船用A36鋼激光-GMAW復(fù)合焊焊接工藝

陳鵬宇， 鐘 毅

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

0 引 言

船用鋼板在使用傳統(tǒng)的埋弧焊(Submerged Arc Welding， SAW)和熔化極氣體保護(hù)焊(Gas Metal Arc Welding， GMAW)等焊接方法時(shí)，焊后變形較大。尤其是在甲板、上層建筑圍壁等薄板結(jié)構(gòu)中，如果對(duì)大面積平整度有嚴(yán)格要求，焊接后進(jìn)行矯平的工作量就會(huì)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(duì)較小，薄板焊接變形較小，則可以節(jié)省大量的額外工作時(shí)間。

激光器可提供的最大功率水平有限，且設(shè)備價(jià)格昂貴，且其對(duì)焊接工裝夾具的要求較高，焊接過程中對(duì)坡口質(zhì)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(jí)社(ABS)的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低合金高強(qiáng)鋼焊縫的硬度進(jìn)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(dá)6 mm以上的船板很難達(dá)到硬度標(biāo)準(zhǔn)。

研究的目的是通過結(jié)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(shí)使用GMAW，可有效提高焊接速度和生產(chǎn)效率。由于使用GMAW進(jìn)行填充焊，可以放寬坡口的加工和準(zhǔn)備要求及板的定位和固定要求。使用Y型對(duì)接接頭進(jìn)行試驗(yàn)，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(dú)立電源。雙絲GMAW用于焊接對(duì)接縫根部以上區(qū)域，并利用其熱輸入對(duì)根部焊縫進(jìn)行退火，以降低焊縫的硬度。

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

采用YAG激光器(型號(hào)HL 3006 D)進(jìn)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(chǎn)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(duì)GMAW進(jìn)行保護(hù)，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(diǎn)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(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中改變的參數(shù)是焊接速度及GMAW的相關(guān)參數(shù)(電壓、電流和送絲速度)。表1給出了參數(shù)范圍。本試驗(yàn)使用的材料是船用A36鋼板，厚度為6 mm。當(dāng)用激光和單絲GMAW焊接時(shí)，使用I型坡口(見圖2)；當(dāng)激光焊接之后使用雙絲GMAW進(jìn)行焊接時(shí)，坡口形式為Y型(見圖3)，材料的厚度為11 mm。對(duì)焊縫進(jìn)行宏觀金相檢查，以保證其完全熔合并確定缺陷，另外對(duì)焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)[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(yàn)結(jié)果及分析

激光-GMAW復(fù)合焊接時(shí)，其焊接速度大于在厚度相同的材料上單獨(dú)使用激光時(shí)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(shí)使用GMAW時(shí)，焊接速度為0.7 m /min。如果增加焊接速度，則熔深相應(yīng)降低。在本試驗(yàn)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(shí)間比單獨(dú)的激光焊接更長，焊縫的硬度相應(yīng)地較低。圖4中焊縫的最大硬度為262 HV10，該硬度值符合ABS規(guī)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(duì)準(zhǔn)，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(shù)范圍，其工作范圍相對(duì)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(cuò)位未明顯影響焊接質(zhì)量，如圖7所示。圖7中焊縫的缺陷主要是焊接工藝的不穩(wěn)定引起的，而不是由于坡口表面的質(zhì)量問題。當(dāng)坡口間隙增加時(shí)，相應(yīng)地需要更多的填充金屬。為了在較大間隙的情況下保證穩(wěn)定性，必須降低焊接速度，提高相應(yīng)的焊縫根部質(zhì)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?？梢钥闯?，盡管更多的熱量已經(jīng)轉(zhuǎn)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(yīng)，最大硬度已降至323 HV10，因此，該焊縫最大硬度低于ABS標(biāo)準(zhǔn)所要求的硬度。

圖9 激光-雙絲GMAW焊縫橫截面

3 結(jié) 論

試驗(yàn)研究激光-雙絲GMAW復(fù)合焊的焊接工藝，并評(píng)估其在船用A36鋼焊接中的應(yīng)用情況，通過焊接質(zhì)量、焊接速度和焊接硬度對(duì)比，分析該工藝的可行性。

分析發(fā)現(xiàn)，使用激光焊接Y型接頭的根部，該工藝可滿足ABS規(guī)范對(duì)焊縫的硬度要求。傳統(tǒng)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(fù)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(yīng)地起到增加熔深和焊接速度的效果。試件測(cè)得的變形小于在相同厚度材料中單獨(dú)由GMAW焊接產(chǎn)生的變形。

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