船用A36鋼激光-GMAW復合焊焊接工藝

陳鵬宇， 鐘 毅

(1.海軍裝備部駐上海地區第八軍事代表室， 上海200011； 2.海軍裝備部駐上海地區第五軍事代表室， 上海200135)

0 引 言

船用鋼板在使用傳統的埋弧焊(Submerged Arc Welding， SAW)和熔化極氣體保護焊(Gas Metal Arc Welding， GMAW)等焊接方法時，焊后變形較大。尤其是在甲板、上層建筑圍壁等薄板結構中，如果對大面積平整度有嚴格要求，焊接后進行矯平的工作量就會較大，將增加施工成本。如果使用激光焊接，由于焊接線能量相對較小，薄板焊接變形較小，則可以節省大量的額外工作時間。

激光器可提供的最大功率水平有限，且設備價格昂貴，且其對焊接工裝夾具的要求較高，焊接過程中對坡口質量和工件固定的高要求降低了船舶激光焊接的適用性。由于低能量輸入和焊后的快速冷卻，激光焊接需要克服的最重要問題是焊縫的硬度過高。美國船級社(ABS)的現有標準對低合金高強鋼焊縫的硬度進行了一定的限制：一般要求最大硬度為350 HV10[1]。通常使用激光器焊接工藝焊接船用鋼板，厚度達6 mm以上的船板很難達到硬度標準。

研究的目的是通過結合激光器和GMAW最大程度地降低焊縫硬度值。鑒于激光器功率有限，同時使用GMAW，可有效提高焊接速度和生產效率。由于使用GMAW進行填充焊，可以放寬坡口的加工和準備要求及板的定位和固定要求。使用Y型對接接頭進行試驗，用激光焊接根部，并使用雙絲GMAW完成填充和蓋面焊接。雙絲GMAW使用2支不同的焊槍，每支焊槍都有自己的獨立電源。雙絲GMAW用于焊接對接縫根部以上區域，并利用其熱輸入對根部焊縫進行退火，以降低焊縫的硬度。

1 試驗設備與材料

采用YAG激光器(型號HL 3006 D)進行激光焊接。激光器的最大輸出功率為3 kW，光纖直徑為0.6 mm，焦距為100 mm，離焦量為-1 mm。

GMAW焊炬與激光器的加工頭位于同一夾具中[2]，如圖1所示。為了產生足夠的空間，將焊接頭在焊接方向上傾斜50°。將激光和電弧定位在同一焊接熔池中。GMAW焊炬傾斜74°。使用氬氣對GMAW進行保護，填充焊絲的直徑為0.8 mm。GMAW電弧在焊接方向上位于激光焦點的前面(電弧前置)。為了將激光和GMAW電弧保持在同一焊接熔池中，光絲間距在5～12 mm。

圖1 焊接試驗設備

試驗中改變的參數是焊接速度及GMAW的相關參數(電壓、電流和送絲速度)。表1給出了參數范圍。本試驗使用的材料是船用A36鋼板，厚度為6 mm。當用激光和單絲GMAW焊接時，使用I型坡口(見圖2)；當激光焊接之后使用雙絲GMAW進行焊接時，坡口形式為Y型(見圖3)，材料的厚度為11 mm。對焊縫進行宏觀金相檢查，以保證其完全熔合并確定缺陷，另外對焊縫進行硬度檢測[2]。

圖2 激光和單絲GMAW焊接使用的I型坡口

圖3 激光和雙絲GMAW焊接使用的Y型坡口

2 試驗結果及分析

激光-GMAW復合焊接時，其焊接速度大于在厚度相同的材料上單獨使用激光時的焊接速度，如圖4所示。例如，通常使用3 kW 激光器焊接6 mm厚的A36鋼，同時使用GMAW時，焊接速度為0.7 m /min。如果增加焊接速度，則熔深相應降低。在本試驗中，使用的激光器角度為50°，該角度垂直于焊接方向[3]。GMAW具有一定的附加能量，焊縫寬度較大(見圖4)，需要較大的激光功率。

圖4 激光-單絲GMAW焊縫橫截面Ⅰ

較低的焊接速度和GMAW電弧的額外能量使得焊接的冷卻時間比單獨的激光焊接更長，焊縫的硬度相應地較低。圖4中焊縫的最大硬度為262 HV10，該硬度值符合ABS規范要求。

圖5中的焊縫橫截面，其電弧和激光之間的距離為12 mm，大于圖4中的9 mm。GMAW提供的能量較大，且填充焊絲的送絲速度較低，但由于電弧和激光未對準，焊縫橫截面成形不佳。

圖5 激光-單絲GMAW焊縫橫截面Ⅱ

考慮到激光焊和GMAW的參數范圍，其工作范圍相對較大。圖6給出的焊縫橫截面，盡管板厚較小，但其焊接速度低于圖4。

圖6 激光-單絲GMAW焊縫橫截面Ⅲ

2塊試板之間的少量錯位未明顯影響焊接質量，如圖7所示。圖7中焊縫的缺陷主要是焊接工藝的不穩定引起的，而不是由于坡口表面的質量問題。當坡口間隙增加時，相應地需要更多的填充金屬。為了在較大間隙的情況下保證穩定性，必須降低焊接速度，提高相應的焊縫根部質量。

圖7 激光-單絲GMAW焊縫橫截面Ⅳ

圖8顯示了激光焊接部分開槽的Y型接頭其根部焊縫的橫截面。根部表面厚度為4 mm，焊接速度為1 m / min，但是其焊接速度低于4 mm厚的鋼板的焊接速度，這是由于焊縫附近有更多的冷卻材料，它們起到了散熱片的作用。焊縫最大硬度為468 HV10。

圖8 激光焊縫橫截面

圖9顯示了通過激光-雙絲GMAW焊接后的焊縫接頭。可以看出，盡管更多的熱量已經轉移到焊縫的上部，但是試板沒有明顯的變形。由于雙絲GMAW工藝的退火效應，最大硬度已降至323 HV10，因此，該焊縫最大硬度低于ABS標準所要求的硬度。

圖9 激光-雙絲GMAW焊縫橫截面

3 結 論

試驗研究激光-雙絲GMAW復合焊的焊接工藝，并評估其在船用A36鋼焊接中的應用情況，通過焊接質量、焊接速度和焊接硬度對比，分析該工藝的可行性。

分析發現，使用激光焊接Y型接頭的根部，該工藝可滿足ABS規范對焊縫的硬度要求。傳統激光焊接的最大極限厚度值為6 mm，通過使用激光-雙絲GMAW復合焊焊接工藝，可以焊接厚度最大為11 mm的試件。

在GMAW中增加激光，GMAW電弧并沒有增加熔深或焊接速度，主要是由于采用激光的入射角為50°，該角度如垂直于焊接方向，可以相應地起到增加熔深和焊接速度的效果。試件測得的變形小于在相同厚度材料中單獨由GMAW焊接產生的變形。

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