厚板结构窄间隙激光焊接技术应用与发展

厚板结构窄间隙激光焊接技术应用与发展

王胜淇*程立峰

徐州金虹钢铁集团有限公司221636

摘要：窄间隙激光焊接技术结合了窄间隙焊接和激光焊接的优点，广泛应用于大型厚板结构的焊接。本文综述了激光自熔焊、激光填丝焊、激光-电弧焊三种激光焊接技术在大厚板结构窄间隙焊接中的应用情况，总结了激光功率、离焦量、焊接速度等参数对焊缝成形、焊缝组织、接头力学性能等的影响，并归纳了焊接过程中存在的主要问题。最后对大厚板结构窄间隙激光焊接技术的发展进行了展望。

关键词：激光焊接；厚板；高强钢；窄间隙

引言

大型厚板结构广泛应用于船舶制造、海洋工程、核电设备以及航空航天等工业领域，焊接作为大型厚板结构生产过程中的关键技术，是决定整体结构安全性和可靠性的最重要的因素。伴随着新材料的不断涌现及焊接结构日趋复杂，给大型厚板结构的焊接提出了新的挑战。目前厚板焊接主要采用传统电弧焊接方法，该方法存在热输入高、应力及变形大、焊接稳定性差等缺点，并且需要预热、人工清渣、焊后保温等繁琐工序，容易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷[1]。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，具有速度快、深度大、变形小等优点，并且激光焊接不需要预热，激光束可以通过光纤传输到普通焊枪较难到达的位置，从而实现窄间隙焊接[2]。因此，厚板窄间隙激光焊接技术在高效率、高质量等方面具有独特优势，成为近年来厚板焊接领域的重要研究方向之一[3]。常用的厚板激光焊接方法包括激光自熔焊接、激光填丝焊接和激光-电弧复合焊接，下面将对上述三种激光焊接工艺在高强钢厚板窄间隙焊接方面的研究成果进行综述。

1. 高强钢厚板窄间隙激光自熔焊接

激光自熔焊接，是以高能量密度激光束为热源，冲击到母材表面使母材自身熔化并形成焊接接头的焊接方式，该焊接方式不需要添加焊丝和焊剂，完全利用母材自身材料熔接在一起。具有能量密度高度集中，焊接时加热和冷却速度极快，焊接应力和变形很小等特点，许多学者在厚板激光自熔焊接方面开展了大量的研究。

激光自熔焊具有热输入小、焊接速度快以及焊接变形小等优点，激光功率对焊接厚度具有决定性影响，焊接厚度越大，需要的激光功率就越大，但是超高能量密度的激光束会导致焊接材料稳定性变差，容易形成气孔、飞溅等缺陷。对于实际应用来说，激光自熔焊在厚度较小的结构中得到了广泛的应用。

2．厚板高强钢窄间隙激光填丝焊接

窄间隙激光填丝焊接的原理是激光作为热源，使焊丝熔化填充在两待焊工件之间的窄间隙坡口，随之冷却形成焊缝，其焊接示意图1所示。该方法具有热影响区窄、焊接热输入小、填充量极大减少和焊接效率高等优势，能够高质量的完成高强钢厚板窄间隙焊接[4]。许多学者采用窄间隙激光填丝焊接技术对高强钢厚板实现了焊接。

图 1. 窄间隙激光填丝焊示意图[5]

Zhang等人[6]利用最大激光功率为8kW的激光器对50mm厚SUS316L不锈钢板进行焊接，研究表明通过调控焊丝的化学成分，可以有效抑制高强钢激光焊接凝固裂纹的产生。Shi等人[7]采用统计建模的方法分析了工艺参数之间的相互影响规律，利用窄间隙激光填丝焊接工艺实现了20mm厚的AH32高强度船板钢的焊接，优化后的工艺参数为：激光功率4kW，焊接速度0.6m/min，送丝速度4m/min。Zhang等人[8]采用统计建模的方式优化了工艺参数，然后在20 mm的304不锈钢板上采用3组不同的工艺参数成功进行了验证。利用优化后的工艺参数：激光功率3.5kW，焊接速度0.42m/min，送丝速度3.4m/min，在宽度为3mm的超窄间隙下，对两块厚度为60mm的304不锈钢板进行了20层激光填丝焊接。焊缝宽度均匀，成形良好，未观察到侧壁未熔合、气孔等缺陷。

