鄭小東,李洛凡,李寧
(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)
激光復(fù)合焊因其被焊件熱影響區(qū)小、焊接深寬比高、不局限于導(dǎo)電材料、不受磁場的影響、焊接過程中變形小等特點,近些年在國內(nèi)船舶制造行業(yè)得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。在國內(nèi)首制大型郵輪薄板分段的建設(shè)中,引進了多套激光復(fù)合焊設(shè)備,實現(xiàn)了拼板焊縫單面焊雙面成型、縱骨一次定位焊接等工作,在保證了焊接質(zhì)量的同時,減少了大量矯平、返修工作,提升了生產(chǎn)效率,在船舶制造中有著重要意義。影響激光復(fù)合焊質(zhì)量的主要參數(shù)大致分為2類:①與激光參數(shù),如,激光功率、激光吸收率等;②電弧的參數(shù),如,焊接速度、送絲速度等。這幾個重要參數(shù)均會對熔深、正反面焊寬、焊縫成型產(chǎn)生影響。結(jié)合以往經(jīng)驗,通過各項參數(shù)的對照試驗,分析并調(diào)試出不同工況下各參數(shù)之間的合理選擇范圍,可以用于提高激光復(fù)合焊設(shè)備操作人員的技術(shù)水平,提升激光復(fù)合焊質(zhì)量。
焊接速度、送絲速度,以及激光功率是3個直接影響激光復(fù)合焊質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。焊接速度和送絲速度對焊縫正反面熔寬及余高起主導(dǎo)作用,激光功率會直接影響焊縫的熔深,當(dāng)光斑直徑一定時,熔深隨著激光功率的提高而增加。3個參數(shù)互相影響,調(diào)整至適當(dāng)范圍時可得到成型較好的焊縫。
實驗中采用控制變量法探究這3個參數(shù)對焊縫成形的影響,5 mm薄板焊接實驗數(shù)據(jù)見表1。
表1 厚度為5 mm的薄板復(fù)合焊實驗數(shù)據(jù)
不同焊接速度下5 mm板焊縫成形情況見表2。由表2可見,當(dāng)控制其他工藝參數(shù)不變,僅改變焊接速度。1號及2號的焊接速度較快,線能量小,電弧陰極斑點發(fā)生跳躍穩(wěn)定性差,正面成型寬窄不一,背面存在局部未熔透現(xiàn)象;3號焊縫正背面成型均十分均勻,且均有一定余高;4號焊縫速度過慢造成焊透,正面有明顯的凹陷,焊縫背面較寬且有分布均勻的粗大焊瘤。比較可看出,3號為較優(yōu)參數(shù)。所以在焊接5 mm薄板時焊接速度應(yīng)控制在30 mm/s。
表2 不同焊接速度下5 mm板焊縫成形情況
不同送絲速度下5 mm板焊縫成形情況見表3。由表3可見,當(dāng)控制其他工藝參數(shù)不變,僅改變電弧送絲速度(電弧電流)時。5號焊縫背面成型較寬,有大顆粒焊瘤,正面有咬邊;6、7號焊縫正面余高較大;8號焊縫正背面成型較均勻一致;9、10號焊縫正面有少量凹陷,所以在焊接5 mm薄板時送絲速度應(yīng)控制在8 m/min。
由此可見,當(dāng)送絲速度過大時,電弧膨脹稀釋激光等離子體,電弧被吸引壓縮作用降低,穩(wěn)定效果下降,正面成形不穩(wěn)定,背面成型較寬。
表3 不同送絲速度下5 mm板焊縫成形情況
不同激光功率下5 mm板焊縫成形情況見表4。由表4可見,控制其他工藝參數(shù)不變,僅改變激光功率,11、12號焊縫背面余高較大,且寬窄不一,激光功率過高,能量密度越大,焊縫熔透性更好,焊縫背面余高增大;13號焊縫背面成型均勻,但正面局部余高較大;15、16號焊縫背面余高過小,局部未焊透。14號為較優(yōu)參數(shù),所以5 mm板的復(fù)合焊激光功率應(yīng)介于5 000~7 000 W。
