激光焊接技術(shù)在薄板焊接上的應用

李凱

(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226100)

近年來,激光焊接技術(shù)在船舶建造中的應用越來越廣泛,它具有優(yōu)異的焊接性能,且具有快速焊接、高精度焊接、多種焊接方式、節(jié)約材料、簡化工藝等優(yōu)點,可以滿足船舶建造的各種要求。具有焊接速度快、焊縫質(zhì)量高、焊縫結(jié)構(gòu)緊密、焊接過程簡單、操作安全等特點,可用于制造各種復雜結(jié)構(gòu)的船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備。激光焊接在船體和船舶配件的制造中具有多種優(yōu)勢,例如,可以替代傳統(tǒng)的電焊技術(shù),提高制造效率,而且可以節(jié)省材料,減少焊縫的重量,減少船體和船舶配件的總重量。但是,激光薄板焊接技術(shù)的應用,還需要結(jié)合船舶建造的具體情況進行變形控制方面的討論。

1 激光薄板焊接工藝原理及步驟

激光薄板焊接是一種新型的焊接工藝,利用激光能量對金屬材料進行加熱和焊接,具有高焊接速度、高精度、高質(zhì)量的特點,在航空航天、汽車、船舶、機械及其他領(lǐng)域的應用越來越廣泛[1]。激光薄板焊接主要由激光源、焊接系統(tǒng),以及熱響應材料3部分組成。激光源可以使用激光器、激光燈和激光二極管等,激光焊接系統(tǒng)可以使用單線焊接或者多線焊接,熱響應材料主要由導電粉末和導熱膏組成,激光焊接原理見圖1。

圖1 激光焊接原理

激光薄板焊接的工藝步驟主要分為板料處理、焊接準備、焊接及檢驗等。板料處理步驟包括板材表面處理、模具設(shè)計、板材定位,以及搭接等操作;焊接準備步驟主要包括焊接機臺的調(diào)整、熱響應材料的選擇、焊接參數(shù)的設(shè)定等;焊接步驟包括焊接前檢查、焊接、焊接結(jié)束,以及焊接后處理等操作;檢驗步驟包括尺寸檢查、外觀檢查、拉伸強度檢查、擴散性檢查等。

2 薄板焊接工藝應用現(xiàn)狀

激光焊接技術(shù)在薄板焊接上具有優(yōu)越的性能,優(yōu)于傳統(tǒng)焊接技術(shù)。目前的應用創(chuàng)新主要圍繞以下幾個方面。

1)實現(xiàn)更加精確的焊接尺寸、更小的焊縫以及更低的焊接熱影響區(qū)。此外,激光焊接還具有較小的焊接溫度和焊接速度,使得激光焊接可以用于薄板焊接,從而節(jié)省材料和能源。

2)激光焊接技術(shù)可以用于多種不同類型的薄板材料,包括鋼板、鋁板、銅板、鎳板等。此外,激光焊接技術(shù)也可以用于多種復雜結(jié)構(gòu)的薄板焊接,如圓管、U形管、曲管等。

3)激光焊接同時可起到不銹鋼薄板焊接的補強作用,激光焊接可以在薄板表面形成一層薄膜,以增強薄板的強度和剛性。這種薄膜可以保護薄板免受外界侵蝕,從而延長其使用壽命。

4)因激光焊接技術(shù)的高成本,導致在薄板焊接的應用有一定制約。此外,激光焊接技術(shù)還不能滿足大型焊接件的生產(chǎn)要求,也不能用于厚度較大的薄板焊接。

3 薄板焊接在船舶建造中的應用

激光薄板焊接工藝可以將不同材料的薄鋼板,如高強度鋼、鋼板、鋁板等焊接在一起,并能有效地提高船體結(jié)構(gòu)的強度和剛性,以滿足船舶建造過程中的各種要求。激光焊接可以用于連接任何形狀的薄板,不受材料的厚度限制,可以實現(xiàn)減少焊縫,縮短焊接時間,并且可以提供更加柔韌的焊縫。另外,激光焊接還可以提供更高的精度,可以實現(xiàn)更精細的焊縫,并有效地提高焊接質(zhì)量。

它可以用于連接不同類型的材料,如鋼板、鋁板、鋁鎂合金、鋁鐵合金等,這些材料可以用于制造船體、甲板、艙壁、艙門、管道等部件。激光焊接也可以用于連接船上裝備,如螺旋槳、噴氣發(fā)動機、推進器、水下機器人等[2-6]。

3.1 質(zhì)量控制

激光薄板焊接,指在低溫激光照射下,將薄板材料焊接在一起。在激光焊接過程中,板材的表面形狀、焊縫的寬度、焊縫的強度以及焊縫的美觀程度都會受到影響,焊接的質(zhì)量控制尤為重要。

1)在進行激光薄板焊接之前,應該對被焊材料進行檢查,以確保材料的質(zhì)量。激光薄板焊接對板材厚度有要求,需要檢查板材的厚度,以確保符合要求。此外,還應檢查板材的表面質(zhì)量,以確保表面沒有裂紋、劃痕等缺陷。

