窄间隙激光焊接钢板材料研究进展

徐小玉

【摘  要】窄间隙激光焊因其独特的优点而在核电安装、石油化工等领域广泛应用。论文主要介绍了窄间隙激光焊的分类，分析了窄间隙激光焊工艺参数对熔滴过渡形式、焊缝成形、焊接接头质量的影响，并对窄间隙激光焊的未来发展进行展望。

【Abstract】Narrow gap laser welding is widely used in nuclear power installation， petrochemical industry and other fields because of its unique advantages. This paper mainly introduces the classification of narrow gap laser welding， analyzes the influence of process parameters of narrow gap laser welding on droplet transfer form， weld seam formation and welding joint quality， and prospects the future development of narrow gap laser welding.

【关键词】窄间隙;激光焊;研究进展

【Keywords】narrow gap; laser welding; research progress

【中图分类号】TG456.7                               【文獻标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）09-0175-03

1 引言

窄间隙激光焊接具有热输入小、热变形小、热影响区小、焊接速度快、接头质量高等优势而广泛应用于舰船制造、机床设备、石油化工、发电设备及航空航天等重大装备的制造过程中。

2 窄间隙激光焊接的分类

窄间隙激光焊接可分为窄间隙激光自熔焊、窄间隙激光填丝焊、窄间隙激光热丝焊。与传统的电弧焊相比，窄间隙激光自熔焊具有热输入量小、焊接变形小等优点，由于在焊接过程中无焊丝输入，对板件的定位、装配要求高，且无法调节焊缝的组织性能。为了改善窄间隙激光自熔焊的缺点，发展了窄间隙激光填丝焊、窄间隙激光热丝焊。与窄间隙激光填丝焊相比，窄间隙激光热丝焊具有更高的焊接效率。

3 焊接工艺参数对熔滴过渡形式的影响

涂丹[1]采用超窄间隙激光填丝焊焊接16mm厚的Q345E钢板（制造转向架常用的材料），研究了激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量、光丝间距等焊接工艺参数对熔滴过渡形式的影响。其他工艺参数不变，改变光丝间距（0～2mm），熔滴过渡形式依次为铺展过渡（光丝间距=0mm）、液桥过渡（光丝间距=1mm）、颗粒过渡（光丝间距=2mm），不同的熔滴过渡形式影响焊缝表面成形质量。改变激光功率（4.0～5.0kW），激光功率为4.0kW时，熔滴过渡形式为铺展过渡，激光功率为4.5kW时，熔滴过渡形式为液桥过渡，激光功率为5.0kW时，熔滴过渡形式为颗粒过渡。改变焊接速度（0.36～0.72m/min），熔滴过渡形式保持液桥过渡，但熔滴过渡的频率随着焊接速度的加快而提升。改变离焦量，影响熔滴熔入焊接熔池的行为，离焦量过小，无法形成稳定连续的熔滴，离焦量过大，降低热输入，焊丝不能完全熔化，焊丝端部不能形成熔滴，这些既影响焊缝成形，又降低焊接接头质量。

4 焊接工艺参数对焊缝成形的影响

李德利[2]采用超窄间隙激光填丝焊焊接Q345E低合金钢（激光功率5kW，光丝间距1mm，保护气体氩气流量10L/min），研究了送丝速度、焊接速度、离焦量等焊接工艺参数对焊缝成形的影响。其他工艺参数一定时，改变送丝速度（分别为3m/min、4m/min、5m/min、6m/min），其对焊缝成形影响的趋势是：熔池深度随着送丝速度的加快而增大，熔池宽度随着送丝速度的加快而减小。焊接速度对焊缝成形的影响是：熔池深度和熔池宽度随着焊接速度的加快而减小。离焦量对焊缝成形的影响是：熔池深度随着离焦量的增加而增大，熔池宽度随着离焦量的增加而减小。一个有趣的现象是：无论送丝速度、焊接速度、离焦量如何变化，送丝速度为4m/min，熔池宽度最小。

5 焊接工艺参数对焊接接头性能的影响

窄间隙激光焊接中，主要焊接工艺参数有激光功率、离焦量、光丝间距、焊接速度、送丝速度、保护气体的流量等。表1给出了不同钢窄间隙激光焊焊接工艺参数，表2给出了采用这些焊接工艺参数的窄间隙激光焊后焊接接头的力学性能。由表1可以看出，激光功率、离焦量、焊接速度、送丝速度等焊接工艺参数之间有相应的匹配关系。由表2可以看出，在表1焊接工艺参数下，采用窄间隙激光焊焊接后，焊接接头具有良好的性能。

