激光焊在船舶行業(yè)的應用

周 飛，張御宇，沈 軍

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

目前滬東中華造船（集團）有限公司（以下簡稱“公司”）一般采用正面CO2氣體保護焊+反面埋弧焊或正反面埋弧焊的方式對4～6mm厚度的薄板進行焊接。在該方法中，埋弧焊的焊接參數(shù)控制難度較大，若電流和電壓過大，則熱輸入量大，鋼板易產(chǎn)生變形，需在割除引熄弧板之后通過油壓機進行重新壓平，所花費的矯正工時長；若電流和電壓偏小，則焊縫無法熔透，射線探傷合格率低，返修難度大。

隨著造船工藝的不斷進步，焊接質量和焊接效率成為企業(yè)的核心競爭力。激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過金屬與激光的相互作用，使金屬吸收的激光轉化為熱能，將金屬熔化之后冷卻結晶完成焊接。激光焊接按機理的不同分為熱傳導焊接和激光深熔焊。熱傳導焊接是將光能轉化為熱能，以熱傳導的方式向材料深處傳遞；而激光深熔焊是焊接材料在吸收激光光能之后被加熱至氣化狀態(tài)，在焊材表面形成凹坑，隨著激光照射停止，熔液回流，冷卻凝固之后將兩焊件焊接在一起[1]。

目前公司引進的是IPG-10000型光纖激光器，由Qutanta焊接激光跟蹤器、KUKA焊接機器人、FRONIUS-VR700送絲機和激光復合用MIG槍等幾部分組成，主要對高新產(chǎn)品中常用的某型特種高強鋼試板進行焊接試驗。

1 試 驗

1.1 小試板焊接試驗

1.1.1 試驗材料及焊前準備

試驗采用板厚為6mm的某型特種高強船用鋼，坡口形式為I型，坡口間隙為0，其化學成分質量分數(shù)見表1，力學性能指標見表2。

表1 船用鋼化學成分質量分數(shù) 單位：%

表2 船用鋼力學性能指標

試驗使用ER50-6型號焊絲。根據(jù)《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》（GB/T 8110-2008），ER50-6型焊絲各化學成分質量分數(shù)見表3，力學性能指標見表4。

表3 ER50-6型號焊絲各化學成分質量分數(shù) 單位：%

表4 ER50-6型號焊絲力學性能指標

對比 ER50-6型號焊絲和某型特種高強船用鋼母材的各項數(shù)據(jù)，焊絲與母材的化學成分和力學性能較為接近，基本上能達到等強度匹配的要求。

為保證加工精度，試驗所用試板均由激光切割機加工。試驗板材底漆較厚，為避免底漆對焊接質量產(chǎn)生影響，清除坡口兩側10mm范圍內的底漆。

1.1.2 焊接參數(shù)

試驗采用激光填絲焊焊接，激光填絲焊聚焦激光斑點不是直接照射母材表面，而是照射焊絲上，焊絲熔化之后進入待焊兩工件之間的縫隙內。試驗設定離焦量為-1，光絲間距為0，焊接速度為1.2m/min，送絲速度為2.4m/min，焊接功率為6.6kW，焊后觀察焊縫的截面宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)在該焊接參數(shù)下未達到全熔透。

針對此種情況，采用僅增大焊接功率其他焊接參數(shù)不變的方式進行試驗。試驗功率從6.6kW開始，以每次增加200W的方式進行遞增，直到7.6kW。試驗發(fā)現(xiàn)在其他焊接參數(shù)不變的情況下，隨著功率的增大，焊接熔深并未發(fā)生明顯變化。

初步分析，在激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子云霧遮擋激光導致真實作用于焊縫的激光功率受到影響（見圖1）。等離子云霧是金屬蒸氣在激光束的作用下電離產(chǎn)生光致等離子體，形成等離子云團，對入射的

激光產(chǎn)生吸收和反射，甚至是屏蔽的現(xiàn)象[1]。后續(xù)試驗采用加裝吹氣裝置的方式解決等離子云霧問題，但效果并不明顯（見圖2）。

經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)，激光器中的保護鏡片受污染的速率很高（僅經(jīng)過幾次焊接之后就受到較為嚴重的污染損壞），與理論上1個月使用周期的情況差距較大，問題的根源在于通入激光器中作為保護氣體的壓縮空氣壓力不足（僅為0.3MPa），使得焊接產(chǎn)生的飛濺及煙塵進入到激光器中，附著在保護鏡片上，阻礙激光作用在焊絲上，激光焊接熔深受到嚴重的影響。通過調度，確定當壓縮空氣壓力>0.75MPa時，保護情況良好，可滿足焊接要求。

