中厚板的激光+电弧复合焊接

编者按：近年来，我国造船业国际国内订单暴增，已占据世界造船量的大半，迎来新的行业发展前景。造船业是国家重要的支柱产业，焊接技术是造船技术的最重要分支之一，激光+电弧复合焊接技术是近年来发展起来的新的焊接技术，适合中厚板焊接，在造船行业有重要应用前景。

                                                        中厚板的激光+电弧复合焊接

天津大学材料学院  木未然

造船业是国家重要的支柱产业，焊接技术在造船技术中居于极其重要的位置，接头焊接是一项重要工程，其中T型接头占了接近70%。传统的T型接头通常采用电弧焊接，但这种方法存在一些不可忽视的问题，如：成形不精确，焊接效率低，热影响区域大，焊缝相对较浅，等。激光-电弧复合焊接技术因其高能量密度而备受瞩目，具有低热输入、高焊接速度、大深宽比焊缝、狭窄的热影响区以及微小的焊接变形等优势。使用激光-电弧复合焊接技术进行T型接头的焊接，能够实现高效、外观精美，并具有较小的焊接变形等优势，同时焊接接头的力学性能也更为优越。

  1、中厚板T型接头激光+电弧复合焊接 

如下图为采用激光+电弧（GMA焊）焊接T型接头的工程案例，其中，激光功率9kW，送丝速度10m/min，焊接速度70cm/min，母材厚度10mm，单面焊双面成形，一次焊透。T型接头焊接试验过程与条件如下。

① 工件清理：由于焊接过程中氧化膜及污渍可能会在焊接过程中进入焊缝，因此为防止干扰焊接效果，在拼接前使用角磨机对焊缝表面氧化膜进行打磨处理，并使用无水乙醇对工件进行清洗烘干，去除掉工件表面油污。

② 装夹工件：使用特制的夹具将两工件成90°拼接组成试验工件。

③ 坡口形式：T型接头不开坡口会使焊缝没有咬边缺陷，同时也降低了加工成本，提高了生产效率；如果开坡口，开坡口的焊缝因额外空间的填充而出现咬边现象。

④ 激光束与面板倾角：激光束与面板的角度对焊缝熔深有影响，合适的倾角会使焊缝熔深较大，因而焊缝根部的面板和腹板能很好的熔合在一起。

使用激光-电弧复合焊接技术的优势：1)焊缝质量好，激光-电弧复合焊接技术能够提供高能量密度，使得焊接过程更为深入和集中，有助于实现焊缝的深熔，从而提高焊缝的质量和牢固性。2)激光-电弧复合焊接技术具有高效率和精确控制的特点，在T型接头的焊接过程中，高效率的焊接速度和精确的焊接控制可以确保焊接质量的一致性，同时提高生产效率。3)减少热影响区，激光焊接的高能量密度有助于减小热影响区，可以降低材料的热变形，从而提高接头的几何精度。4)可以更精确地控制焊缝的形状，这意味着可以更好地控制横梁和纵梁的连接部位，确保焊缝的形状符合设计要求。

激光电弧复合焊接技术在中厚板焊接中具有优势，可以提高焊接质量、加工效率，同时降低热影响，使其在工程制造中得到广泛应用。

2、中厚板焊接注意事项

① 不同厚度的板材对接时，过渡可能不平缓

采用不同厚度及宽度的板材对接时，注意板的厚度差是否在标准允许范围内。如不在允许范围内且不做平缓过渡处理，焊缝在高出薄板厚度处易引起应力集中和产生未熔合等焊接缺陷，影响焊接质量。当超过有关规定时应将焊缝焊成斜坡状，其坡度最大允许值应为1:2.5；或厚度的一面或两面在焊接前加工成斜坡，且坡度最大允许值为1:2.5；当直接承受动载荷且需要进行疲劳验算的结构斜坡坡度不应大于1:4。

② 多层焊接时的层间温度控制

厚板多层焊接时，不注意层间温度控制，如层间间隔时间过长，不重新预热就施焊容易在层间产生冷裂纹；如间隔时间过短，层间温度过高（超过 900 ℃），对焊缝及热影响区的性能也会产生影响，会造成晶粒粗大，致使韧性及塑性下降，会对接头留下潜在隐患。因此，应加强对层间温度的控制，在连续施焊过程中应检验焊接的母材温度，使层间温度尽量能与预热温度保持一致，对层间的最高温度也要加以控制。焊接时间不应过长，如遇有焊接中断的情况时应采取适当的后热、保温措施，再次施焊时，重新预热温度应适当高于初始预热温度。

③ 焊接变形

焊接时不注意从焊接顺序、人员布置、坡口形式、焊接规范选用及操作方法等方面控制变形，从而导致焊接后变形大、矫正困难、增加费用，尤其是厚板及大型工件，矫正难度大，用机械矫正易引起裂纹或层状撕裂。用火焰矫正成本高且操作不好易造成工件过热。对精度要求高的工件，不采取有效控制变形措施，会导致工件安装尺寸达不到使用要求，甚至造成返工或报废。减小焊接变形的措施：采用合理的焊接顺序并选用合适的焊接规范和操作方法，还要采用反变形和刚性固定措施。

④ T 型接头、十字接头、角接接头焊接的熔透要求

T型接头、十字接头、角接接头等要求熔透的对接或角对接组合焊缝，可能因焊脚尺寸不够，或设计有疲劳验算要求的吊车梁或类似构件的腹板与上翼板缘连接焊缝的焊脚尺寸不够，使焊接的强度和刚度均达不到设计的要求。对于这类要求熔透的组合焊缝，设计要求有足够的焊脚，一般焊脚尺寸不应小于0.25t（t 为连接处较薄的板厚），有疲劳验算要求的吊车梁或类似的腹板与上翼缘连接焊缝的焊脚尺寸为0.5t，且不应大于10mm。焊接尺寸的容许偏差为0～4 mm。

⑤ 焊接在接头间隙中填塞辅助材料的问题

有的焊接为保证填满接头间隙，采取一些非标准的塞焊条头或铁块等工艺措施。但由于焊接时不易将焊条头或铁块与被焊件熔为一体，造成未熔合、未熔透等焊接缺陷；因难以保证与母材的材质一致，还可能降低连接强度或增加淬硬倾向。这些情况均会使接头的焊缝质量大大降低，达不到设计和规范对焊缝的质量要求。面对这些问题可考虑：1）当工件组装间隙很大，但没有超过规定允许使用的范围，组装间隙超过薄板板厚2倍或大于20mm时，应用堆焊方法填平凹陷部位或减小组装间隙。严禁在接头间隙中采用填塞焊条头或铁块补焊的方法。2）零件加工划线时，应注意留足切割余量及切割后的焊接收缩余量，控制好零件尺寸，不要以增加间隙来保证外形尺寸。