激光焊接和復(fù)合焊接技術(shù)提高了焊接性能，生產(chǎn)率和焊縫質(zhì)量都得到了提高

焊接高彈鋼（厚度為16-17mm）的工業(yè)應(yīng)用主要是由傳統(tǒng)焊接 （自動的熔化極氣體保護(hù)電弧焊，GMAW）來實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)檫@一焊接工藝的質(zhì)量獲得肯定，盡管它需要進(jìn)行多道焊接。比如說，當(dāng)焊接12mm厚的鋼板，焊接速度0.8m/min時，GMAW需要5道焊。在特定的條件下，還需要對焊接進(jìn)行一些限制（比如，不允許使用背面支撐），而且第一條焊道（根焊道） 需要使用GTAW，其焊接速度降低為0.1-0.15 mm/min。采用幾個焊接站的方案可以降低總的焊接周期，但這并非總是可行。

4kW激光源的出現(xiàn)和使用光纖來傳輸光束，允許幾個光源之間進(jìn)行耦合，并使工件上的激光功率能達(dá)到8kW，從而僅用幾道焊接來焊15-20mm厚的鋼板成為可能。最近新的激光技術(shù)的發(fā)展（光纖或者圓盤激光器）使得功率高達(dá)10kW，并且使用幾百微米的光纖傳輸，這無疑將推進(jìn)在這些方面的工業(yè)進(jìn)步。

對于高彈鋼的焊接，復(fù)合焊接過程（GMAW與激光焊接）和只用激光（使用冷焊絲）焊接之間顯示出一定關(guān)聯(lián)。焊接大直徑的貯藏桶或者管道的制造促使我們開發(fā)適用于焊接大直徑測試管的工作站。

實(shí)驗(yàn)裝置

這項(xiàng)評估過程所用的工作站有如下幾個特點(diǎn)：

實(shí)驗(yàn)中振蕩激光頭和焊絲或者是GMAW中用于多道焊接的焊炬，以便降低在金屬熔池和基底金屬交界面上未熔合的問題。通常，零件焊接后的截面顯示橢圓化，高度可以達(dá)到1cm。這明顯與激光焊接或者GMAW/復(fù)合焊接不一致。焊縫追蹤感應(yīng)器SRI（機(jī)器人伺服系統(tǒng)）控制了焊接頭的Y和Z向運(yùn)動。

圖1. 焦點(diǎn)處的光斑分析

激光源使用了HL4006 D（燈泵浦）和HL4506D（二極管泵浦）。一根雙光纖和適配的聚焦系統(tǒng)，得到兩個直徑為450微米的光斑。圖1給出了光強(qiáng)分布，圖2顯示了焊接結(jié)構(gòu)圖。

圖2. 焊接圖示

由于兩個光斑得到的功率密度較低，頂部帽形的分布，以及Nd:YAG激光功率等因素，我們設(shè)計了連接槽的具體形狀以優(yōu)化根焊道的厚度，并給出正確的焊接速度。

圖3給出了激光焊接和復(fù)合焊接不同的凹槽外形，這是利用SRI系統(tǒng)來測量的。這些外形使得焊接根焊道的厚度達(dá)到10mm，焊接速度達(dá)0.6m/min（激光焊接）和0.9m/min（復(fù)合焊接）。對于復(fù)合焊接過程，擴(kuò)大了V型槽以降低在根焊道上端出現(xiàn)裂口的可能性。

僅使用激光焊接 復(fù)合焊接
圖3. 凹槽形狀

填充焊的方法

這里使用了兩道填充焊來完成剩下的4mm到6mm。同時使用了固定的參數(shù)（激光功率，焊接速度，送絲速度，以及光束振蕩參數(shù)）。

填充焊的要點(diǎn)是避免在凹槽邊上產(chǎn)生未熔合。圖4顯示了這種缺陷的例子，這是由金屬熔池?zé)o法正確熔融凹槽側(cè)壁導(dǎo)致的。

圖4. 在凹槽的側(cè)壁未熔合的實(shí)例

目前有許多的方法可以來擴(kuò)大金屬熔池。在定位焊接中，降低焊接速度將導(dǎo)致嚴(yán)重的缺陷，并且也不利于生產(chǎn)率的提高。將激光光束的光斑直徑擴(kuò)大到2mm，可以擴(kuò)大金屬熔池，同時也降低了前道焊接的熔透深度。也可使用擺動光束來擴(kuò)大金屬熔池的寬度（但是沒有改變長度）。這里使用了第二和第三個方案。同時移動焊絲和光束來實(shí)現(xiàn)頻率為8-10Hz的擺動。光束的振幅必須與凹槽寬度相適應(yīng)。 #p#分頁標(biāo)題#e#

在機(jī)械加工后，圓筒的幾何變形導(dǎo)致了待焊接厚度的明顯變化。測量到典型的厚度變化約1-2mm。具有固定參數(shù)的填充焊道將使得在一些位置得到的外形較平，而其他位置則過厚。這就與正確的封頂相沖突，因?yàn)榉忭斝枰幸粋€平整的表面。SRI系統(tǒng)用來測量在第二道焊接后還需填充的體積。體積測量值被用來計算相應(yīng)的焊絲輸送速度，并進(jìn)行在線修正，同時也被用來計算在凹槽中焊接工具的位置。

