中厚钢板高功率激光焊接加工解析

 商用高功率激光器的呈现和不时开展，使高功率激光焊接技术失掉了深化的研讨和开展。高功率激光在中厚板的焊接加工制造上展示出高速、单道熔透、高质量接头、低变形等优点，失掉了工业界越来越多的关注，将来将在船舶制造、飞机制造、钢铁消费等严重设备制造、动力等工业范畴失掉打破使用，促进焊接消费效率和质量的进步。

激光使用于焊接始于上世纪60年代，自70年代以来，随着激光器输入功率的添加和光束质量的进步，具有大深宽比特点的激光深熔焊接失掉了疾速开展。作爲先进焊接技术，激光焊接技术近年来在工业制造中失掉越来越普遍的使用，比方汽车制造业、航空航天等范畴。目前的使用次要集中在薄板或熔深要求较小的场所。由于激光焊接的突出优点，关于更厚资料的激光焊接，国外东方国度已展开了相应的研讨，国际目前展开了些零星的研讨任务。

爲了能焊接更厚的资料，往往需求更高功率的激光。高功率激光焊接具有一次熔深大、深宽比大、焊接速度快、热输出量低、变形小等特点。高功率激光焊接更多地被使用于中型和重型工业的消费制造中，如船舶、核电、钢铁、动力、油气管道等。

关于工业制造中触及的板材，不同工业范畴、不同资料对板厚的划分实践上有所不同。我们在此粗略地把板厚在6～20mm之间的板材称爲中厚板，板厚在20mm以上的则称爲厚板。采用激光焊接的中厚板焊缝通常具有长度长、外形规则、低变形要求等特点。

高功率激光焊接技术

1 高功率激光器及其功率

要停止高功率激光焊接自然首先需求有高功率激光。通常我们把输入功率在1kW以上的激光称爲高功率激光。当然，激光类型不同，其高功率的界线实践上会有所不同。自上世纪90年代以来，激光技术有了疾速开展，商用激光器的输入功率不时进步，从而使高功率激光焊接得以完成。

在现有的激光器类型中，二氧化碳（CO2）激光器和固体激光器是目前次要的2种高功率激光器。

CO2激光器爲气体激光器，以He:N2:CO2混合气体爲激光任务气体，经过对CO2分子的鼓励而收回激光，激光波长爲10.6μm。由于气体介质在谐振腔内的散布平均性好，所以容易取得近衍射极限的高斯光束。CO2激光器依照构造可细分爲多品种型，其中疾速轴流型、横流型和分散冷却型是市场上高功率CO2激光器的三大类型。这其中又以分散冷却型的可达激光束质量最高，以疾速轴流型的输入功率最高（可达20kW以上）。

市场上高功率的固体激光器次要有3类，即Nd:YAG激光、光纤激光和半导体激光，它们输入激光的波长均在1μm左右。半导体激光因受限于其任务机理而只能取得光束质量较差的激光，即激光的发散角大、方向性差。所以半导体激光次要用于堆焊（外表熔敷）、钎焊和浅熔深焊接。Nd:YAG激光的最大输入功率已达6kW。在其根底上开展起来的盘片式激光器输入功率可达8kW，电光转换效率达20%以上。光纤激光是近几年来失掉疾速开展的固体激光器，其激光器构造共同并且创新。光纤激光以双包层光纤爲谐振腔，以二极管激光爲泵浦源，其多模形态下可输入激光功率达25kW以上的高质量光束。因构造紧凑、维护复杂、运转牢靠，已表现出良好的使用势头，在相当多的范畴正在逐渐替代传统的Nd:YAG激光和CO2激光器。

2 次要激光焊接加工技术

目前，罕见的激光焊接技术，即纯激光焊接、激光填丝焊接和激光电弧复合焊接，也是高功率激光焊接的次要焊接技术办法。

纯激光焊接时因没有填充金属，对焊接件接头间隙有相当高的要求，要求间隙小、防止大的错边，所以厚板单道激光对接焊时普通较少采用纯激光焊，以防止呈现过大的焊缝外表凹陷。激光填丝焊则因填充金属参加而使其对间隙有一定的容忍度。激光电弧复合焊，这里普通指激光-熔化极电弧复合焊，则由于熔化极的高效率熔化而进一步进步了间隙容忍度。同时电弧热源的参加，使焊接进程热循环的变化更丰厚。图1显示的是这3种高功率激光焊接技术的原理和典型焊接接头横截面外形。其中所给的激光电弧复合焊原理表示图中电弧是旁轴式的，通常还会有同轴复合方式。从图中焊缝横截面外形上可以发现，纯激光和激光填丝焊的焊缝截面外形是相近的，而激光电弧复合焊的焊缝横截面外形结合了熔化极电弧焊和激光深熔焊的熔深特征，其上部爲熔化极电弧构成的上宽下窄的倒三角熔深，下半部爲激光束构成的窄而深的熔化区。


