低功率脈沖激光誘導電弧復合仰焊工藝適應性研究*

0 前 言

近年來， 伴隨著中國工業化的快速發展， 對石油、 天然氣等能源的需求與日俱增， 管道運輸在西氣東輸等工程中獲得了廣泛的應用。 其中，管道焊接技術成為影響施工效率、 經濟效益以及工程質量安全的關鍵性因素

。 由于管道野外施工實地條件的限制， 全位置自動化焊接技術的需求越發迫切。 仰焊位置是全位置焊接操作中難度最大的位置， 熔池受重力顯著影響， 存在下墜現象， 冷卻速度較慢， 易造成背部焊縫凹陷、 未熔合、 正面焊縫起脊、 咬邊等焊接缺陷

。

目前， 國內外科研工作者針對管道全位置焊接工藝提出的建議可歸納為兩種： 一種是熔池快速凝固， 即減小熱輸入、 加快冷卻， 抑制熔池金屬流淌， 包括短路過渡

、 STT 根焊

等； 另一種是熔池穩定成形， 即通過其他作用力來減小重力的影響， 使熔池受力平衡， 促進焊縫的穩定成形， 包括外加磁場

、 旋轉電弧

、 電渦流力

等。 但是， 現有工藝尚無法完全解決重力對熔池形態影響的問題， 進行工程推廣使用比較困難

。 激光-電弧復合焊技術作為當前一種高效優質的焊接新技術， 具有高速、 高效、 高穩定性、 低變形、 易控制焊縫成形與接頭性能、 接頭間隙橋接能力強等技術優勢， 具有廣闊的工程應用前景

。 德國VIETZ 公司、 美國EWI、英國焊接研究所等都相繼開展了大功率激光-電弧全位置復合根焊焊接試驗研究， 發現復合焊接可以大幅增加焊縫坡口鈍邊尺寸和焊縫熔深，獲得更高的焊接質量、 焊接效率與接頭性能

。國內中石油管道局模擬管道全位置焊接的5 個特征點， 包括平焊、 立焊、 斜向上焊、 斜向下焊和仰焊等， 對X80 鋼對接焊縫的激光- MAG 復合根焊焊接技術進行研究， 結果發現鈍邊為8 mm厚時依舊可以在根部獲得良好的焊縫成形

。管道野外焊接施工條件復雜， 坡口加工和裝配精度對自動化焊接技術的工藝參數適應性提出了嚴格要求， 但目前關于管道自動化焊接工藝適應性的研究鮮有報道。

低功率激光誘導電弧復合焊接技術是一種以電弧為主、 激光輔助的低能耗高效焊接技術， 利用激光對電弧的誘導和壓縮作用， 能夠有效調控焊接熔池受力狀態進而改善焊縫成形

。 本研究以X70 管線鋼為研究對象， 重點開展低功率激光誘導電弧復合仰焊焊縫成形行為及工藝適應性研究， 為管道自動化焊接技術及裝備開發提供支撐。

1 試驗條件

本試驗選用厚度為4 mm 的X70 管線鋼鋼板作為焊接母材， 尺寸為300 mm×100 mm×4 mm。填充焊絲采用直徑1 mm 的ER70S-G 氣體保護焊絲， 屬于Si-Mn-Ti 合金系焊絲。 待焊母材與填充焊絲中的S、 P 等雜質含量極少， 母材及焊絲化學成分見表1。

本試驗中， 采用焊接設備為熊谷DPS-500A型MAG 焊機， Trupulse 556 型旁軸式低功率YAG 脈沖激光器以及FANUC 六軸焊接工業機器人， 三者共同構成激光誘導熔化極活性氣體保護焊（MAG） 復合仰焊平臺， 如圖1 所示。

在焊接過程中， 使焊槍向上垂直于待焊試樣表面， MAG 電弧焊槍與YAG 激光束成45°夾角；采用激光在前、 電弧在后的方式， 由低功率激光誘導電弧完成焊接， 焊接裝置如圖2 所示。