由以上可知，窄间隙激光填丝焊接结合了窄间隙焊接和激光焊接的优点，已经广泛应用于多种大型厚板结构的焊接，被认为是最适合厚板焊接的方法，但是工艺相对复杂，需要进一步匹配激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量、光束模式、光丝间距、坡口形式等工艺参数。并且对于大型厚板结构的窄间隙激光填丝焊接，大量的研究表明仍然存在一定的问题。

3．厚板高强钢窄间隙激光-电弧复合焊技术

激光-电弧焊技术是由英国学者W.M.Steen于20世纪70年代提出的[9]，利用激光加电弧双重热源，采用电弧在前，激光在后的焊接工艺，提高了材料的激光吸收率，同时稳定焊接小孔，增加焊接熔深。如图2给出了激光-电弧复合焊接的示意图，该方式充分发挥两种热源的优势，有效提升焊接过程中电弧的稳定性[10]，能够实现厚板中小功率激光焊。

图 2 激光-电弧复合焊接示意图

Zhang等人[11]采用4层激光-电弧焊接工艺实现了对厚度为20mm的16MnDR钢板的焊接，坡口角度20°的条件下，工艺参数为：激光功率2.0kW、焊接速度1.0~1.2m/min、电流287~320A、离焦量0mm，焊缝表面成形良好、无明显缺陷。Wang等[12]人研究了工艺参数对焊接稳定性与焊缝成形的影响，利用最大输出功率为10KW的激光器对20mm厚Q345钢进行焊接，根部采用激光功率为8Kw的激光自熔焊打底，采用激光-电弧复合焊填充，焊接接头无裂纹、气孔等缺陷,工艺参数为：激光功率2kw、焊接速度1.2m/min 。Ji等人[13]探索了交变磁场对焊接质量的作用，采用7道窄间隙激光-MIG复合焊，焊接激光功率为3.3-4.5kw、焊接速度为0.6-0.9m/min、磁场强度为12mT，实现了20mm厚Q460高强钢的焊接。焊缝均匀分布，未观察到侧壁气孔、未熔合等缺陷。

激光-电弧复合焊具有高速度、高效率等优点，已逐渐在船舶、石油管道、汽车行业等领域得到广泛应用。这一方法对激光与电弧这两种热源进行了有效组合，相对于传统弧焊和激光填丝焊，激光-电弧复合焊具有焊接速度快、热影响区窄、焊接变形及残余应力小等优点，极大地提高了焊接效率及结构的力学性能。

4.结语与展望

综上所述，近年来窄间隙激光焊接方法在各个领域得到广泛关注和应用，尤其对于大型厚板结构的焊接，针对不同场景选用不同的焊接方法可使焊接成本大大降低。未来窄间隙激光焊接在大型厚板结构中将具有重大的研究意义和广阔的应用前景。激光自熔焊，采用大功率激光能够实现一定的厚板焊接，但是激光深熔焊时产生的大量等离子体和金属蒸汽羽烟，降低激光吸收率，导致熔深达到一定值不再线性增加，在一定板厚范围内利用窄间隙坡口对等离子的拘束和加热作用可提高焊接熔深，超过此范围气孔、空洞及裂纹等缺陷较为严重。与厚板激光自熔焊相比，激光填丝焊接具有良好的间隙适应性，在较小的激光热输入下，依靠焊丝熔化填满坡口完成焊接，有效扩展了焊接结构的可焊厚度。但是工艺较为复杂，仍然存在一定的问题，像焊缝存在侧壁未熔合和气孔等缺陷。激光-电弧复合焊接同时结合两种热源，弥补了各自的不足，该方法具有高速度、高效率、间隙适应性强等优点，但由于热源能量较高，焊接稳定性差等问题，在焊接时对厚板有一定的范围限制。因此，需要重点研究大型厚板结构焊接缺陷的产生机理及抑制方法，提高大型厚板结构焊接过程的稳定性和焊件接头的力学性能，以推动该技术在工业上的应用，来满足高服役性能大型装备越来越高的制造要求。

作者简介：王胜淇  1989年12月28日，性别：男，籍贯：江苏沛县，民族：汉，

学历：本科，职称：中级，研究方向：冶金、金属材料加工制作