十倍，也极大地降低了成本。不幸的是，由于在激光的光斑直径小，对工件的装配间隙要求很高，所以限制了它在某些领域使用。因此，激光焊在对接准备和设置过程中需要很高的精确性，在制造操作中成本增加。此外，激光束集中的能量形成狭窄的热影响区(HAZ)，这一区域冷却得很快，致使某些特殊材料的延展性流失。

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　　相比之下，由于热源比较分散和填充金属的介入，传统的熔化极气体保护焊很轻易能把接头连接起来。填充金属的成分可根据材料的不同而定，以改良材料特性。焊接过程中工件冷却得慢，从而提高了延展性。但是，工艺的本质决定了焊缝的熔深不会很深。因此，连接厚板时通常需要多焊道。

　　在某些应用中，通过把LBW(激光焊)和GMAW(熔化极极气体保护焊)工艺结合在一起，可以克服这些缺点。这种做法不仅在保持大熔深的同时对装配间隙适应性强和降低了操作机构定位公差标准的要求，而且能让操作时焊接速度更快，在冷却时提供更好的焊缝微观结构。此外，LBW(激光焊)和GMAW(熔化极极气体保护焊)工艺的结合能很大程度上缩短了使用传统技术在一条焊缝中要采用多焊道方法总的焊接时间，这样就减少了热机械变形。由于这些原因，美国造船厂对混合Laser-GMAW(激光-熔化极气体保护焊)工艺正表现出越来越浓厚的兴趣。

　　二、焊接管道的混合激光——熔化极气体保护焊

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　　管道焊接让油轮和其它船只建筑耗资巨大。虽然大多数管道焊接必须在甲板上进行，但是很多管道在管道车间轧制,并采用手工焊对接。图1图示了在General Dynamics NASSCO正在使用的对接技术。在图中，管道装在电弧焊炬下方并且旋转。焊接机头由操作人员手工操作。

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　　在NASSCO，钢管道的厚度从0.237到0.50 in. (6.0-12.7mm)不等，对于这样的管壁厚度来说，需要多焊道(五个焊道)才能完成焊缝的接头，达到要求。焊接速度为5-10in./min (0.13-0.25m/min)。图2显示了0.50 in. (12.7mm)管道多焊道焊缝的横截面。

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　　NASSCO希望找到另外一种节约成本的焊接技术，可用单焊道法焊接管子。以下是支持这一想法的实验和成本分析详细介绍。

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　　三、混合激光-熔化极气体保护焊工艺的发展

　　1、实验目的

　　在宾夕法尼亚州大学的应用研究实验室进行了一系列实验，调查研究不同接头设计和混合激光-熔化极气体保护焊工艺对焊缝性能的影响。特别调查坡口角度和钝边、以及焊接速度、激光头与气体保护焊焊接机头之间距离的影响。对一部分混合焊接接头进行了机械测试和X光拍片。最后，还调研了混合焊的实际操作程序，如焊缝的定位、焊缝起止处的焊瘤(环形管道焊缝所需)，及根部间隙大小对焊缝性能的影响。

　　2、实验计划

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　　所有实验都使用Trumpf HLD4506 4.5kW Nd: YAG激光发生器和Lincoln 455STT恒定电压(平特性)气体保护焊电源。图3显示了在宾夕法尼亚州用于进行实验的设置。应该指出，一体式混合焊焊接机头到处有销售，但由于在测试中，需要能轻易、精确地修正工艺参数(如两种设备的分隔距离和角度)，因此这种焊接机头不用于此实验。

　　焊缝在使用直径为0.045in. (1.1mm)的70S-6填充金属的低碳钢对接接头(A36)上生成。通常，熔化极用富氩Ar-10%CO2保护气体。而在激光器与熔化极焊头之间，附加一个喷嘴，通氮气(N2)进行等离子压缩和补充保护。实验在多种对接接头上进行，以研究坡口角度和钝边高度变化的潜在影响(表1和图4)。图5显示了熔化极气体保护焊、激光和混合工艺中具有代表性的焊缝的横截面。这些焊缝是作为测试的一部分。焊缝逐个显示，以供比较。