對比兩種熱源模式下的試件， 發現在同樣實現全熔透時， 加入脈沖激光可以適當降低所需電流參數， 并且在電流較大時， 能有效抑制背面焊縫內凹， 使得試樣能適應更高的熱輸入。 當單MAG 電流參數為200 A 時， 焊縫未熔透； 而電流參數為220 A 時， 焊縫背面出現嚴重內凹。 可以得出， 單MAG 電弧熱源的電弧電流理想參數為210 A， 且參數敏感， 對參數調控精度要求較高， 適應性較差。 而復合熱源中， 由于低功率脈沖激光與電弧的耦合作用， 使得理想電弧電流的參數區間為180 ～230 A， 如圖6 所示。

書法教育需要薪火相傳。在書法教育的師資力量的培養中，更需要與時俱進地培養書法教育的創新型人才，不斷引入“活水”，引導書法教育走向嶄新的教育天地。在對書法的師資培養中，要注重從師范教育入手，夯實師范教育。從幼兒教師的書法培訓作為起點，不斷推進小學教師的師資培養，都要與時俱進地進行相關的師資培訓，努力將教師的書法水平，提高到嶄新的階段。在師資培養中，注重“老、中、青三代的傳遞式”的師資培養模式，不斷引導青年教師繼承先進的教育理念，實現創新。

從不同激光參數下的復合焊接試樣中取樣，進行背彎試驗， 彎曲性能試驗結果如圖9 所示。 由圖9 可知， 由于存在熔池塌陷等缺陷，激光峰值功率為5 kW 時接頭的最大彎曲載荷明顯低于其余激光參數得到的試樣； 激光參數不穩定區間臨界值4 kW 對應接頭的最大彎曲載荷為7 778 N， 相比于無內凹試樣的平均最大彎曲載荷8 060 N， 數值較小。

顧盼要陪她，她不肯。明知道羅漠不會來，素不相識的一個ID，隨口說出的一個玩笑，誰會當真呢。可她還是來了，傻傻地等，她忍不住想，羅漠總是和別人不同的，他那么深情，那么獨特，他可以代替死去的女友看韓劇，也許也可以陪一個陌生的女孩看月亮。

I——焊接電流；

相比于單MAG 焊接， 由于電弧在復合焊過程中對試件進行預熱， 降低了材料對激光反射，因此激光熱源效率取值0.7， MAG 電弧熱源效率取值0.8

。

因瀝青公路易受雨水侵蝕，所以需積極加強對其防護，在鋪設完成之后，施工技術人員需反復用瀝青及時地在公路兩側進行涂刷，想要達到較好的防雨效果，一般需涂刷3遍以上，不然容易造成塌陷的發生。施工技術人員為了保證公路排水性能，需建造防水性能非常好的盲溝，按照實際情況進行，可對其起到很好的防護作用。不僅如此，為了防止公路路面受到雨水對其侵蝕，進一步提升防水性能，可在公路兩旁種植植物。

焊后觀察記錄仰焊接頭雙面焊縫宏觀形貌，并沿垂直于焊縫方向截取金相試樣， 經打磨、 拋光后， 用4%硝酸酒精溶液腐蝕， 采用MEF-3型光學顯微鏡觀察焊接接頭橫截面宏觀形貌與顯微組織； 分別采用DNS-300 和CSS-44100 電子萬能試驗機進行拉伸試驗和彎曲試驗， 力學性能測試標準為GB/T 2651—2008 《焊接接頭拉伸試驗方法》 和GB/T 2653—2008 《焊接接頭彎曲試驗方法》， 拉伸與彎曲試樣具體尺寸分別如圖3和圖4 所示。

設定仰焊背面焊縫的內凹/余高程度評價指標(R

)， 如圖5

所示， 將焊縫母材背面作為基準面， 當R

> 0 時， 背面焊縫高于該平面，以余高的形式呈現； 當R

< 0 時， 背面焊縫低于該平面， 以內凹的形式呈現； R

的絕對值越大， 背面焊縫自由成形的余高或內凹程度隨之提高。

2 試驗結果與分析

2.1 低功率脈沖激光對仰焊工藝適應性的影響

在對接焊縫仰焊試驗中， 保持焊接速度為720 mm/min， 單MAG 熱源與激光誘導電弧復合熱源采用不同電弧參數得到的背面形貌與橫截面形貌見表3， 對比得出不同焊接熱源模式下仰焊對接焊縫背部成形的變化規律。