圖1 激光焊接焊縫實時示意

圖2 加裝吹氣裝配

1.1.3 焊縫成形

試驗的預期效果是達到單面焊雙面成形。當前焊縫達到全熔透已不成問題，但在使用上文給出的焊接參數(shù)時，焊縫反面的成形達不到實際生產(chǎn)的要求。高新產(chǎn)品對4～6mm薄板焊縫外觀的要求通常為：焊縫熔寬3～4mm，余高1～2mm，焊縫光順飽滿且與周圍母材圓滑過渡。

試驗發(fā)現(xiàn)，在設定離焦量為1、光絲間距為0、焊接速度為1.5m/min、送絲速度為1.8m/min、焊接功率為6.0kW時，存在的主要問題是反面焊縫成形不光順，焊縫中間為尖銳的突起。由于激光填絲焊接涉及的焊接參數(shù)較多，故在試驗時每次僅改變1個參數(shù)，根據(jù)試驗結果更改下一個參數(shù)。

試驗首先通過調節(jié)離焦量來改善反面成形，當調至負離焦時發(fā)現(xiàn)反面加強高增加，但為尖銳的突起狀，且正面焊縫下凹。分析試驗結果可知，焊接填充量不足，對此采用增加送絲速度的方式進行改進，焊后發(fā)現(xiàn)正面焊縫成形光順，余高約為 2mm，但反面焊縫成形依舊不光順。結合焊縫坡口形式、送絲速度及焊接速度發(fā)現(xiàn)，此時焊絲的填充已滿足焊縫填充要求，反面焊縫存在尖銳突起的原因在于其功率小，焊縫未鋪展開，對此采用增大功率而保持其他參數(shù)不變的方式進行焊接，焊后發(fā)現(xiàn)反面焊縫成形有明顯的改善。

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)：厚度為6mm的某型特種高強船用鋼拼板縫，在裝配精度良好的條件下，采用功率為6.6kW，送絲速度為2.2m/min、焊接速度為0.96m/min、光絲間距為0、離焦量為7mm的焊接參數(shù)，焊縫正面和反面的成形均良好，能滿足實際生產(chǎn)的要求。

1.2 焊縫跟蹤與視校

高新產(chǎn)品使用的對接拼板間隙非常小，焊縫圖像的處理及焊縫特征點的識別都特別困難。為準確識別焊縫及焊縫的特征點，目前公司采用的焊縫跟蹤設備是高精度、高分辨率的激光視覺傳感器。激光視覺傳感器安裝在KUKA機器人的第6個軸上，在焊接過程中實時拍攝焊縫圖像，并將拍攝到的圖像傳給跟蹤控制器；跟蹤控制器通過圖像處理和特征點提取來確定激光焊槍的位置，并及時進行糾偏。

通過對試驗數(shù)據(jù)的不斷采集，建立激光焊接實時跟蹤系統(tǒng)，達到利用高分辨率的激光跟蹤傳感器對焊接情況進行實時監(jiān)測的效果，實現(xiàn)激光焊接高精度的跟蹤糾偏，保證焊槍左右及高低方向的誤差值在±0.15mm 以內[2]。

1.3 ADAP自適應焊接參數(shù)調節(jié)系統(tǒng)

在實際生產(chǎn)中，采用激光焊接的方式加工鋼板不可能保證完全零間隙，在拼板裝配過程中難免出現(xiàn)焊縫間隙不均勻的情況，而激光焊接參數(shù)對不同間隙板縫的覆蓋能力很差，若在焊接過程中始終采用唯一參數(shù)進行焊接，則無法保證焊接質量。如果該問題不解決，激光焊在船廠的應用將無法實現(xiàn)。

ADAP自適應焊接參數(shù)調節(jié)系統(tǒng)是以激光焊接跟蹤器為基礎，利用激光焊接跟蹤傳感器獲取焊縫實時信息來不斷調節(jié)實時焊接參數(shù)。此時的焊接參數(shù)根據(jù)不同的間隙情況，以最優(yōu)的焊接參數(shù)為基礎建立數(shù)據(jù)庫模型[3]。試驗選用0.2mm、0.4mm、0.6mm和0.8mm等4種間隙進行試驗，通過對4種間隙下的最優(yōu)參數(shù)的選取，建立ADAP自適應系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，具體參數(shù)見表5。