表4 不同激光功率下5 mm板焊縫成形情況
復(fù)合焊,激光在焊接過程中會產(chǎn)生反射、折射、散射影響焊材對光能的吸收,造成能量浪費,影響焊接質(zhì)量。當(dāng)激光入射到金屬溶液上,表面開始汽化隨后形成匙孔,這些汽化的物質(zhì)會產(chǎn)生等離子云體[1](見圖1),同時,鋼板底漆焊接時會產(chǎn)生黑色煙熏物質(zhì)(見圖2),并在電弧作用下發(fā)生電離,且焊絲熔化會產(chǎn)生大量混合了保護氣體的氣體煙塵,這一綜合性氣體物質(zhì)屏蔽了光束,降低了金屬對激光能量的吸收率。
激光復(fù)合焊過程中吸收率應(yīng)在90%以上(船用低合金剛),可以通過選擇外加側(cè)吹氣法和調(diào)整MAG焊槍角度、激光角度、合適的保護氣體,以及流量等方法改善鋼板對激光的吸收率[2]。
圖1 焊接時產(chǎn)生大量煙塵及等離子體
圖2 鋼板上油漆產(chǎn)生的黑色物質(zhì)
如圖3,使用外加側(cè)吹氣管法,可以減少光束之間的總體煙塵量,增加工件對激光能量的吸收率。氣管內(nèi)徑選擇3~5 mm,管端部避開光束位置以避免損壞,壓縮空氣流量可根據(jù)選擇的總體能量調(diào)節(jié)。焊接時如產(chǎn)生較多綜合物質(zhì)煙塵可調(diào)整空氣流量、氣體角度及氣管位置,但要注意保證液態(tài)金屬熔池不會被吹散。
圖3 側(cè)吹氣管(施工現(xiàn)場)
調(diào)整氣體流量大小能改變光致等離子云體及煙塵的運動軌跡,使其發(fā)生偏移避開光束,可增強工件對光束的吸收率。不同氣體流量下的運動軌跡見圖4??梢栽黾觽?cè)吹氣管來提高激光吸收率,空氣流量選擇25 mL/min效果較好。
圖4 等離子云體運動軌跡
2.3.1 激光復(fù)合焊焊槍角度
激光復(fù)合焊設(shè)備以工件垂線為準焊槍角度可調(diào)節(jié)范圍為20°~60°。焊槍角度過大時,被保護范圍增加,單位面積上的保護氣體減小,保護效果下降,不利于熔池穩(wěn)定;焊槍角度越小,保護氣體角度越小,綜合氣體向上作用量增加,對激光的屏蔽效果增加,激光利用率下降。激光引導(dǎo)薄板焊接,MAG焊槍采用角度30°~45°,隨著板厚增加可適當(dāng)減小角度。
2.3.2 激光復(fù)合焊激光角度
激光角度為90°時光斑最小,能量利用率最高,匙孔成形也最為穩(wěn)定。但由于激光是垂直反射,增加了損壞保護鏡的可能性,此外,等離子體及焊接煙塵向上作用,阻礙了光束入射到工件,降低了工件對激光的吸收率,所以需要適當(dāng)偏移,見圖5。
圖5 激光與焊槍偏移角度示意
激光束的傾斜入射角度過大時,焊接深度增加,光斑變大,熔深變淺且匙孔穩(wěn)定性下降,氣體易被卷入形成氣孔,影響焊接質(zhì)量[3]。
綜上,激光復(fù)合焊設(shè)備激光角度建議選用范圍為5°~10°。
在焊接作業(yè)中,聚焦透鏡安裝在焊接小車的激光頭上,激光頭與工件表面的距離發(fā)生變化時,聚焦后的焦點位置也會發(fā)生變化,即在鋼板拼接不平整時,焦點相對鋼板的位置會上下偏移。鋼板上的光斑大小不定,會使焊縫寬窄不一,熔深大小不定;相對焊縫左右偏移會造成虛焊或焊不上。