大量研究表明， 當MAG 電弧電流為210 A時， 即焊接熱輸入為336 J/mm 時， 可以獲得焊縫背面全熔透成形， 背部余高為0.14 mm。 但是MAG 焊接參數較為敏感， 當電弧電流減少到200 A時， 即熱輸入為320 J/mm 時， 背部焊縫成形不連續， 熱輸入不足， 易出現未焊透缺陷。 當增加電弧電流至220 A 時， 即熱輸入為352 J/mm 時， 由于熱輸入過大， 使得焊縫單位長度上焊絲與母材的熔融金屬總量增多， 導致仰焊熔池體積與質量增大， 且當前參數下電弧無法對熔池進行有效支撐， 背部易出現內凹缺陷， 焊縫正面則相應產生咬邊， 背部內凹深度為0.19 mm。

在已知單MAG 工藝參數的基礎上， 引入低功率脈沖激光與MAG 電弧復合。 由表2 和表3 可知， 當電弧電流為210 A、 脈沖激光平均功率為528 W 時， 熱輸入為367 J/mm， 試件的對接仰焊焊縫背面實現了全熔透成形； 并且相較于單MAG電弧熱源， 復合熱源得到更大的背部余高。 當電弧電流為180 A、 脈沖激光平均功率為528 W、 熱輸入為318 J/mm， 以及電弧電流為230 A、 脈沖激光平均功率為198 W、 熱輸入為380 J/mm 時，均可獲得良好熔透成形的仰焊焊縫， 復合焊背部平均余高為0.32 mm。

2.4.2 彎曲試驗

選取我院心臟外科2016年6月～2017年6月留置尿管7天以內的患者100例。其中男55例，女45例，年齡21～60歲，先心病30例，瓣膜病40例，冠心病30例，采用隨機分原則分為觀察組與對照組，各50例。兩組患者在一般臨床資料比較均無明顯差異；差異無統計學意義（P＞0.05）。見表1。

某發電公司現有2臺145MW國產循環流化床直接空冷燃煤發電機組，鍋爐為東方鍋爐廠生產的480t/h超高壓一次中間再熱CFB鍋爐，雖然循環流化床鍋爐具有煤種適應性廣、運行穩定性高、脫硫效率高等優點，但是鍋爐風機耗電率高，致使機組廠用電率偏高是影響循環流化床機組經濟性的首要因素。同時，汽輪機采用空冷技術雖然在節水方面無可比擬，但是由于機組背壓偏高，而且背壓受環境溫度影響較大，機組汽耗率、供電煤耗率、廠用電率均高于濕冷機組。

相比于單一電弧熱源， 在焊接時加入低功率脈沖激光有助于提高針對錯邊的焊接工藝適應性， 在熱輸入增大時， 抑制內凹缺陷的產生， 拓寬電弧電流工藝參數區間， 增加背部余高， 改善仰焊對接焊縫雙面自由成形。

2.2 激光熱源參數對焊縫成形的影響

表4 顯示了低功率脈沖激光誘導電弧復合仰焊過程中， 不同激光功率對仰焊接頭焊縫成形的影響規律。 在激光焊接工藝中， 熔深的調控與激光能量密切相關

。 相比于其他參數， 激光脈沖峰值功率在焊接過程中可以快速調整， 便于實現管道全位置自動化焊接的動態調控。 因此， 在電弧電流210 A、 焊接速度720 mm/min時， 保持其余參數不變， 選取6 組不同的激光峰值功率， 進行對比試驗， 觀察其仰焊接頭焊縫成形行為。