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　　图6中的简图图示了激光和熔化极气体保护焊焊接机头装置。在所有的实验中，激光聚焦在接头处，导电嘴到工件的距离(CTWD)不变，而激光到熔化极气体保护焊焊头间距要变，以观察它对焊缝强度，熔化区几何图形以及焊缝质量的影响。对激光焊头在焊接方向的前方以及熔化极气体保护焊头在前方的焊接效果都进行了研究。

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　　3、实验结果

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　　当激光焊和熔化极气体保护焊结合在一起时，影响焊接工艺的参数很多。实验结果揭示了这些参数的复杂关系。

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　　四、激光与熔化极气体保护焊焊头间距和焊接速度的影响

　　在典型的实验中，激光到熔化极气体保护焊焊头间距和焊接速度都有所变化，以观察对熔化区几何图形的影响，如图7所示。此时，钢板厚度、钝边和坡口角度分别为10mm (0.39in.), 3mm (0.12in.)和12°。随着焊接速度增加，送丝速度也(WFS)成比例增加，以保持焊道横截面积不变，电压亦相应地有变化。据广泛报道，当焊头间距很小时，这两种工艺就会发生叠加效应；但是，当间距增大时，情况就会发生变化。

　　当焊接速度为20in./min (0.5m/min)时，在2mm和4mm(0.08in.和0.16in.)的间距下，可得到全熔深，熔化区的填充金属和母材完全熔合。但是会在焊缝的背面出现很明显的金属穿透现象，这种焊缝质量是不能接受的。稍微增加间距又会引起不完全熔透，而且在两个熔化区之间有明显的固体结晶。

　　由于焊接速度随着间距变小而增加，似乎每单元长度线能量的减少阻碍了焊缝的完全熔透。但是，当激光与熔化极气体保护焊焊头间距增至16mm (0.63in.)，在更高的焊接速度下，就会发生焊缝的完全熔透。这似乎表明了在速度更快，激光与熔化极气体保护焊焊头间距更大时，激光束既不会与电弧相互作用，也不会与熔化极气体保护焊工艺用到的材料发生联系。在单独的实验中，在30in./min和40in./min的焊接速度下，单一的激光可焊透焊缝，坡口壁却未熔化。焊接速度在20in./min下的数据是不允许的；在15 in./min的速度下，不能达到熔透，这是由于坡口侧壁熔化，吸收了能量，并用材料填充了接头。

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　　当间距很小时，激光束必须熔透母材金属以及焊丝。在这种情况下，当焊接速度缓慢，尽管焊缝背面熔透，但是质量不高，但混合工艺提供了足够的热以让接头焊透。当间距增至10mm (0.39in.),激光在前面足够远的距离，而熔池则由惰性气体保护，以让激光束直接辐射到母材上，也就是说，激光束不再穿透熔化焊的熔池(由熔化极气体保护焊机送丝)，如图8所示。由于运行条件的不同和工件厚度增加大功率的激光系统已经得到了应用。

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　　五、其它

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　　除了研究激光到焊接头间距vs.焊接速度的作用外，还研究了几个其它参数的相互作用。在这些条件下，间距小，焊缝对焊接速度的细微变化都不能容许。也就是说，改变10%的速度都会导致灾难性的烧穿，或熔深不完全。当间距，达到16mm (0.63in.),也许更适合叫前后排列焊而非混合焊。此时激光和电弧之间的相互作用消除，激光小孔能提供焊接区的全熔深，由主激光提供的附加热量可确保狭窄坡口边壁的完全熔化。此外，实验揭示，如果工艺参数适当，混合激光、熔化极气体保护焊能在管道焊中提供足够的熔深，如定位搭接焊。

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　　六、混合激光-熔化极气体保护焊焊接接头测试

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　　通过实验，焊接0.50in. (12.7mm)厚的A36钢，焊缝在视觉上看得过去，对此，总结出了一套混合激光-熔化极气体保护焊工艺规范。焊缝产生全熔深，以及顶部和底部表面可取的余高，接接头角度也得某种程度的修正。如图9所示。

　　这些焊接样品中的几个被送往实验室，根据压力容器代码中的ASME区IX进行拉伸和弯曲测试(表面弯曲测试和根部弯曲测试)，如图10所示。这些样品通过了所有拉伸和弯曲测试。在全部拉伸测试中，在焊缝热影响区外才有故障，这表明机械性能可以接受。