有研讨对埋弧焊、激光填丝焊和激光电弧复合焊在焊接速度、一次可焊厚度、间隙容忍度、变形、金相和疲劳功能等方面停止了比拟。研讨标明，激光电弧复合焊具有最优的综合功能，即其焊接速度最高、接头疲劳功能最优，一次可焊板厚大于埋弧焊，并与纯激光焊接相反；焊接变形比埋弧焊小一个数量级，与激光填丝焊的接近；其间隙容忍度介于激光填丝和埋弧焊之间。由此可以看到，激光电弧复合焊既有高的焊接消费率又有较高的间隙容忍度，是中厚板和厚板激光焊接的优选焊接办法。

中厚板的激光焊接

中厚板在多个工业范畴失掉运用，如船舶制造、石油自然气保送、大型配备制造等。中厚板的激光焊接国际外已展开了不少任务（图2）。


1 船用钢

我国船舶工业近年来的飞速开展曾经惹起了日韩的充沛警惕，在其制定的战略目的中都有针对将来中国船舶工业开展的相应对策措施。在这样一种态势下，我国船舶工业现实上已开端进入与日、韩展停战略性对立竞争的阶段。虽然我国目前已是造船大国，和日韩一同位于世界造船三甲，但我国船舶制造程度与日韩的差距依然很大，大致相当于上世纪90年代初的世界程度。我国要想成爲造船强国，则必需进一步疾速进步本身的船舶制造技术程度。国度已要求造船企业经过引进消化，重点进步模块化舾装、焊接、切割等船舶建造关键技术程度和古代化造船消费管理技术，尽快到达现有国际先进程度。焊接技术是造船的关键技术之一，普通焊接工序所耗工时约占船体建造总工时的30%～40%，焊接本钱约占船体建造总本钱的30%～50%。因而，先进的船舶高效焊接技术对进步船舶的建造效率、降低船舶建形成本、进步船舶建造质量以及进步企业经济效益起着很大的作用。鉴于激光焊接的先进性和高效性，欧美国度率先展开了船舶资料的激光焊接研讨并取得了使用。近几年我国也对此展开了相应的研讨。

在船舶制造中会触及多种钢材，如CCS-B、A36、AH32等低碳构造钢，E、E36、10CrNiMnMo等低合金钢/微合金化钢/高强钢以及不锈钢等。依据德国船级社的一个关于船用板CO2激光焊接的指点文件，关于船舶构造钢的化学成分，即碳含量、硫磷杂质含量等提出了建议性要求，通常要求构造钢的碳含量≤0.12%，硫磷杂质含量应辨别小于0.005%和0.01%。但是我国不少船用构造钢的硫磷杂质含量往往绝对偏高，鉴于资料现状，上海交通大学激光制造实验室于2005年起展开了多种国际船用钢中厚板板的激光焊接研讨。

应用最大输入功率达15kW的高功率CO2激光，先采用激光填丝焊接（LWW）技术完成了8mm SUS304不锈钢、8mmCCS-B钢、10mm CCS-A36钢和12mm 10CrNiMnMo钢的对接焊以及8mm不锈钢板的单边熔透角焊。运用的激光功率根本都在8kW以上。接头功能测试（图3）标明，构造钢和低合金高强钢的接头焊缝区因马氏体的呈现使其硬度最大，普通爲HV300以上，低合金高强钢甚至可达HV360以上。可见焊缝强度必定分明高于母材。接头的拉伸功能显示焊接接头与母材是等强的，试样的拉伸断裂均发作在母材侧。对8mmCCS-B钢激光填丝焊焊缝停止的室温Charpy缺口冲击实验标明，焊缝冲击功能不低于母材。在经过工艺优化，适当降低焊接速度和激光功率，使焊缝金相组织失掉优化，马氏体成分增加，焊缝硬度值降低，冲击韧性有所进步。

采用激光－MIG电弧复合焊接办法完成了8mm SUS304不锈钢、8mm CCS-B钢、10mm CCS-A36钢、15mm 10CrNiMnMo钢和16mm E级钢的对接和/或角接。焊接接头质量良好。



2 船用铝合金

随着对某些船体减重的需求，铝合金资料在船体中失掉了使用。船用铝合金5083H是目前在船体制造中运用较多的一种铝合金。将激光焊接使用在此类铝合金资料异样具有积极的作用。由于铝合金对激光有高发射率，尤其是CO2激光，所以激光焊接铝合金时往往要求高的光斑功率密度。采取电弧辅佐热源，对激光后方的焊接区域停止预热，可以进步资料对激光的吸收。激光与电弧复合焊时电弧可以在激光的后面，也可以在其前面。爲防止入射到工件外表的激光被反射后按原路前往到激光器谐振腔，在实践焊接时将激光束绝对工件外表法线做巨大角度的偏离。实验中采取激光在前、电弧在后的复合热源陈列方式。经过实验研讨和工艺优化，完成了6mm和10mm铝合金5083H的单道激光电弧复合焊接，焊接速度达2m/min以上，焊缝深宽比达1以上，焊接接头质量契合要求，接头强度和180°弯曲功能与母材相当或相等。