在電弧電流等參數固定的前提下， 引入低功率脈沖激光與電弧進行復合作用。 當激光峰值功率為3 kW 時， 仰焊接頭焊縫成形得到改善， 背面余高增大。 進一步提高激光峰值功率至4 kW 時， 焊縫背面開始出現內凹缺陷， 正面產生咬邊缺陷。 隨著激光峰值功率的持續升高， 背部焊縫的內凹缺陷越發顯著， 直至激光功率接近5 kW 時， 熔池產生塌陷。 繼續增強激光峰值功率， 熔池塌陷隨之減少， 繼而轉變為內凹缺陷， 當功率達到5.5 kW 時， 內凹缺陷漸漸消失。 當激光峰值功率為6～8 kW 時，復合仰焊焊縫成形良好， 可獲得理想的焊縫背部余高。 上述分析表明， 4～6 kW 為激光參數成形不穩定區間， 3～4 kW 和6～8 kW 為激光參數成形穩定區間， 4 kW 與6 kW 兩個參數為區間臨界值。 當電弧參數一定時， 改變激光峰值功率， 對熔池穩定性影響顯著， 進而改變焊縫形貌。

2.3 工件錯邊對焊縫成形的影響

在實際工程中， 板材對接裝配難以避免出現錯邊問題， 表5 給出了不同錯邊量條件下兩種焊接熱源所獲得的焊縫形貌。 由表5 可知， 當錯邊為0～0.5 mm 時， 激光電弧復合熱源相比于單電弧熱源， 能抑制背面焊縫內凹， 增加余高， 改善焊縫形貌。 當錯邊為1～2 mm 時， 隨著錯邊量的增加， 需要大幅提高單電弧電流參數以保證熔透， 大電流導致焊縫底部位置往錯邊一側發生明顯錯位， 且熔池體積增大， 錯邊接頭的高位側無法對受重力及電弧力作用的液態金屬提供有效支撐， 導致液態金屬下淌趨勢加強。 加入低功率脈沖激光， 可以提高電弧熱源能量密度， 降低所需的電流參數， 大大降低熱輸入過大而帶來的熔池塌陷的風險， 激光對于電弧參數的降低效果隨著錯邊量的增大愈發顯著。

2.4 激光參數對焊接接頭力學性能的影響

從不同激光參數下的復合焊接試樣中取樣，分別進行拉伸與背彎力學性能試驗， 探究脈沖激光峰值功率的改變以及有無內凹缺陷對仰焊接頭力學性能的影響。

2.4.1 拉伸試驗

本文設計HPPA對進出庫復合作業路徑問題進行求解。首先，在PPA中融入GA的交叉算子，通過交叉的方式不斷產生新解，避免算法過早收斂;其次，為降低k-opt交換方法的復雜度，通過將固定邊界的復雜交換轉換為固定邊界的隨機亂序，在保證全局搜索能力的同時簡化算法過程。算法流程如圖5所示。

從不同激光參數下的復合焊接接頭中取樣，進行拉伸性能試驗， 試驗結果如圖7 所示。 由圖7 可知， 激光參數不穩定區間 （5 kW） 中，產生熔池塌陷的試樣的抗拉強度為561 MPa，與其余參數所對應的焊接接頭之間存在顯著差距， 明顯低于母材的平均抗拉強度 （671 MPa），而激光參數不穩定區間臨界值 （4 kW） 對應的試樣， 雖然焊縫存在一定內凹缺陷， 其抗拉強度為659 MPa， 略低于其余試樣。

圖8 顯示了不同激光峰值功率試樣的拉伸斷裂位置， 單MAG 仰焊接頭斷裂于熱影響區， 除了存在嚴重缺陷的復合仰焊接頭斷裂于焊縫位置外， 其余所有復合仰焊接頭均斷裂于熱影響區。經計算得到激光參數穩定區間對應的接頭試樣的平均抗拉強度為673 MPa。 拉伸試驗結果表明，無論復合熱源仰焊焊接接頭試樣是否存在內凹，均具備與母材相當的拉伸強度。

工作上，遇到難題要想辦法解決；生活上，孩子哭了要想辦法逗樂；父母面前，需要你照顧的時候要想盡辦法有求必應。你不能在孩子嚎啕大哭的時候，跟著孩子一起哭，更不能在父母需要你的時候，喪氣落淚。

本試驗設計中， 對接板材裝配間隙為1 mm，MAG 焊絲與YAG 激光束在試件表面焦點距離為1 mm， 離焦量為0， MAG 焊槍導電嘴至焊件表面之間的焊絲干伸長為14 mm， 保護氣體使用82%Ar 和18%CO