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　　焊缝也按照ASME区IX进行了X射线测试，如图11所示。虽然大多数焊缝没有气孔，但是测试在焊缝的起始和末端处找出了小部分气孔。激光束小孔不稳定性可能是形成气孔的原因。现在正在进行研究，以确定气孔形成原因，并消除它。以这些测试结果为基础，用另外的最优工艺可消除气孔，混合焊能很快成功用于厚度达到0.50in.(12.7mm)的钢管焊接。

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　　七、成本分析

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　　为了帮助在从传统连接工艺到单焊道混合焊的转换上节约成本，进行了详细的研究以评测在造船厂的实践。并进行了焊接时间测试来确定花在每个不同操作中用于连接两个管道的时间。P-2管带间隙的根部接头焊接时间曲线(对管子直径)如图12所示。据测定，对P-2接头来说，焊接4in.管道工艺总时间为102min.，焊接30in.管道时间达到270min.。工艺规定的多焊道焊缝对焊接时间有很大影响。

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　　基于这一数据，单焊道混合焊成功的实施可节约很多时间和金钱，也可减少焊丝消耗和有害烟雾，并降低总线能量，减少变形。此外，减少焊缝起始和结束的次数，缩短总的焊缝长度，可减少缺陷。比较混合焊和传统焊的熔化区，如图13所示，可更清楚地看出节约了成本。

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　　为了评测混合激光-熔化极气体保护焊工艺的成本效果，用数据来计算出它在焊接时间和材料方面的节省额。分析显示，对同样数量的管道焊缝来说，混合焊每年需要少于600工时，而用传统多焊道法则要用将近8500工时。根据工业标准，最终每年节省额估计为＄286,000。另外一项节省成本的是填充材料消耗的减少。与这些非最优化混合焊缝接头设计相比，GMAW/FCAW对接接头焊缝设计中焊缝体积的变化把焊丝消耗从46,000lb减少到7000lb，估计每年节省＄218,000。另一个考虑的因素是像保护气体流量计和导电嘴这些物品的每日消耗成本。其它耗材估计占年材料成本的10%。降低对人体和环境有害的焊接废气并没有计算在内，此数字可能会很庞大。

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　　八、概要

　　实验展示了目前市场现有混合焊技术能焊接超过0.5英寸(12.7mm)厚的板材。一些焊缝被用来进行非破坏性X光测试(RT)，拉伸测试，以及弯曲测试。由于焊缝前端和尾端的气孔，不是所有的焊缝都通过了RT测试；然而，人们认为对工艺进一步的优化改进能够消除焊接气孔。所有的焊缝都通过了拉伸和弯曲测试，其余所有拉伸测试的失败都发生在母材上。对激光——气体熔化弧焊的深入开发，让我们可以了解到如何加速这项技术过渡到工业实用阶段。

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　　经过在管道车间长达11周的详细研究，并分析研究计划收集到的焊接数据，显示年度成本节约将会很惊人。基于行业的平均比例估算，船坞年度运行成本的节约，有潜力可超过500000美圆，所以他们应该采用混合——气体熔化极弧焊管道焊接系统。

　　九、混合激光气体熔化极焊的其他用途

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　　这项研究只代表了高能激光气体熔化极弧焊工艺在全球工业领域的一种应用，除此之外还有很多应用。

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　　在1999年，在德国Papenburg的Meyer Werft船坞开始进行对高能二氧化碳激光——气体熔化极弧焊的研究，他们用来焊接加工好的甲板和船体侧舷板材。经过了一系列的综合测试，他们于2002年采用了这种焊接工艺。大约在同时，国内能源管道工业委托了一项研究，以调查混合气体熔化极弧焊用于管道的全位置焊。这项研究由克里夫兰大学、剑桥大学、英国焊接研究所、BIAS研究所等组成的研究组完成。美国海军也对其表现出极大的兴趣，他们在宾夕法尼亚州的ARL和其他地方都在进行混合焊的各种应用实验，诸如减少焊接金属薄板时的扭曲变形。最近的研究成果是用这种工艺焊接潜艇上作为安全轨道的T形部件，取得海军的认可通过也指日可待。

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　　虽然这当然不是薄板混合焊应用的全部，目前他们的研究成果让企业和政府看到这项科技能带来的潜在经济效益。对高能激光不断快速的研究，使其体积尺寸减少和成本降低，会加速工业领域对高能混合激光—气体熔化极弧焊技术的接受和应用。

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