激光复合焊接技术在千吨级起重机产品上的应用

2015-11-30吕金波徐宜武王艳光孟宪飞

金属加工(热加工) 2015年18期

关键词：吊臂吨位筒体

吕金波徐宜武王艳光孟宪飞

吕金波徐宜武王艳光孟宪飞

1. 概述

激光-电弧复合焊接是将两种物理性质、能量传输机制完全不同的热源复合于一体的先进焊接技术，它具有熔深大、焊接速度快、变形小、桥接能力强等优点，广泛用于各类材料的焊接。

将激光与电弧两种热源复合，取长补短，既可实现高焊速，又可保证焊接电弧稳定性；既可适应相对较低的结构件组对精度，又可满足高熔敷率的要求；同时又具有热影响区宽度窄、晶粒细小等优点，从而可以得到高质量的焊缝。

2. 激光复合焊接技术优势

（1）提升了激光能量吸收率激光热源与电弧热源的有机结合，可以相互弥补彼此在焊接过程中存在的不足。激光焊接时在其周围产生大量的等离子体云，吸收激光能量，降低能量利用率，如果在激光束附近外加电弧，降低电子密度，稀释等离子体云，提升母材温度，可促进激光能量吸收率的大幅提高。

（2）扩大激光焊接工艺窗口激光焊接由于热影响区域很小，母材端面接口容易发生错位，而电弧的热作用范围较大，可以降低对焊缝组对精度的要求；同时由于激光束对电弧的聚焦、引导作用，电弧的焊接质量和效率得到提升。

（3）降低了激光焊接缺陷率激光焊接时峰值温度高、温度梯度大，冷却、凝固很快，容易产生裂纹和气孔。而电弧的热作用范围、热影响区较大，温度梯度、焊接速度相对较小，使凝固过程变的缓慢，可减少气孔和裂纹的生产。

综上，激光与电弧热源的复合焊接一方面可提高激光吸收效率、可以用小功率激光器代替大功率激光器进行焊接；另一方面可改善焊接质量，降低对母材端面接口精度要求。

图1 激光-双丝复合焊接工作站

3. 激光复合焊接在千吨级起重机产品上的应用

（1）激光复合焊接设备图1为我公司与某科研院所联合研发的工程机械行业内首台用于高强度、中厚钢板焊接的激光-双丝复合焊接工作站。

该项技术的成功应用显著提高了我公司大吨位、超大吨位起重机关键受力结构件的焊接质量。对于超大吨位吊臂筒体结构，为保证关键焊缝熔透性，在

应用该项技术之前，通常需要焊工进到吊臂筒体内部施焊，焊接及焊道打磨劳动强度大。该项技术的单面焊双面成形效果（见图2、图3）彻底改变焊工的作业模式，使劳动强度显著降低，焊缝保证能力大幅提高。

（2）焊缝成形及质量应用激光复合焊接可以实现小角度坡口一次焊接熔透成形，图4为45°坡口、2mm钝边、10mm板厚焊接工况的焊缝正反面成形效果，其中背面焊道均匀一致，宽度3～4mm，满足焊缝外观要求。

由于小角度坡口，焊丝填充量相比传统双丝电弧焊接下降30%，焊接速度为原电弧焊接两倍。由于大吨位、超大吨位起重机吊臂筒体结构在全伸状态吊装作业时，筒体结构旁弯变形1mm将导致起吊点部位出现近1m的偏差，因此对于吊臂焊接变形的控制要求十分严格。传统方式都是通过吊臂筒体内部增加工艺支撑、焊接过程减少热输入量来控制焊接变形，而应用激光复合焊接技术后，吊臂筒体焊后变形量降低48%，完全满足了设计尺寸精度要求。

针对激光复合焊接焊缝内部质量情况，选择传统熔化极电弧焊与激光复合焊接两种工艺施焊，焊缝进行射线探伤，结果如图5所示。由图5可知，传统电弧焊接焊缝根部易存在未熔合等缺陷，而采用激光复合焊接工艺的，焊缝射线探伤等级为I级，无缺陷。

图2 激光复合焊接熔透效果

图3 激光复合焊接焊道背面成形效果

图4 焊缝正面、背面成形效果

图5 两种焊接工艺焊缝探伤结果对比

图6 1 600t全地面起重机

（3）在产品上应用随着激光复合焊接技术在公司内的成熟应用，现已将该项先进焊接技术由最初的应用于吊臂结构焊接，推广至大吨位、千吨级起重机产品的车架、支腿等关键受力结构的焊接，图7为我公司1 600t全地面起重机，其吊臂、支腿、车架等部位关键射线探伤合格率均为100%。在降低人工焊接劳动强度、节省焊接成本的同时，为客户提供关键焊缝质量100%的合格优质产品。