的富氬混合氣體， 保護氣流量為25 L/min。

S——激光作用面積；

2.5 低功率脈沖激光誘導電弧仰焊熔池受力分析

在復合仰焊過程中， 對焊縫背面瞬時熔池進行受力分析， 如圖11 所示。 豎直方向上熔池主要受電弧壓力P

， 熔池金屬重力F

， 上下兩個表面分別產生的表面張力P

、 P

， 熔池壁對熔池的粘滯力F

及激光的燒蝕壓強P

共同作用

。仰焊位置的主要不利因素為重力F

， 熔池存在向下淌的顯著趨勢， 依靠電弧與激光的向上分力進行抵消。

式中： P

——上下表面張力P

、 P

的合力；

選取兩個試樣的背彎曲線， 對比有無內凹缺陷的兩種復合仰焊接頭， 如圖10 所示。 從圖10可以看出， 當彎曲角度接近180°時， 存在內凹的復合仰焊試樣在表面產生彎曲裂紋， 而無內凹試樣表面則呈現光亮色澤， 未發現彎曲裂紋等缺陷。 背彎曲線表明， 兩種彎曲試樣的彎曲載荷隨時間的延長而持續增大， 共分為三個階段： 前期為快速上升階段， 時間最短， 曲線斜率最大； 中期為平緩上升階段， 消耗時間最長， 上升趨勢較為緩慢； 后期為持續攀升階段， 上升趨勢再度增大， 持續靠近彎曲載荷最大值。 有內凹試樣在持續攀升階段， 上升趨勢明顯更陡， 比無內凹試樣更快到達最大彎曲載荷， 但其數值較小， 會降低復合仰焊焊接接頭的最大彎曲載荷。

（6）嚴重的皮膚黏膜病變：阿昔洛韋10 mg/kg，每8小時1次，靜脈滴注，病情穩定后伐昔洛韋1 g，3次/d，口服，直到所有病變消失。

μ——常數；

試驗選用激光器脈沖持續時間為3 ms， 脈沖頻率為22 Hz， 焊機電壓為24 V。 本研究在前期獲得單電弧熱源參數區間的基礎上， 進一步通過靈活調控激光功率， 得到復合熱源的電弧參數區間進行對比。 同時保持電弧電流不變， 探究不同激光參數對復合熱源工藝適應性的提升。 主要的焊接試驗參數見表2， 其中P 為激光平均功率，P

為激光峰值功率， v 為焊接速度， I 為電流，Q 為熱輸入。

R——熔池曲率半徑。

激光燒蝕壓強與激光能流密度成正比

，能流密度=能量密度 （激光功率除以光斑面積，W/cm

） ×波速， 因此激光功率越大， 燒蝕壓強越高。 由于離焦量一定， S 為固定常數。

結合實際的改擴建施工方案，對交通量和現有的通行現狀進行調差，充分考慮施工單位的實際需求以及道路使用者的實際需求，確定最終的交通組織總方案。根據交通組織原則，在對施工過程進行管理的過程中，應綜合考慮實際交通量大小及項目工程的具體情況，以降低對交通安全影響為目標，確定最為合理的改擴建施工方案。

熔池所受重力大小主要由熔池體積決定。 由公式（2）可知， 只有5 個力平衡時， 仰焊熔池才能保持穩定， 得到成形良好的背面焊縫。 傳統的單MAG 熱源能量密度較低， 穿透力不足； 為保證充分熔透， 采用的熱輸入量較大， 導致熔池體積偏大， 熔池中的熔融金屬極易向重力方向流動， 導致焊縫背面填充金屬不足， 從而易產生內凹缺陷

。 復合熱源中激光的作用就是利用其穿透能力強、 變形小等特點， 保證焊縫的熔透， 并且提供激光壓力抵消重力， 抑制內凹缺陷， 改善成形。 試驗結果表明， 復合熱源中激光誘導電弧集中， 在電弧電流較小（試樣d） 時保證熔透充分， 同時顯著減小熔池體積， 進而減小熔池重力F

