高强度钢的焊接

HEATS

激光焊接和复合焊接技术提高了焊接性能，生产率和焊缝质量都得到了提高

焊接高弹钢（厚度为16-17mm）的工业应用主要是由传统焊接 （自动的熔化极气体保护电弧焊，GMAW）来实现的。这是因为这一焊接工艺的质量获得肯定，尽管它需要进行多道焊接。比如说，当焊接12mm厚的钢板，焊接速度0.8m/min时，GMAW需要5道焊。在特定的条件下，还需要对焊接进行一些限制（比如，不允许使用背面支撑），而且第一条焊道（根焊道） 需要使用GTAW，其焊接速度降低为0.1-0.15 mm/min。采用几个焊接站的方案可以降低总的焊接周期，但这并非总是可行。

4kW激光源的出现和使用光纤来传输光束，允许几个光源之间进行耦合，并使工件上的激光功率能达到8kW，从而仅用几道焊接来焊15-20mm厚的钢板成为可能。最近新的激光技术的发展（光纤或者圆盘激光器）使得功率高达10kW，并且使用几百微米的光纤传输，这无疑将推进在这些方面的工业进步。

对于高弹钢的焊接，复合焊接过程（GMAW与激光焊接）和只用激光（使用冷焊丝）焊接之间显示出一定关联。焊接大直径的贮藏桶或者管道的制造促使我们开发适用于焊接大直径测试管的工作站。

实验装置

这项评估过程所用的工作站有如下几个特点：

实验中振荡激光头和焊丝或者是GMAW中用于多道焊接的焊炬，以便降低在金属熔池和基底金属交界面上未熔合的问题。通常，零件焊接后的截面显示椭圆化，高度可以达到1cm。这明显与激光焊接或者GMAW/复合焊接不一致。焊缝追踪感应器SRI（机器人伺服系统）控制了焊接头的Y和Z向运动。

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图1. 焦点处的光斑分析

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激光源使用了HL4006 D（灯泵浦）和HL4506D（二极管泵浦）。一根双光纤和适配的聚焦系统，得到两个直径为450微米的光斑。图1给出了光强分布，图2显示了焊接结构图。

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图2. 焊接图示

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由于两个光斑得到的功率密度较低，顶部帽形的分布，以及Nd:YAG激光功率等因素，我们设计了连接槽的具体形状以优化根焊道的厚度，并给出正确的焊接速度。

图3给出了激光焊接和复合焊接不同的凹槽外形，这是利用SRI系统来测量的。这些外形使得焊接根焊道的厚度达到10mm，焊接速度达0.6m/min（激光焊接）和0.9m/min（复合焊接）。对于复合焊接过程，扩大了V型槽以降低在根焊道上端出现裂口的可能性。

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仅使用激光焊接 复合焊接
图3. 凹槽形状

填充焊的方法

这里使用了两道填充焊来完成剩下的4mm到6mm。同时使用了固定的参数（激光功率，焊接速度，送丝速度，以及光束振荡参数）。

填充焊的要点是避免在凹槽边上产生未熔合。图4显示了这种缺陷的例子，这是由金属熔池无法正确熔融凹槽侧壁导致的。

图4. 在凹槽的侧壁未熔合的实例

目前有许多的方法可以来扩大金属熔池。在定位焊接中，降低焊接速度将导致严重的缺陷，并且也不利于生产率的提高。将激光光束的光斑直径扩大到2mm，可以扩大金属熔池，同时也降低了前道焊接的熔透深度。也可使用摆动光束来扩大金属熔池的宽度（但是没有改变长度）。这里使用了第二和第三个方案。同时移动焊丝和光束来实现频率为8-10Hz的摆动。光束的振幅必须与凹槽宽度相适应。

在机械加工后，圆筒的几何变形导致了待焊接厚度的明显变化。测量到典型的厚度变化约1-2mm。具有固定参数的填充焊道将使得在一些位置得到的外形较平，而其他位置则过厚。这就与正确的封顶相冲突，因为封顶需要有一个平整的表面。SRI系统用来测量在第二道焊接后还需填充的体积。体积测量值被用来计算相应的焊丝输送速度，并进行在线修正，同时也被用来计算在凹槽中焊接工具的位置。

图5显示了一个送丝速度变化的例子。这里规定了上限和下限。因为送丝太快的话，将导致焊丝熔化方式不正确，送丝太慢的话将导致不连续的加工，送丝可能会中断，这也会导致在焊丝在重新送入时有缺陷，此外，还有可能因为过度的加热导致焊丝受损。

