叶世佳
广东美芝精密制造有限公司
摘要：改革开放以来，国内的大型生产工业也随之逐渐发展起来。在大型石油化工、核电安装等领域组对管道或板件在焊接过程中间隙较窄，这会给焊接带来困难，而窄间隙激光焊接作为未来焊接技术的重要发展趋势正是解决这一难题的有效途径。主要介绍了窄间隙激光自熔焊、窄间隙激光填丝焊和窄间隙激光热丝焊接的国内外研究现状及进展，并提出了窄间隙焊接的研究方向。
关键词：窄间隙；激光焊接；现状；进展
引言
目前，国内在石油、化工、核电等焊接领域所采用的常规氩弧焊已日趋成熟，但是对于超过3mm的板材或管材仍需要开坡口或多道填丝焊，焊接效率低。近年来，随着激光焊接技术的进一步研究，发现激光焊接具有焊接速度快、热输入孝变形小等优点，且激光焊中组对的坡口间隙通常较小，所以一般可视为窄间隙激光焊接。窄间隙激光焊接可分为窄间隙纯激光、窄间隙激光填丝焊接和窄间隙激光热丝焊接等，本文主要介绍了国内外激光焊接的研究现状，这对后续开展的激光焊接试验具有一定的指导作用。
1激光窄间隙焊接研究现状
由于激光具有能量密度高，指向性强的优势。激光往往可以作为焊接过程中的优质热源，激光窄间隙焊接也逐渐得到人们的关注，并运用到厚板焊接中。用YLS-10000-S2多模光纤激光器对40mm厚的Q345D钢板进行激光窄间隙焊接。焊缝由13层构成，层间高度3mm，宽度3．5mm。对得到的焊接接头进行了组织和力学性能的分析。在参数适当的情况下，对Q345D板材进行激光窄间隙焊接可以得到无明显缺陷，成形良好的焊接接头。焊缝组织主要为铁素体和粒状贝氏体，冲击韧性良好。热影响区为马氏体组织，强度有所提高，拉伸试样断裂于母材处，基本满足力学性能要求。实现了12mm厚TC4钛合金激光窄间隙焊接，焊接过程中发现，激光功率较小会引起焊丝熔化不稳定，产生较多的气孔及未融合缺陷。激光功率过大则会引起焊缝晶粒严重长大，降低焊缝塑韧性，调整热输入后得到了缺陷较少的焊缝。钛合金母材显微组织由等轴α相和β相组成的等轴组织构成。焊缝区显微组织为粗大β柱状晶和网篮状α'马氏体组织。激光能量密度大，用于焊接时往往得到深宽比较大的焊缝，焊缝成形不够美观，而电弧作为热源在焊接过程中成形美观却不能得到较大的熔深，因此激光－电弧复合焊接可以使两者优势互补。使用激光－电弧复合窄间隙焊接方法分别对7A52铝合金厚板、6061铝合金厚板进行焊接。激光后倾时焊接过程熔池稳定性更好，得到的焊缝质量优于相同条件下激光前倾时所得到的焊缝质量。气孔缺陷更少。采用激光焊打底，激光－电弧复合焊进行填充的方式进行焊接，焊接接头拉伸性能达到母材的73.7%，基本满足使用要求。
2窄间隙激光焊接研究进展
2.1窄间隙激光自熔焊接
窄间隙激光焊接相比传统的电弧焊接有很多优势。激光焊接下的焊缝深宽比大，焊道数量少，总的热输入量少，可大大减少焊接变形。随着激光焊的进一步发展，用于窄间隙的组对大管道或者厚板件越来越多，特别是在核电、航空、船舶、汽车等企业中，使得其生产效率大大提高，同时焊接得到的焊缝性能良好。窄间隙激光自熔焊接即利用激光器进行焊接，在焊接过程中无需焊丝的输入，正是在焊接过程中没有焊丝的填入，使得窄间隙激光自熔焊对组对管道或者板件的定位装配要求非常高，并且焊接可达到的厚度也受到激光功率大小的限制，且无法通过更换焊丝材料来调节焊缝中各个组织性能，所以主要用于试验中的数据参数开发，实际在工程中的应用较少。
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2.2窄间隙激光填丝焊接