郭宝超等人采用光纤激光超窄间隙焊接技术实现30mm厚的304LN不锈钢与Inconel 690材料的对接，拉伸试验和晶间腐蚀试验结果表明焊接接头具有良好的拉伸性能，焊缝具有优异的耐腐蚀性、抗晶间腐蚀能力。朱洪羽等人采用超窄间隙激光填丝焊实现P92钢与Inconel合金的焊接，力学性能试验表明，焊接接头中P92钢粗晶区的硬度最大，接头的力学性能高于P92钢，接头的冲击韧性介于P92钢与Inconel合金之间。章鸿研究了窄间隙激光焊接S275铁素体钢，焊接工艺参数（焊接热输入、送丝速度、光丝间距、保护气体输送模式）对焊接质量影响的规律。依据各工艺参数产生缺陷的危害程度（裂纹>未熔合/飞溅>气孔），焊接接头质量影响由大到小依次为焊接热输入、光丝间距、保护气体输送模式、送丝速度。李涛等人采用窄间隙激光焊实现12mm厚的S355J2N钢的焊接，研究了焊接接头的力学性能，其拉伸强度达到欧标EN ISO 4136 Ed 2011标准，弯曲强度达到欧标EN ISO 5173 Ed2010标准，冲击强度达到欧标EN ISO 9016 Ed 2011标准。汪认等人采用窄间隙激光焊实现16SMA490BW耐候钢的焊接，进行了焊接接头的拉伸试验、弯曲试验、硬度测试，结果表明焊接接头具有良好的力学性能（拉伸试样在母材处断裂，弯曲试样弯曲180°未开裂）。徐国建等人采用窄间隙激光焊实现15mm厚的SUS306LN不锈钢的焊接，焊接接头拉伸试验表明试样断裂于母材，表面焊接接头的强度高于母材。杨武雄等人采用超窄间隙激光焊实现了100mmm厚的304不锈钢的焊接，焊接接头的强度达到母材的94.3%，拉伸试样断裂于焊缝，显微硬度测试表明焊缝上中下位置的硬度差异较小，分布趋于一致。田书强等人采用超窄间隙光纤激光焊实现16mm厚的9Ni钢的焊接，其焊缝中心的低温冲击功远大于用于LNG船液罐的9Ni钢焊缝所需的标准规定。阚晓阳等人采用窄间隙激光填丝焊实现了16mm厚的转向架用Q345E钢的焊接，焊接接头拉伸试样断裂于母材，弯曲试样弯曲180°后未开裂，表明焊接接头具有良好的力学性能。

6 展望

6.1 焊接过程数值模拟

窄间隙激光焊焊接过程是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学行为的复杂过程，随着计算机和数值模拟技术的快速发展，数值模拟技术已经渗透到航空航天、军工、能源、交通等研究领域，对熔池现象、焊缝和热影响区的组织、残余应力与变形等的模拟分析，对优化工艺过程、提高产品质量和消除安全隐患起着日益重要，甚至不可替代的作用。研究表明在制造业，数值模拟与仿真可以增加材料利用率25%，节约生产成本30%，产品设计至实际投产的时间缩短40%。因此，焊接数值模拟是当今材料加工领域的一个研究热点。

6.2 窄间隙激光焊复合其他技术

窄间隙激光-MIG复合焊接工艺研究中，激光-电弧复合焊时，两种热源共同作用于焊缝区，通过激光与电弧之间的等离子体耦合机制，达到这两种热源之间的优势互补，实现小功率条件下厚板的焊接。外加纵向恒定磁场，华中科技大学朱政武等人采用外加纵向恒定磁场与窄间隙激光-MIG焊相结合的技术研究了316L不锈钢焊接接头的组织与疲劳裂纹。这一新技术减小焊缝热影响区的宽度，细化焊缝组织，降低接头裂纹扩展的敏感性。

6.3 焊接过程的自动化、智能化、数字化、信息化

将智能控制、神经网络等应用到焊缝跟踪控制中，增强非线性系统控制的准确性，为实现焊接自动化、智能化奠定基础。随着大数据技术的兴起以及物联网技术、互联网技术的成熟、推广应用，为窄间隙激光焊的数字化、信息化发展奠定了基础。以焊接机器人为核心的柔性智能焊接自动化技术的广泛应用，焊接专家系统的普及和推广已经成为国内外焊接智能化发展的重要方向。

【参考文献】

【1】涂丹.高速列车转向架构架超窄间隙激光填丝焊熔滴过渡行为研究[J].电焊机，2019，49（3）：79-84.

【2】李德利.送丝机焊接速度对Q345E窄间隙激光填丝焊缝成形的影响[J].电焊机，2018，48（7）：80-84.

【3】田书强，李铸国，华学明.9Ni钢超窄间隙光纤激光焊接接头组织及性能[J].激光与光电子学进展，2017，54（04）：248-255.

【4】张益文，张茂龙，孙志远，等.50mm厚SA508Gr.3Cl.2钢超窄间隙激光填丝焊接头组织与性能[J].中国激光，2017（11）：81-88.

【5】郭宝超，薛松，米大为，等.304LN不锈钢与Inconel690合金厚板光纤激光超窄间隙焊接的研究[J].装备机械，2017（02）：16-19.

【6】李涛，朱忠尹，邢艳双，等.S355J2N钢窄间隙激光填丝焊接头力学性能及微观组织研究[J].电焊机，2018，48（12）：98-103.

【7】汪認，阚晓阳，叶结和，等.SMA490BW耐候钢窄间隙激光填丝焊接头组织与性能[J].焊接技术，2017，46（10）：25-28.

【8】徐国建，钟立明，杭争翔，等.奥氏体不锈钢窄间隙激光填丝焊接性能[J].沈阳工业大学学报，2014，36（04）：395-399.