图5. 焊缝处送丝速度的变化分布

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复合焊接

复合焊接的目的是提高仅使用激光焊接情况下的性能，主要是在生产率的提高方面，并且所进行的焊接具有稳定的质量。激光参数与冷丝焊接的情形下相一致。复合焊接技术比传统技术更需要对参数进行设定。

◆ 送丝速度：要确保冷焊丝正确熔融，这个参数的上限在10 m/min左右，激光必须能够熔化焊线。使用GMAW的话，焊丝由电弧熔化，送丝速度可以提高到19 m/min左右。

◆ 激光光束定位：使用冷焊丝的话，焊丝必须通过激光光束以便被熔化。使用GMAW的话，激光被用来产生更长的熔池，并保持由GMAW工艺得到金属熔池。电弧和激光束之间的距离需要进行优化。

◆ 在窄的凹槽中使用GMAW时，需要控制电弧外形以降低在凹槽边缘的效应。可以使用不同类型的操作模式，比如脉冲或者连续模式。

根焊接速度被提高到0.9 m/min，激光功率保持恒定，送丝速度为10.5 m/min，对GMAW来说，使用脉冲模式。

零件之间的缝隙得到了很好的控制，但是管材发生椭圆化可以导致严重的错位。在一些测试零件中，这样的错位范围从0到5 mm。我们使用了恒定参数进行焊接测试（同样的焊接速度，送丝速度，GMAW参数），并得到了有趣的结果（见图6和图7）。

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图6. 使用激光和冷焊丝进行焊接

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图7. 复合焊接，这里有5mm的错位

填充焊的策略

对于填充焊来说，合仅适用激光焊接的情况相比，我们做了以下两点改进。

◆ 送丝速度上升到17 m/min。
◆ 电弧的宽度十分重要，而且与凹槽的宽度相关。因而我们采取固定焊炬，而摆动激光束的方式。这就允许激光对凹槽壁进行更好的熔化，而避免了因为电弧所导致的空穴。

激光参数与冷丝焊接的情况下参数是一样的，只是焊线速度为0.9 m/min。需要三道焊接以实现到达表面的完整焊缝，而封顶是由两道焊接实现的。一个在左侧，送丝速度为17 m/min，另一个在右侧，焊线速度为10 m/min。在这两种情况下，焊接速度均为0.9 m/min。其优势是完全避免了底切，而且在基底金属表面和焊接面之间有光滑的连接。

金相结果

焊缝使用了X光照相进行了检测。在仅使用激光的情况下，没有探测到任何缺陷，没有气孔，裂痕或者未熔合的现象。在复合焊接的焊缝中，我们观察到了小气孔，但是数量上还可以接受。硬度分布显示，在焊缝的底部（很大比例是基底金属）达到了最大值330HV，不过这与建筑要求是相符合的。我们必须考虑到基底材料（高强度钢）的硬度是高于标准钢的。

回弹能量测量给出了有趣的结果，在仅使用激光的条件下，-10℃时，能量吸收为110 J，而在复合焊接的过程中，-10℃ 时，吸收的能量达220 J，这可能是由于焊接速度更高的原因导致的。

结论

本文介绍了与传统的GMAW技术相比，使用激光和激光＋GMAW复合焊接的优势。这里的表格总结了使用这些工艺进行17 mm厚度焊接时使用的主要参数。

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-	焊接速度（m/min）	焊道数目 2 j$ F" I# P( m3 J. [/ n' g. ]$ j	回弹能量 （J）
GMAW	0.4-0.6 ) a6 E9 ~7 |# B4 Y/ R9 ?	6-8	80
激光	0.6	5 " X2 R9 x3 S# T( }5 X/ D* F9 X	120 & P, @' D9 _% B
激光+GMAW - j" R8 ?; W& @8 c& t	0.9	5-6	220

激光焊接和复合焊接技术带来了焊接性能上的提高，这是指生产率的提高（减少焊接道数，提高焊接速度）。此外，焊接区域的机械性能比传统技术所得到的质量更好。这些结果有利于将这些加工技术投入到生产中。新型激光技术的开发，能量密度的提高，将使得实际性能得到改善，另外通过减小激光器和其他工具的尺寸，也将易于加快该工艺的工业化进程。

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