圖5顯示了一個送絲速度變化的例子。這里規(guī)定了上限和下限。因?yàn)樗徒z太快的話，將導(dǎo)致焊絲熔化方式不正確，送絲太慢的話將導(dǎo)致不連續(xù)的加工，送絲可能會中斷，這也會導(dǎo)致在焊絲在重新送入時有缺陷，此外，還有可能因?yàn)檫^度的加熱導(dǎo)致焊絲受損。

圖5. 焊縫處送絲速度的變化分布

復(fù)合焊接

復(fù)合焊接的目的是提高僅使用激光焊接情況下的性能，主要是在生產(chǎn)率的提高方面，并且所進(jìn)行的焊接具有穩(wěn)定的質(zhì)量。激光參數(shù)與冷絲焊接的情形下相一致。復(fù)合焊接技術(shù)比傳統(tǒng)技術(shù)更需要對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

◆ 送絲速度：要確保冷焊絲正確熔融，這個參數(shù)的上限在10 m/min左右，激光必須能夠熔化焊線。使用GMAW的話，焊絲由電弧熔化，送絲速度可以提高到19 m/min左右。

◆ 激光光束定位：使用冷焊絲的話，焊絲必須通過激光光束以便被熔化。使用GMAW的話，激光被用來產(chǎn)生更長的熔池，并保持由GMAW工藝得到金屬熔池。電弧和激光束之間的距離需要進(jìn)行優(yōu)化。

◆ 在窄的凹槽中使用GMAW時，需要控制電弧外形以降低在凹槽邊緣的效應(yīng)。可以使用不同類型的操作模式，比如脈沖或者連續(xù)模式。

根焊接速度被提高到0.9 m/min，激光功率保持恒定，送絲速度為10.5 m/min，對GMAW來說，使用脈沖模式。

零件之間的縫隙得到了很好的控制，但是管材發(fā)生橢圓化可以導(dǎo)致嚴(yán)重的錯位。在一些測試零件中，這樣的錯位范圍從0到5 mm。我們使用了恒定參數(shù)進(jìn)行焊接測試（同樣的焊接速度，送絲速度，GMAW參數(shù)），并得到了有趣的結(jié)果（見圖6和圖7）。

圖6. 使用激光和冷焊絲進(jìn)行焊接

圖7. 復(fù)合焊接，這里有5mm的錯位

填充焊的策略

對于填充焊來說，合僅適用激光焊接的情況相比，我們做了以下兩點(diǎn)改進(jìn)。

◆ 送絲速度上升到17 m/min。
◆ 電弧的寬度十分重要，而且與凹槽的寬度相關(guān)。因而我們采取固定焊炬，而擺動激光束的方式。這就允許激光對凹槽壁進(jìn)行更好的熔化，而避免了因?yàn)殡娀∷鶎?dǎo)致的空穴。

激光參數(shù)與冷絲焊接的情況下參數(shù)是一樣的，只是焊線速度為0.9 m/min。需要三道焊接以實(shí)現(xiàn)到達(dá)表面的完整焊縫，而封頂是由兩道焊接實(shí)現(xiàn)的。一個在左側(cè)，送絲速度為17 m/min，另一個在右側(cè)，焊線速度為10 m/min。在這兩種情況下，焊接速度均為0.9 m/min。其優(yōu)勢是完全避免了底切，而且在基底金屬表面和焊接面之間有光滑的連接。

金相結(jié)果

焊縫使用了X光照相進(jìn)行了檢測。在僅使用激光的情況下，沒有探測到任何缺陷，沒有氣孔，裂痕或者未熔合的現(xiàn)象。在復(fù)合焊接的焊縫中，我們觀察到了小氣孔，但是數(shù)量上還可以接受。硬度分布顯示，在焊縫的底部（很大比例是基底金屬）達(dá)到了最大值330HV，不過這與建筑要求是相符合的。我們必須考慮到基底材料（高強(qiáng)度鋼）的硬度是高于標(biāo)準(zhǔn)鋼的。 #p#分頁標(biāo)題#e#

回彈能量測量給出了有趣的結(jié)果，在僅使用激光的條件下，-10℃時，能量吸收為110 J，而在復(fù)合焊接的過程中，-10℃ 時，吸收的能量達(dá)220 J，這可能是由于焊接速度更高的原因?qū)е碌摹?

結(jié)論

本文介紹了與傳統(tǒng)的GMAW技術(shù)相比，使用激光和激光＋GMAW復(fù)合焊接的優(yōu)勢。這里的表格總結(jié)了使用這些工藝進(jìn)行17 mm厚度焊接時使用的主要參數(shù)。

激光焊接和復(fù)合焊接技術(shù)帶來了焊接性能上的提高，這是指生產(chǎn)率的提高（減少焊接道數(shù)，提高焊接速度）。此外，焊接區(qū)域的機(jī)械性能比傳統(tǒng)技術(shù)所得到的質(zhì)量更好。這些結(jié)果有利于將這些加工技術(shù)投入到生產(chǎn)中。新型激光技術(shù)的開發(fā)，能量密度的提高，將使得實(shí)際性能得到改善，另外通過減小激光器和其他工具的尺寸，也將易于加快該工藝的工業(yè)化進(jìn)程。