高強度管線鋼激光電弧復合焊接技術研究現狀解析

梁 超

（西南石油大學 材料科學與工程學院，成都 610500）

在傳統焊接過程中，應用最多的焊接技術為多道電弧焊接法，這種方法焊接功率較低，焊接速度慢，且熔深相對較淺，熱輸入量較大，對熱影響區域較大，從而影響焊接接頭微觀組織性能，導致接頭出現變形或者殘余應力問題。激光電弧復合焊接技術將兩種物質性質與能量傳輸機制進行有效綜合，形成了一種全新的焊接技術手段。

1 高強度管線鋼激光電弧復合焊接技術

1.1 負荷焊接原理

最早提出激光電弧復合焊接理念的是英國教授Steen，這種全新的焊接技術充分的利用了激光與電弧的有點，完善了兩者存在的缺陷。在實踐中，根據熱源主導區別，復合焊接可以分為激光增強電弧復合焊接技術和電弧輔助激光焊接技術。前者是一種基于電弧能量為主導的技術手段，在實踐中加入一些低功率激光，通過激光在焊道上形成的熱點可以在一定程度上牽引電弧，進而有效避免了電弧漂移等問題，實現快速焊接處理；后者主要將激光做為為主體能量，通過電弧進行工件預熱處理，有效提升復合焊接自身橋接性能，進而提升焊接效率與質量。現階段，電弧輔助激光負荷焊接技術為主要研究方向。

1.2 激光電弧負荷焊接技術特征

1.2.1 工藝適應性較強

復合焊接可以融化多數金屬，對于焊接接口裝配沒有嚴格要求，可以有效增強橋接能力。在實踐中，通過對激光與電弧位置分布進行控制，可以利用電弧清理焊道，為激光焊接打下良好基礎，最終提升鋁合金等材質的焊接質量與效果。而加入電弧技術，可以有效的緩解溫度升高過快問題，減緩熔池凝固過程，進而有效減少甚至消除其氣孔與裂紋產生現象，有效解決難熔、難焊金屬焊接問題。

1.2.2 改善焊縫成型

復合焊接技術可以有效改善熔融金屬以及母材濕潤性，通過激光以及電弧能量進行控制，可以獲得深寬比良好的焊縫，進而改善焊縫成型，避免焊縫表面出現缺陷，有效增強了接頭自身延伸率，提升了焊件整體疲勞性能與指標。在厚板焊接過程中，可以有效減少焊接次數，提升工作效率與質量。

1.2.3 增加接頭質量

復合焊接方式可以提升焊縫質量，減少咬邊以及裂紋問題出現概率，優化焊縫以及熱影響區域周邊組織性能，改善焊件整體應力狀態。激光電弧復合焊接速度較高，熱輸入量較小，在焊后出現變形以及殘余性應力相對較小，可以有效提升焊接效率與質量。1.2.4 提升焊接整體穩定性

電弧焊接很容易受到環境因素影響，從而出現較為顯著的工藝波動。在高速焊接過程中，電弧斑點劇烈跳躍可能導致焊接過程中出現不穩定性因素，進而造成了焊縫缺陷。而加入一定激光熱源后，可以給電弧焊接提供較為穩定作業環境，抑制了電弧跳躍性問題。而在激光以及電弧相互作用之下，可以完全抑制壓縮電弧問題，進而提升整個工藝穩定性。

2 高強度管線鋼激光電弧復合焊接技術研究現狀

國內外的學者對不同類型激光器與電弧復合焊接進行了深入研究，主要研究內容為焊接參數對于孔隙率降低的影響、提升焊接效率以及增強焊接穩定性等的方法等。

TWI等學者對高強度管線鋼平板進行了激光電弧復合焊接工藝實驗，在實驗中利用厚度為11mm的管線鋼平板，復合焊接則應用了Yb摻雜光纖激光器，其功率為7KW，GMAW弧焊電源則為AB Aristo450，試板接頭采用Y型坡口，鈍口深度為6mm。通過平焊、立焊接與仰焊的方式進行位置模擬處理，進行管線全位置焊接作業，沖擊試樣厚度數值是標準試樣的三分之二，其中平焊、立焊以及仰焊三種焊接位置的低溫沖擊功分別為69J、78J、73J。

在實驗中，對厚度為11.7mm的管線鋼進行電弧焊接以及激光電弧負荷焊接，對比實驗數據發現，在利用GMAW焊接處理時，在一個焊口中需要四個焊道；而利用激光GMAW進行焊道作業，只需要一個焊道即可以實現。故在實踐中，有效提升了焊接效率與質量。

德國相關學者對激光電弧復合焊接技術進行了研究，對其在焊接過程中的組隊誤差、環境影響以及整套設備移動性能等相關內容展開仔細研究，重點研究了典型的激光深熔焊接效果，對激光復合焊接激光光束與電弧之間可能組合形式進行總結分析。

在第一個階段中，主要就是利用4.5kW的光纖激光器進行復合焊接研究；在第二個階段中則對10kW光纖激光器進行了負荷焊接，通過額外的自由度復合焊接頭設計研究，利用弧形引導機構以及帶夾持的鉸鏈機構，調整了激光束以及電弧之間的位置，分析了激光以及電弧的不同組合。在實驗中對六米長的管件進行激光電弧負荷性焊接處理，相對于標準管端，該實驗管件具有較大組對間隙以及邊界偏離問題。

通過兩個階段的實驗，對其坡口、首層復合焊打底焊縫以及完整填充之后的焊接進行分析，研發了新的管道激光電弧復合焊接原理樣機，可以實現每分鐘六米的定位速度、每分鐘三米的焊接速度，在直徑為500～700mm的管道上進行處理。而集成激光工作頭可以配合應用20kW功率輸出光纖固體激光器，通過測試結果表明，該負荷焊接工藝具有一定的可行性，在實踐中效果顯著。

在哈爾濱工業大學國家實驗室中，相關研究人員對X80管線鋼進行了激光電弧復合焊接接頭微觀組織以及力學性能研究。利用激光MAG復合焊接系統光纖激光器以及焊接電源進行實驗，將激光系統與焊槍固定安裝在自制機構上，保持激光頭垂直性，將半個圓周進行四等分處理，在每個等分點上進行激光電話負荷性焊接實驗處理。通過五個不同位置的實驗數據分析，可以發現激光電弧負荷焊接接頭具有高強度、高韌性特征，焊接效果良好。

3 結語

激光電弧負荷焊接技術融合了激光焊接以及電弧焊接兩種技術，它不僅具有激光焊接深熔性能力，也具有良好間隙橋接能力。通過電弧焊方式對金屬進行填充，可以充分調節焊接接頭自身冶金性能指標，進而提升管線鋼焊接質量與焊接速度，增強生產效率。總之，激光電弧復合焊接技術是一項先進焊接技術，在工業領域中應用比較廣泛，在實踐中獲得了較高評價，在今后工作中，要根據實際工作情況調節工藝參數，從而滿足焊機要求。相信隨著科學技術的不斷發展，激光復合焊接技術也會不斷提升。