； 在電弧電流較大 （試樣f） 時， 激光熱源產生燒蝕壓強P

， 提供向上沖擊力的增量大于熔池重力的增長， 進而有效抑制背面焊縫金屬冷凝過程中內凹缺陷的產生， 為激光的加入提高工藝適應性提供有力依據。 當存在錯邊時， 接頭背部熔池受支撐不平衡， 更易產生內凹， 復合熱源中激光穿透性強， 燒蝕壓強P

作用于背部熔池進而改善形貌、 增加背面余高； 當錯邊過大時， 熔透困難， 所需電弧電流大大增加， 加入激光耦合電弧有助于減小電流， 降低熱輸入過大所造成的熔池塌陷風險， 使焊接過程中對于錯邊的有更強的適應能力與穩定性。 熔池瞬時橫截面積越大， 其曲率半徑R 越大。 由公式 （3） 可知， 熔池曲率半徑越大， 電弧壓力P

越小， 熔池重力F

顯著增大。 因而， 保持電弧參數不變， 逐步提高激光功率， 激光燒蝕壓強P

增大； 熱輸入增大， 熔池體積增加， 導致電弧壓力P

減小， 熔池重力F

增大。 由于P

·S + P

向上合力的增長速度與F

不利因素的增長速度不匹配， 產生了激光參數成形不穩定區間， 所以單獨調控激光功率能對焊縫成形產生顯著影響。

有研究表明術前長時間禁食并不能降低術后并發癥的發生，反而會引起胰島素抵抗和饑渴、焦慮等不適。美國及歐洲麻醉學會均推薦術前6 h自由進食，術前2 h飲清水或術前2～3 h口服含碳水化合物的飲品，此舉有利于應對手術應激，減少手術及饑餓引起的胰島素抵抗，減少患者術前饑渴及焦慮，減少術后氮及蛋白質的丟失，更好地維持瘦肉質群及肌肉強度，縮短住院時間[1]。所以對術前無胃腸動力障礙或腸梗阻等的患者，術前禁高脂高蛋白食物8 h，禁固體食物6 h，禁飲清流質2 h并不會增加術后并發癥[12]。但肥胖及糖尿病患者缺乏相關證據支持。

3 結 論

（1） 采用MAG 電弧熱源得到的X70 管線鋼仰焊優化參數為電弧電流210 A、 焊接速度720 mm/min； 采用低功率激光誘導電弧復合焊接熱源， 在相同焊接速度和激光功率下， 電弧電流優化區間為180～230 A， 可顯著提高仰焊工藝參數適應性。

（2） 采用激光誘導電弧復合熱源， 當電弧電流為210 A、 焊接速度為720 mm/min 時， 激光參數變化對焊縫成形影響顯著； 4～6 kW 為激光參數成形不穩定區間， 焊縫成形較差； 3～4 kW和6～8 kW 為激光參數成形穩定區間， 焊縫正背面成形良好。

（3） 當裝配錯邊量為0～0.5 mm 時， 復合熱源可以抑制焊縫背面內凹， 改善焊縫形貌； 當裝配錯邊量為1～2 mm 時， 有助于減小電流， 降低熔池塌陷的風險， 提高錯邊條件下的成形穩定性。 錯邊量越高， 改善效果越顯著。

（4） 對不同激光參數條件下， 存在內凹與無缺陷的復合仰焊焊接接頭平均抗拉強度分別為659 MPa 和673 MPa， 與母材平均抗拉強度一致， 表明仰焊接頭具有良好的抗拉強度。 在彎曲試驗中， 當彎曲角度接近180°時， 無缺陷試樣的最大彎曲載荷為8 060 N； 背面存在內凹的彎曲試樣以更大速率達到最大彎曲載荷， 其最大彎曲載荷為7 778 N， 相對削弱了其彎曲性能。

（5） 激光誘導電弧熱源中激光提供了豎直向上的激光沖擊力， 且能量密度高、 穿透性強， 在電弧參數減小時增加熔透， 電弧參數增大時抵消重力。 因此， 加入激光有助于拓展焊接參數適應性區間， 提高工藝適應性與穩定性。

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