窄间隙纯激光焊接相比传统的焊接有很多优点，如焊接过程中激光头的控制性好、激光输入的热输入量少、焊接的热影响区窄、激光束对焊接组对侧壁的影响较孝焊接速度快、焊接后得到的接头质量好等。然而窄间隙激光自熔焊焊接组对管道或者板件的装配要求非常高，无法通过调节焊缝成分来改善接头性能，且单道焊接的厚度十分有限。窄间隙激光填丝焊接是利用添加填充金属来改变焊缝金属的成分和组织，以降低工件组对装夹间隙的严格要求，进而改善焊缝接头的综合性能，为激光焊接在船舶、航空、核电、汽车等相关焊接领域的发展应用奠定坚实的基矗用IPG光纤激光焊接得到的焊缝接头与常规钨极氩弧焊得到的焊缝接头进行了对比，观察发现选用1kWIPG的光纤激光焊接得到的焊缝接头表面外观成形良好，且测定的应力值比用传统焊接的焊接接头的应力值要低很多，这是因为激光焊接的热影响区窄，焊接过程中变形校当前，针对激光填丝焊接的试验较多，并进一步发挥了窄间隙激光焊接的最大优势，弥补了纯激光焊接的不足，探讨了不同焊接工艺参数对焊接接头性能的影响，对窄间隙激光焊接在工程应用有一定指导作用。
2.3窄间隙激光热丝焊接
窄间隙激光热丝焊接技术是在激光填丝技术的基础上发展起来的，即对在激光焊接过程中填充进焊缝的焊丝进行加热，这可以大大降低焊丝熔化时对激光热源的依赖，只需极小的激光余热即可熔化焊丝。当采用一整套加热设备对焊丝进行加热时，更加实现了自动化过程。窄间隙激光填丝焊接引入加热器加快了焊接的速度，更加有利于焊丝对焊接热源的吸收，所以激光热丝焊接的焊接效率得到进一步提高。焊丝加热长度是窄间隙激光热丝焊接的重要参数，当焊丝被加热的距离到激光束的距离过长时，焊丝会因为提前加热而熔化过快，导致快速进入焊缝接头组织而产生许多缺陷；而当焊接时被加热的焊丝加热时间过短则会引起焊丝得不到彻底的熔化而进入焊缝中，所以焊丝被加热的时间长短是窄间隙激光热丝焊接的一个重要参数，并且随着加热器的引入，要求激光焊枪与焊接板件之间的距离要适当，激光焊接的焦距要大，焦点的光斑直径也会随之变大，激光的功率密度会降低，且焦距越大，焦深也会越大，对窄间隙激光的焊接更有利。对比钢铝合金的窄间隙激光焊接接头力学性能发现当填充热丝时焊缝的抗拉强度高于填充冷焊丝的强度，且加热过后的焊丝能更好地熔化于窄间隙焊缝。试验中为了使工件表面与焊丝不发生电弧反应，将加热电弧的电压控制在5V左右，且焊接电流随着焊接速度的提高而逐渐增大。对窄间隙激光热丝焊接的相关参数进行了研究分析，以厚9mmSS400低碳钢为研究对象，得到了焊接时光斑直径、焊接速度、送丝速度、加热电流、离焦量等最优配比值。分别对激光窄间隙热丝焊接等参数进行了研究探索分析，研究发现热丝焊接能够更好地克服焊接侧壁熔合不良、易产生气孔、咬边等缺陷，为窄间隙激光热丝焊接的进一步应用提供有效的支撑。分别采用窄间隙激光自熔焊、激光填丝焊、激光复合焊接等几种方式叠加的方式进行焊接，得到的焊缝组织结构无缺陷，但相比于窄间隙激光热丝焊接的效率偏低。
结语
窄间隙在焊接厚板时的独特优势，使窄间隙焊接逐步被应用到各个需要厚板焊接的大型工程中。近年来，窄间隙的应用范围越来越广，窄间隙焊接的形式也越来越多变。从正常的单丝窄间隙焊接到多丝窄间隙焊接，从电弧窄间隙焊接再到激光窄间隙焊接，窄间隙焊接的发展及改进可以说是十分迅速的。可以预见，在未来窄间隙方法将拥有更加广阔的前景。
参考文献
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论文作者:叶世佳
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：激光论文; 间隙论文; 焊丝论文; 厚板论文; 熔焊论文; 电弧论文; 组织论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;