2)在激光薄板焊接過程中應注意控制加工參數(shù),以確保焊接質(zhì)量。激光焊接需要控制多個參數(shù),如焊接時間、焊接能量、焊接速度等,如果參數(shù)設(shè)置不當,會導致焊接失敗。此外,還需要注意焊接時板材表面溫度,以防止過熱而破壞板材。

3)在激光薄板焊接后,首先,應檢查焊縫的寬度,以確保焊縫的寬度符合要求;其次,還應檢查焊縫的強度,以確保焊縫的強度足夠,不容易斷裂,具有良好的抗拉強度;此外,還應檢查焊縫的外觀,確保焊縫的外觀美觀,不存在裂紋、滑坡等缺陷。

3.2 變型控制

激光薄板焊接技術(shù)能夠在較短的焊縫和較小的焊接頭尺寸內(nèi),提供高強度、高質(zhì)量、高精度的焊縫,滿足復雜形狀結(jié)構(gòu)件制造需求。激光薄板焊接技術(shù),核心問題是變形控制。有效控制焊接變形,是應用的核心。

一般通過改變焊接的參數(shù)來控制變形,從而獲得精確的焊縫尺寸和強度。焊接參數(shù)包含焊接的變量、速率、和過焊周期等因素。

1)基于模擬的變形控制方法。通過對焊縫變形的模擬,研究不同參數(shù)設(shè)置下焊縫變形的變化規(guī)律,能夠精確控制,焊縫的寬度、厚度和形狀可以通過修改焊接參數(shù)進行精確控制,從而實現(xiàn)精確的變形控制,見圖2。

圖2 激光焊接過程檢測原理

2)基于實驗的變形控制方法。將不同參數(shù)設(shè)置下的焊縫焊接,并對焊縫變形進行測量,以此確定最佳參數(shù)設(shè)置,從而有效控制焊縫變形。

3)基于智能的變形控制方法。通過利用人工智能技術(shù),建立具有自動學習能力的模型,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)自動調(diào)整參數(shù),精準控制焊接時間,準確控制焊縫的形狀,從而實現(xiàn)對焊縫變形的有效控制。

3.3 無損探傷

激光薄板焊接技術(shù)能夠有效地檢測和評估工件內(nèi)部的殘余應力、斷口的形態(tài)、缺陷的尺寸和分布,從而可以有效地進行無損探傷檢測,確保焊接工件的質(zhì)量和安全性,見圖3。

圖3 自動焊接檢測原理

無損探傷是指通過使用各種無損檢測儀器和技術(shù),而不影響工件物理性能的方式,對工件結(jié)構(gòu)和材料特性進行檢測和評估。無損探傷技術(shù)包括:射線探傷、超聲波探傷、激光探傷等。其中,激光探傷技術(shù)是一種具有高精度、高效率和高安全性的無損探傷技術(shù),在薄板焊接中,得到普遍應用。激光薄板焊接技術(shù)可用于無損探傷,主要是指在檢測過程中,利用激光束在焊接區(qū)域進行焊接,以達到無損檢測的目的。優(yōu)勢如下。

1)激光薄板焊接技術(shù)可以更好地保護被檢測部位,減少檢測時熱影響和熱損傷,以及降低焊縫內(nèi)部溫度和溫度差,進而提升檢測精度。

2)該技術(shù)還能提升施工質(zhì)量,減少焊接縫的殘留應力,消除焊縫的拉伸應力,從而使施工過程更加穩(wěn)定可靠。

3)激光薄板焊接技術(shù)利用低溫焊接技術(shù),可大大降低焊接溫度,更好地保護被檢測材料,并且可以有效地抑制焊接燒傷,從而更好地保護材料。

4)激光薄板焊接技術(shù)可有效控制焊接縫寬度,從而可以減少材料的消耗,節(jié)約材料成本,具有較好的經(jīng)濟效益。

5)激光薄板焊接技術(shù)可以減少焊接殘留物,減少因燃燒產(chǎn)生的污染,保證操作環(huán)境的潔凈。

6)激光薄板焊接技術(shù)可以實現(xiàn)自動化焊接,實現(xiàn)無損探傷,提升焊接效率,達到降本增效。

4 應用前景

激光焊接技術(shù)逐步被廣泛應用于航空航天、汽車制造、船舶制造等行業(yè),且適用于特種高強度金屬材料的焊接,如鋼筋、橫梁、支撐等。在薄板的低溫焊接方面,有獨特的應用前景。

此外,激光薄板焊接技術(shù)還可以用于制造精密的結(jié)構(gòu)件,如高精度的壓力容器、高強度的飛機零部件等,這些結(jié)構(gòu)件的精度要求較高,而激光薄板焊接技術(shù)可滿足這些需求。該焊接技術(shù)還可以用于管道制造,如石油管道、汽油管道、火箭發(fā)動機等,由于激光薄板焊接可以滿足管道的耐高溫、耐腐蝕、高強度的要求,因此,它在管道制造中的應用前景非常廣闊。