窄間隙激光焊接鋼板材料研究進展

徐小玉

【摘? 要】窄間隙激光焊因其獨特的優點而在核電安裝、石油化工等領域廣泛應用。論文主要介紹了窄間隙激光焊的分類，分析了窄間隙激光焊工藝參數對熔滴過渡形式、焊縫成形、焊接接頭質量的影響，并對窄間隙激光焊的未來發展進行展望。

【Abstract】Narrow gap laser welding is widely used in nuclear power installation， petrochemical industry and other fields because of its unique advantages. This paper mainly introduces the classification of narrow gap laser welding， analyzes the influence of process parameters of narrow gap laser welding on droplet transfer form， weld seam formation and welding joint quality， and prospects the future development of narrow gap laser welding.

【關鍵詞】窄間隙;激光焊;研究進展

【Keywords】narrow gap; laser welding; research progress

【中圖分類號】TG456.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）09-0175-03

1 引言

窄間隙激光焊接具有熱輸入小、熱變形小、熱影響區小、焊接速度快、接頭質量高等優勢而廣泛應用于艦船制造、機床設備、石油化工、發電設備及航空航天等重大裝備的制造過程中。

2 窄間隙激光焊接的分類

窄間隙激光焊接可分為窄間隙激光自熔焊、窄間隙激光填絲焊、窄間隙激光熱絲焊。與傳統的電弧焊相比，窄間隙激光自熔焊具有熱輸入量小、焊接變形小等優點，由于在焊接過程中無焊絲輸入，對板件的定位、裝配要求高，且無法調節焊縫的組織性能。為了改善窄間隙激光自熔焊的缺點，發展了窄間隙激光填絲焊、窄間隙激光熱絲焊。與窄間隙激光填絲焊相比，窄間隙激光熱絲焊具有更高的焊接效率。

3 焊接工藝參數對熔滴過渡形式的影響

涂丹[1]采用超窄間隙激光填絲焊焊接16mm厚的Q345E鋼板（制造轉向架常用的材料），研究了激光功率、焊接速度、送絲速度、離焦量、光絲間距等焊接工藝參數對熔滴過渡形式的影響。其他工藝參數不變，改變光絲間距（0～2mm），熔滴過渡形式依次為鋪展過渡（光絲間距=0mm）、液橋過渡（光絲間距=1mm）、顆粒過渡（光絲間距=2mm），不同的熔滴過渡形式影響焊縫表面成形質量。改變激光功率（4.0～5.0kW），激光功率為4.0kW時，熔滴過渡形式為鋪展過渡，激光功率為4.5kW時，熔滴過渡形式為液橋過渡，激光功率為5.0kW時，熔滴過渡形式為顆粒過渡。改變焊接速度（0.36～0.72m/min），熔滴過渡形式保持液橋過渡，但熔滴過渡的頻率隨著焊接速度的加快而提升。改變離焦量，影響熔滴熔入焊接熔池的行為，離焦量過小，無法形成穩定連續的熔滴，離焦量過大，降低熱輸入，焊絲不能完全熔化，焊絲端部不能形成熔滴，這些既影響焊縫成形，又降低焊接接頭質量。

4 焊接工藝參數對焊縫成形的影響

李德利[2]采用超窄間隙激光填絲焊焊接Q345E低合金鋼（激光功率5kW，光絲間距1mm，保護氣體氬氣流量10L/min），研究了送絲速度、焊接速度、離焦量等焊接工藝參數對焊縫成形的影響。其他工藝參數一定時，改變送絲速度（分別為3m/min、4m/min、5m/min、6m/min），其對焊縫成形影響的趨勢是：熔池深度隨著送絲速度的加快而增大，熔池寬度隨著送絲速度的加快而減小。焊接速度對焊縫成形的影響是：熔池深度和熔池寬度隨著焊接速度的加快而減小。離焦量對焊縫成形的影響是：熔池深度隨著離焦量的增加而增大，熔池寬度隨著離焦量的增加而減小。一個有趣的現象是：無論送絲速度、焊接速度、離焦量如何變化，送絲速度為4m/min，熔池寬度最小。

5 焊接工藝參數對焊接接頭性能的影響

窄間隙激光焊接中，主要焊接工藝參數有激光功率、離焦量、光絲間距、焊接速度、送絲速度、保護氣體的流量等。表1給出了不同鋼窄間隙激光焊焊接工藝參數，表2給出了采用這些焊接工藝參數的窄間隙激光焊后焊接接頭的力學性能。由表1可以看出，激光功率、離焦量、焊接速度、送絲速度等焊接工藝參數之間有相應的匹配關系。由表2可以看出，在表1焊接工藝參數下，采用窄間隙激光焊焊接后，焊接接頭具有良好的性能。