表5 不同間隙焊接參數(shù)優(yōu)選

1.4 大試板樣件試驗

1.4.1 焊前準備

大試板尺寸見圖3，拼板最短的焊縫長度達到3856mm，遠大于小板試樣的180mm，焊接長度增加，熱量增大，前期裝配必增加定位焊，以防止焊接過程中焊接收縮引起的熄弧端板縫間隙增大。因為采用激光焊焊道熔寬較小（約3mm），而采用CO2半自動焊定位焊寬度較大（5～6mm），隨后的激光拼板焊無法覆蓋定位焊，導致定位焊部位成形較差。為降低定位焊帶來的焊縫成形影響，嘗試采取氬弧焊進行定位，雖可有效減小定位尺寸，但在實際生產(chǎn)中有一定的局限性。通過摸索發(fā)現(xiàn)，采用激光焊（連續(xù)焊縫激光焊功率×90%）進行定位焊可獲得焊寬適中、定位長度滿足要求的定位焊，為隨后的連續(xù)拼板縫打下良好基礎。

圖3 大試板尺寸

試驗采用固定壓鐵的方式固定間隙、糾正錯邊。結果發(fā)現(xiàn)，僅采用壓鐵固定可有效固定拼板的間隙，但在糾正拼板裝配產(chǎn)生的錯邊時效果不明顯。觀察現(xiàn)場壓鐵的實際情況發(fā)現(xiàn)，兩排共 32個壓鐵在下壓過程中并不是按照一定的方向下壓的。在這種情況下，若拼板存在錯邊，拼板兩端的壓鐵率先壓下，則無論中間的壓鐵如何下壓，均會導致焊縫中間存在突起錯邊。發(fā)現(xiàn)該問題之后，對現(xiàn)場的壓鐵控制裝置進行改進，使壓鐵沿著一個方向順序下壓，有效控制拼板縫的間隙及錯邊。

1.4.2 試板焊接

根據(jù) ADAP自適應系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，對于板厚為 6mm的某型特種高強船用鋼試板，焊縫間隙在0.2～0.8mm，設置激光功率為6.6kW、送絲速度為4.0m/min、焊接速度為1.2m/min、光絲間距為0、離焦量為7mm的初始工藝參數(shù)進行大試板樣件焊接。

1.4.3 焊后探傷

在焊接結束之后對試板進行外觀檢查，結果顯示：焊縫表面成形均勻且平滑地向母材過渡，無焊瘤和咬邊等表面缺陷。48h之后進行焊縫表面探傷（磁粉探傷 MT）和內部探傷（射線探傷 RT），檢測結果顯示：焊縫表面無磁粉痕跡，焊縫內部無裂紋、未熔合和夾渣等焊接缺陷，符合相關規(guī)定的要求。

對于拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲試驗、硬度測試、焊縫斷面宏觀檢查及顯微組織分析等力學性能測試，取樣位置見圖 4。試樣檢測分析方法、取樣位置及焊接質量驗收標準執(zhí)行中國船級社入籍建造規(guī)范中《材料與焊接》的要求。

圖4 取樣示意圖

1.4.4 試驗結果及分析

力學試驗結果見表6。通過拉伸試樣發(fā)現(xiàn)斷裂位置在母材上，說明焊縫的抗拉強度高于母材；焊接接頭的抗拉強度為 554MPa，高于某型特種高強船用材料機械性能要求的最低抗拉強度（≥530MPa），說明接頭的安全性達到結構設計“等強匹配”的要求；所有橫向彎曲試樣均未出現(xiàn)裂紋、夾渣等開口缺陷，完全滿足規(guī)范要求；試樣的沖擊性能均達到高新產(chǎn)品的使用要求；維氏硬度試驗結果表明，試板硬度值均遠小于要求值360HV。

表6 某型特種高強船用鋼薄板對接工藝試驗結果

分別對試樣的焊縫中心、界外1mm和界外10mm等3處進行沖擊試驗。從試驗結果來看：試樣焊縫中心平均沖擊值達到105J，最低值為84J；熱影響區(qū)平均沖擊值達到52J，最低值為45J，遠高于要求值22.7J，試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，離散性很小。

某型特種高強船用鋼對接焊接頭宏觀形貌見圖 5。由圖 5可知，試板焊縫內部無裂紋、氣孔、夾渣和未熔合等焊接缺陷，焊縫成形美觀，質量達到中國船級社要求。由焊縫宏觀形貌可知，對接焊焊縫成形規(guī)律與堆焊保持一致。隨著焊接速度增大，熔寬減小，下塌趨勢減小，焊縫變得狹長，熱影響區(qū)寬度也逐漸減小。接頭上部區(qū)域熱影響區(qū)較窄，焊縫較寬；中上部區(qū)域熱影響區(qū)變寬，中下部區(qū)域又重新變窄。