焦點位置不準,會直接影響焊縫成形。相比正離焦,負離焦時激光束可獲得更大熔深,另外考慮MAG焊時的熔深2~4 mm,因此選用-2 mm離焦量以保證熔深[4]。為了保證焊縫成形質(zhì)量的穩(wěn)定性,要把板材的變形量控制在較小范圍,并且還要經(jīng)常校準激光焦點位置以保證設(shè)備精度。
光絲間距不變時,隨著激光功率適當(dāng)增加,兩熱源耦合效果增加,焊接趨于穩(wěn)定,功率降低時,匙孔上方光致等離子體隨之減少,對電弧的吸引作用降低。相反,在相同的功率下光絲間距的變化也會直接影響激光和電弧復(fù)合的穩(wěn)定性[5]。
光絲間距在負值時(如-2 mm),焊接過程中斷弧現(xiàn)象嚴重,工件對激光吸收率降低,焊接過程不穩(wěn)定,焊縫不連續(xù);光絲間距等于0或較近時,光斑的作用位置較靠近熔滴的下部,使熔滴在焊絲尖端不斷增大,而無法順利過渡到熔池中,大熔滴接觸到熔池時會產(chǎn)生強烈的爆斷和大量飛濺;光絲間距增加時,兩熱源相對獨立,光致等離子體不能吸引電弧,焊接穩(wěn)定性降低。
激光復(fù)合焊設(shè)備在焊接4~14 mm板縫時采用激光復(fù)合焊一次焊接成形,隨著板厚增加選擇功率和電弧電流及電壓也會增加,光絲間距也要適當(dāng)增加[6],所以選擇合適的光絲間距在后期的調(diào)試中尤為重要。
MAG電弧參數(shù)選擇不當(dāng),電弧呈極不穩(wěn)定的短路過渡,熔滴尺寸過大,過渡周期長,電弧穩(wěn)定性差,并且激光極易作用在熔滴上,熔滴會因局部過熱而產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象,造成焊接飛濺,工藝穩(wěn)定性下降,甚至?xí)p壞保護鏡片,見圖6。
圖6 保護鏡片受損
另一方面,較大的熔滴會阻礙激光能量入射到鋼板上,會損耗激光能量,造成焊接匙孔的不穩(wěn)定,產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。
因此復(fù)合焊接中采用MAG穩(wěn)定法進行穩(wěn)定的射流過渡,能有效提高板材對激光能量的利用率,MAG穩(wěn)定法效果見圖7。
圖7 MAG穩(wěn)定法對比
MAG穩(wěn)定法:MAG焊采用的電源Cloos Quineo Pulse 600具有弧長修正功能,能調(diào)整電弧光斑大小。首先關(guān)閉激光,人工確定電弧光斑直徑,然后把MAG調(diào)整到需要的送絲速度,并調(diào)整弧長修正(電弧電壓),觀察焊接時光斑的穩(wěn)定性。
電弧調(diào)整穩(wěn)定后,才能和激光更好地耦合。當(dāng)MAG焊在高速焊接時,電弧快速移動,光斑減小,易發(fā)生跳躍移動導(dǎo)致穩(wěn)定性差,應(yīng)適當(dāng)減少光絲間距,2熱源靠的越近耦合越好。激光引導(dǎo)焊接薄板,高速焊接中激光焦點位置選擇距離電弧光斑中心點前端1~2 mm處。
1)實驗證明,激光功率、焊接速度、送絲速度對焊縫成型影響較大,選擇合適的焊接參數(shù)尤為重要。
2)激光吸收率受較多因素的影響,可通過調(diào)整MAG焊槍角度、激光的入射角,側(cè)吹氣體改善激光吸收率。
3)焊接作業(yè)時焦點位置要對準焊縫中心,對焊接工況有較高要求。
4)合適的光絲間距可提高兩熱源耦合狀態(tài),復(fù)合效果穩(wěn)定。
5)電弧短路過渡時,會產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象,焊接非常不穩(wěn)定,可以利用MAG穩(wěn)定法優(yōu)化電流熱源,達到更穩(wěn)定的復(fù)合效果。