郭寶超等人采用光纖激光超窄間隙焊接技術實現30mm厚的304LN不銹鋼與Inconel 690材料的對接，拉伸試驗和晶間腐蝕試驗結果表明焊接接頭具有良好的拉伸性能，焊縫具有優異的耐腐蝕性、抗晶間腐蝕能力。朱洪羽等人采用超窄間隙激光填絲焊實現P92鋼與Inconel合金的焊接，力學性能試驗表明，焊接接頭中P92鋼粗晶區的硬度最大，接頭的力學性能高于P92鋼，接頭的沖擊韌性介于P92鋼與Inconel合金之間。章鴻研究了窄間隙激光焊接S275鐵素體鋼，焊接工藝參數（焊接熱輸入、送絲速度、光絲間距、保護氣體輸送模式）對焊接質量影響的規律。依據各工藝參數產生缺陷的危害程度（裂紋>未熔合/飛濺>氣孔），焊接接頭質量影響由大到小依次為焊接熱輸入、光絲間距、保護氣體輸送模式、送絲速度。李濤等人采用窄間隙激光焊實現12mm厚的S355J2N鋼的焊接，研究了焊接接頭的力學性能，其拉伸強度達到歐標EN ISO 4136 Ed 2011標準，彎曲強度達到歐標EN ISO 5173 Ed2010標準，沖擊強度達到歐標EN ISO 9016 Ed 2011標準。汪認等人采用窄間隙激光焊實現16SMA490BW耐候鋼的焊接，進行了焊接接頭的拉伸試驗、彎曲試驗、硬度測試，結果表明焊接接頭具有良好的力學性能（拉伸試樣在母材處斷裂，彎曲試樣彎曲180°未開裂）。徐國建等人采用窄間隙激光焊實現15mm厚的SUS306LN不銹鋼的焊接，焊接接頭拉伸試驗表明試樣斷裂于母材，表面焊接接頭的強度高于母材。楊武雄等人采用超窄間隙激光焊實現了100mmm厚的304不銹鋼的焊接，焊接接頭的強度達到母材的94.3%，拉伸試樣斷裂于焊縫，顯微硬度測試表明焊縫上中下位置的硬度差異較小，分布趨于一致。田書強等人采用超窄間隙光纖激光焊實現16mm厚的9Ni鋼的焊接，其焊縫中心的低溫沖擊功遠大于用于LNG船液罐的9Ni鋼焊縫所需的標準規定。闞曉陽等人采用窄間隙激光填絲焊實現了16mm厚的轉向架用Q345E鋼的焊接，焊接接頭拉伸試樣斷裂于母材，彎曲試樣彎曲180°后未開裂，表明焊接接頭具有良好的力學性能。

6 展望

6.1 焊接過程數值模擬

窄間隙激光焊焊接過程是一個涉及電弧物理、傳質傳熱、冶金和力學行為的復雜過程，隨著計算機和數值模擬技術的快速發展，數值模擬技術已經滲透到航空航天、軍工、能源、交通等研究領域，對熔池現象、焊縫和熱影響區的組織、殘余應力與變形等的模擬分析，對優化工藝過程、提高產品質量和消除安全隱患起著日益重要，甚至不可替代的作用。研究表明在制造業，數值模擬與仿真可以增加材料利用率25%，節約生產成本30%，產品設計至實際投產的時間縮短40%。因此，焊接數值模擬是當今材料加工領域的一個研究熱點。

6.2 窄間隙激光焊復合其他技術

窄間隙激光-MIG復合焊接工藝研究中，激光-電弧復合焊時，兩種熱源共同作用于焊縫區，通過激光與電弧之間的等離子體耦合機制，達到這兩種熱源之間的優勢互補，實現小功率條件下厚板的焊接。外加縱向恒定磁場，華中科技大學朱政武等人采用外加縱向恒定磁場與窄間隙激光-MIG焊相結合的技術研究了316L不銹鋼焊接接頭的組織與疲勞裂紋。這一新技術減小焊縫熱影響區的寬度，細化焊縫組織，降低接頭裂紋擴展的敏感性。

6.3 焊接過程的自動化、智能化、數字化、信息化

將智能控制、神經網絡等應用到焊縫跟蹤控制中，增強非線性系統控制的準確性，為實現焊接自動化、智能化奠定基礎。隨著大數據技術的興起以及物聯網技術、互聯網技術的成熟、推廣應用，為窄間隙激光焊的數字化、信息化發展奠定了基礎。以焊接機器人為核心的柔性智能焊接自動化技術的廣泛應用，焊接專家系統的普及和推廣已經成為國內外焊接智能化發展的重要方向。

【參考文獻】

【1】涂丹.高速列車轉向架構架超窄間隙激光填絲焊熔滴過渡行為研究[J].電焊機，2019，49（3）：79-84.

【2】李德利.送絲機焊接速度對Q345E窄間隙激光填絲焊縫成形的影響[J].電焊機，2018，48（7）：80-84.

【3】田書強，李鑄國，華學明.9Ni鋼超窄間隙光纖激光焊接接頭組織及性能[J].激光與光電子學進展，2017，54（04）：248-255.

【4】張益文，張茂龍，孫志遠，等.50mm厚SA508Gr.3Cl.2鋼超窄間隙激光填絲焊接頭組織與性能[J].中國激光，2017（11）：81-88.

【5】郭寶超，薛松，米大為，等.304LN不銹鋼與Inconel690合金厚板光纖激光超窄間隙焊接的研究[J].裝備機械，2017（02）：16-19.

【6】李濤，朱忠尹，邢艷雙，等.S355J2N鋼窄間隙激光填絲焊接頭力學性能及微觀組織研究[J].電焊機，2018，48（12）：98-103.

【7】汪認，闞曉陽，葉結和，等.SMA490BW耐候鋼窄間隙激光填絲焊接頭組織與性能[J].焊接技術，2017，46（10）：25-28.

【8】徐國建，鐘立明，杭爭翔，等.奧氏體不銹鋼窄間隙激光填絲焊接性能[J].沈陽工業大學學報，2014，36（04）：395-399.