激光焊接接頭微觀組織分析：在光學顯微鏡條件下，焊接接頭各部位的微觀金相見圖6。

圖5 某型特種高強船用鋼對接焊接頭宏觀形貌

圖6 某型特種高強船用鋼對接焊接頭高倍金相圖

圖6a)所示的母材組織為塊狀鐵素體+帶狀珠光體，其中帶狀組織為軋制組織。圖6b)所示的不完全相變區(qū)組織為塊狀鐵素體+珠光體類組織，珠光體組織仍顯露出軋制的帶狀，與母材組織相似，具有晶粒尺寸大小不一、組織不均勻的特征。圖 6c)所示的細晶區(qū)組織為細小的鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體組織，兼有少量馬氏體。圖6d)所示的粗晶區(qū)組織為塊狀鐵素體+粒狀貝氏體+馬氏體組織，該晶粒粗大，韌性較差，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。圖 6e)所示的熔合區(qū)組織為鐵素體+貝氏體+馬氏體組織，形態(tài)復雜不規(guī)則，是產(chǎn)生裂紋、脆性破壞的發(fā)源地。圖 6f)所示的焊縫區(qū)組織主要為鐵素體+貝氏體+馬氏體組織，呈柱狀晶，晶粒比較粗大。

2 焊接變形控制對比

激光焊線能量輸入少，焊后殘余應力小，帶來的變形小。傳統(tǒng)的焊接方法通常是采用增大電流的方式來保證焊縫的熔深；而激光焊則是將激光光束匯聚到一個相對較小的點上，使功率密度達到一定的數(shù)量級，該數(shù)量級的入射功率密度可在極短的時間內使加熱區(qū)的金屬氣化，從而在液體熔池中形成一個小孔，稱之為“匙孔”[4]。形成匙孔之后，光束可直接照射到匙孔內部，通過匙孔的傳熱獲得較大的熔深。對比2種焊接方法可發(fā)現(xiàn)：激光焊熱輸入集中在線能量上，對整個焊縫的熱輸入量少；傳統(tǒng)焊接方法則是對整個焊縫增加熱輸入來增大熔深，如此大的熱輸入在4～6mm薄板上進行焊接，變形較大。

通過對激光焊拼板焊后收集的4個點進行平整度測量發(fā)現(xiàn)，激光拼板的焊接變形量在±1mm（傳統(tǒng)焊接變形量在±10mm），無須進行油壓機的重新壓平，可大大節(jié)省校正工時。

3 焊接效率對比

傳統(tǒng)焊接方法與激光焊的焊接速度對比見表7。通過對比前面ADAP自適應焊接系統(tǒng)的焊接參數(shù)可發(fā)現(xiàn)，在焊接速度方面，激光焊的焊速可達到1m/min，是傳統(tǒng)焊接方法焊速的2倍以上。

表7 傳統(tǒng)焊接方法與激光焊焊接速度對比

此外，對于4～6mm厚的鋼板激光焊，可憑借“匙孔”效果實現(xiàn)單面焊雙面成形的效果。單面焊雙面成形可節(jié)省拼板翻身、拼板碳刨清根及最后反面封底焊所需的工時。如上文所述，激光焊焊接變形小，拼板焊后變形的矯正工作量與傳統(tǒng)焊接方法相比減少50%以上。2種工藝矯正時間對比見表8。

表8 傳統(tǒng)焊接工藝與激光焊矯正時間對比 單位：min

4 結 語

1) 激光焊在試驗過程中均以投入實際生產(chǎn)使用為基準，解決實際使用中的可能發(fā)生問題；通過焊縫跟蹤系統(tǒng)和ADAP自適應系統(tǒng)的應用，激光焊已初步具備投入實際生產(chǎn)使用的條件。

2) 與傳統(tǒng)焊接工藝相比，激光焊在控制焊接變形、提高焊接效率等方面優(yōu)勢明顯，使用激光焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接工藝，焊接總體效率可提高50%以上。

3) 經(jīng)過一系列檢測發(fā)現(xiàn)，對于激光焊接質量，不管是焊縫外觀質量還是焊縫內部質量，均能達到高新產(chǎn)品的使用要求。