淺談水下激光焊自動化修復工藝

曹海春

（福建省瑞奧麥特輕金屬公司，福建 三明 353300）

陸地資源已經無法達到經濟發展要求，需要進一步加快開發應用海洋資源，同時，由于復雜的水下環境對設備造成的潛在危害，高質量的水下焊接便凸顯出重要作用。目前水下焊接技術基本上可以對一些水下焊接問題有效解決，但是也帶來了不少的局限，無法達到高效的應用需求。所以，積極發展水下激光焊自動技術，加強研究自動修復技術的應用，對于目前或者未來來講，都是一項挑戰性工作。

一、激光焊接技術工藝參數

（一）激光焊接的功率密度。在激光焊接中功率密度是最重要的參數。通過極高的功率密度，可以在幾秒或者幾微秒的時間內快速加熱金屬至熔點，熔融焊接激光光束要想產生良好的光斑聚焦直徑取決于激光器光束輸出模式，模式越低，光點聚焦越小，焊縫越窄，則熱影響區域越小。

（二）激光焊接的脈沖波形。在焊接中激光脈沖波形非常關鍵。當材料表面受到高強度激光束照射時，反射將會造成金屬表面60%-90%的激光能量被消耗，并且隨著不同反射率的表面溫度在一個激光脈沖作用期間內發生變化，金屬反射率具有極大變化，例如正弦波，比較適合迅速散熱的工作，飛濺很小、熔深淺；方波則適合緩慢散熱的工作，飛濺大且熔深大。通過調整可有效漸升與漸降功率防止焊件受到激光功率開關影響而瞬間突開、突閉導致焊縫出現氣孔以及收尾弧坑裂紋問題。

（三）激光焊接的高焦量。離焦量具體是指工件表面與焦平面偏離產生的距離。離焦位置對拼焊過程中的小孔效應造成了直接影響。離焦方式包括兩種：正負離焦。焦平面處于工件上方時稱為正離焦，反之則是負離焦。當正負離焦量相同時，對應平面產生了相似的功率密度，事實上得到了不同的熔池形狀。負離焦時，由于形成熔池過程造成了更大的熔深。試驗說明，激光發生50-200us加熱時開始熔化材料，產生液相金屬并且部分形成汽化，通過極高的速度噴射高壓蒸汽，發出炫目的白光。同時，高濃度氣體造成液相金屬運動到熔池邊緣，并且在熔池中心產生負離焦凹陷時，材料內部功率明顯高于表面，容易產生更為強大的氣化和熔化，促使材料在更深處傳遞光能。所以熔深在實際應用中較大時，應當利用負離焦，薄材料焊接最好選擇正離焦。

二、水下激光焊技術原理及特點

（一）水下激光焊技術原理。水下激光焊接工藝綜合了活性光學纖維和半導體二極管兩種激光技術。光源把極亮的半導體二極管發射器產生的聚焦光束通過光纖，從一個極小的光纖腔中發射出很強的光亮。在光學纖維中包含了激光束，光學纖維利用柔韌的金屬裝甲導管實行屏蔽。水下激光焊通過二極管纖維激光束，利用初次與二次保護氣對熔池實行保護，采用激光焊槍輸送保護氣。初次保護氣發揮了排開水功能，營造一個比較干燥的焊接環境，同時也為焊接創造了保護媒介。二次保護氣產生了一些對激光焊系統有利的條件，避免焊接時水涌入焊接試件中。水下激光焊和鎢極氬弧焊使用了一樣的填充金屬，保證可以正確連接填充金屬和母材。輸送填充金屬到形成激光束的熔池中，這類似于鎢極氬弧焊焊接過程。但是，水下激光焊使用的焊接工藝具有全自動化特點，從這點分析水下激光焊與鎢極氬弧焊并不相同，因為在焊接期間鎢極氬弧焊還需要操作者對設備進行調整。

（二）水下激光焊特點。1自動化特點。由于是全自動化的水下激光焊，對于焊接質量來說初始安裝非常關鍵。自動化工藝減輕了依賴焊接操作者技能的程度，準確控制工藝過程確保了焊縫的高度統一。一旦安裝好焊接設備，設計好控制操作步驟，焊接操作者只要按下啟動鍵就能夠進行焊接。在這一過程中操作者不需要調整設備。2可靠的焊接特點。準確的激光束熱輸入量以及科學控制稀釋率能夠確保焊縫質量的連續統一，經過測試表明高純沉積率的原因是焊接過程輸入量的低熱。

三、水下激光焊接自動化修復工藝的應用及測試

（一）水下激光焊接自動化修復工藝的應用。作為水下激光焊熱源的光學纖維發射激光，最大程度上降低了焊接系統的復雜程度，可以有效開發應用密封或者遠程焊接場合的焊接接頭。同時在人們不適合長期工作的場合也可以應用自動化焊接工藝。

在修理或者維護場合應用水下激光焊接，類似與其他水下工藝方法的運用。具體包括了修理近海鉆探油平臺以及海底其他傳統焊接方法產生的問題場合。這一工藝也對存在焊接飛濺的地方比較適用，這些場合應用傳統的電弧焊法會危害工人的生命安全。

（二）水下激光焊接自動化修復工藝的應用測試。1檢測不同類型的焊縫金屬。目前，機械性能包含了拉伸測試、側彎測試，以及對水下激光焊熔敷的強度與致密性進行評估。從水下激光焊多道焊縫產生的三層鋼板上獲得側彎試樣，通過柱塞型試驗設備與卷包測試夾具實行側彎檢測。通過目視檢查這兩種測試設備，沒有發現問題，之后的液體滲透探傷也沒有找出任何問題。2測試擴散氫含量 。實行氫含量擴散試驗對水下激光焊工藝影響氫含量的情況進行評價。結果說明，擴散的氫含量要比焊接干燥環境下應用手工電弧焊產生的擴散氫含量少。實際上，剩余的氫含量完全可以媲美空氣中采用鎢極氬弧焊產生的氫含量。

水下激光焊樣品氫含量平均為100克0.5毫升。相較于國際標準這些試樣的氫含量明顯低一個數量級。按照這些測試數據分析，比較水下激光焊接與傳統水下電弧焊，前者擁有更低的氫致裂紋延遲的敏感度。

結語

水下激光焊自動修復技術是一種焊接創新技術，其是一種具有極強綜合性的技術，綜合激光技術、焊接技術、自動化技術、材料技術以及產品創新設計。人們尚沒有完全對水下激光焊自動修復技術的應用范圍與焊接能力充分認識，還需要科技工作人員不斷研究與探索。相信水下激光焊自動修復技術在不久的將來不但出現在更多的加工領域，還會在這些領域成為加工主流技術。

[1]陸斌鋒,蘆鳳桂.激光焊接工藝的現狀與進展.焊接，2008（04）.

[2]張文舉.淺析激光焊接技術的工藝與方法.黑龍江科技信息，2011（02）.