3 管线钢

爲顺应我国经济开展的需求，石油自然气的需求量大大添加，因而，石油自然气保送管线的铺设已成爲其次要决议要素。管线钢的焊接成爲必定要触及的成绩。采用惯例焊接办法曾经能完成管线钢的焊接。但爲了进步焊接效率和接头质量，国外展开了管线钢的激光焊接研讨，研讨激光焊接热循环条件下接头的组织功能变化、接头焊接缺陷状况等。激光制造实验室应用15kW的CO2激光功率一次焊透15mm厚的管线钢X52和X70。焊接进程波动，焊接速度达0.6m/min，接头无分明焊接缺陷，接头焊缝处和热影响区的冲击韧性与母材相近，甚至还有超越。激光-电弧复合焊可以有更多的能够来优化工艺，其实践顺应性更佳，所以管线钢的激克复合焊方面的研讨任务将持续进一步展开。

4 哈氏合金

在化工、钢铁等范畴存在着具有一定温度的较强腐蚀性环境，许多关键部件或安装需求在该环境下任务，如煤化工中的醋酸消费中的反响容器。爲了使相应配备具有优秀的耐腐蚀性，哈氏合金（Hastelloy）失掉了开发和使用。哈氏合金是一种镍基合金，铬、钼等爲次要合金元素。在汽车镀锌钢板消费中的镀锌进程需求导电辊，导电辊与一定温度的锌液接触并构成电极。爲此要求导电辊表面面具有优异的耐腐蚀功能和低温波动性。由此哈氏合金C22被使用到了导电辊的外套制造上。

作爲镍基合金，哈氏合金具有和不锈钢相似的焊接性。钨极氩弧焊、手弧焊、等离子焊、电子束焊、激光焊等焊接办法均可采用。哈氏合金具有低热传导系数、高线性收缩系数和熔池液态金属的高粘度等特点，焊接进程中需防止高热输出量。

采用激光焊接加工具有热输出量小、熔池活动才能强、熔深大等优点。经过采用合理的激光功率和线能量，成功完成了10mm厚的哈氏合金C22纯激光单道焊接。接头成形良好，无微观气孔、裂纹等缺陷。经过固溶处置，焊接接头区域具有优秀的耐腐蚀功能。国际自主研制的哈氏合金筒已使用到导电辊上并在实践镀锌钢板的消费中失掉了考核，耐腐蚀功能优于出口部件。

5 国外研发状况

欧美国度和日本在上世纪末、本世纪初停止了中厚板的激光焊接技术研讨，应用高功率CO2激光和Nd:YAG激光也成功完成了20mm以下中厚度板的激光单道熔透焊接。

德国的FraunhoferILT研讨所应用10kW CO2激光和熔化极气维护焊（MAG）的复合焊接了12mm厚的EH36船用钢板、12mm厚的不锈钢；经过将激光输入功率进步到15kW焊接了15mm厚的低碳钢，焊接速度到达1.2m/min。

法国的InstitutdeSoudure研讨所采用17kW纯CO2激光，以1.6m/min焊接速度成功焊接了15mm厚的钛合金TA6V，采用15kWCO2激光功率、2.6m/min焊接速度和填充焊丝焊接了6mm厚的5086铝合金。另外也在12mm厚的C-Mn钢板和15mm的管线钢上取得了良好的对接焊接头。

日本的三菱重工TakasagoR & DCenter应用高功率Nd:YAG激光展开了相应中厚板的焊接。当采用4.8kW激光输入功率时SUS304不锈钢的焊接熔深已到达8mm以上。他们最终采用脉冲方式均匀7.6kW的YAG激光功率和0.2m/min的焊速一次焊透了20mm的SUS304不锈钢。

德国的IMG公司应用美国IPG公司消费的10kW光纤激光器，成功地将光纤激光使用到了中厚度钢板的拼板焊接。他们采用激克复合焊工艺，辨别采用7.8kW和10kW的激光功率焊接了6mm和10mm的船用钢板，焊接速度辨别到达3.2m/min和1.5m/min。

应用高功率激光单道焊接中厚板资料在许多工业范畴中有良好的使用前景并失掉了成功使用。经过激光功率和焊接速度的优化、激光和其他热源如电弧的复合等，使多种资料如低碳钢、低合金高强钢、铝合金、钛合金、镍基合金等的中厚度板成功完成了激光单道熔透焊接，焊接厚度达20mm。CO2激光和YAG激光是目前最爲普遍运用的激光类型，但近年来开展起来的光纤激光已展示出优异的功能并逐渐失掉关注和使用。关于中红外波段的CO2激光，其高功率激光焊接时所采用的激光功率普通在8kW以上。关于近红外波段的YAG激光或光纤激光，其高功率激光焊接时所采用的激光功率普通在4kW以上。研讨和使用后果标明，采用高功率激光焊接技术可完成高速、极小焊后变形的中厚板焊接，焊接接头质量良好，某些钢种的激光焊缝和热影响区表现出远优于惯例焊接的冲击韧性，爲激光焊接在严重配备制造中的使用提供了无力的支撑。随着高功率激光焊接的优越性逐步失掉业内的认可，高功率激光焊接工艺必将在严重配备的中厚板焊接甚至厚板焊接中失掉更爲深化的使用。