在熔焊技術(shù)中,高焊接速度和良好的焊縫搭橋能力是首要的目標(biāo)。然而,常規(guī)的連接工藝,例如氣體保護(hù)焊(GMAW),其物理學(xué)限制經(jīng)常會阻礙這兩個目標(biāo)的同時實(shí)現(xiàn)。激光混合單絲GMAW弧焊和雙絲焊接已成功使用,這大幅拓展了應(yīng)用領(lǐng)域。將電弧與激光束結(jié)合在一起,可能會幫助熔焊在性能和質(zhì)量上實(shí)現(xiàn)大的飛躍。
本文介紹了在船舶制造領(lǐng)域中的焊接應(yīng)用,例如將球扁鋼作為加強(qiáng)筋連接到腹板。對實(shí)際船舶制造中用的鋼種和部件進(jìn)行的焊接試驗(yàn)可以證明,固態(tài)激光-GMA復(fù)合焊接工藝可以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)性和高質(zhì)量的結(jié)果。目前,固態(tài)激光-GMA復(fù)合焊使用了極為先進(jìn)的復(fù)合焊接頭,可以節(jié)約成本,是替代埋弧焊(SAW)的一種高效高質(zhì)量的選擇。
激光-GMA復(fù)合焊接在管道中的應(yīng)用
半自動氣體保護(hù)焊(GMAW)目前應(yīng)用于生產(chǎn)陸上與水下管道。單位長度焊接時間通常由焊道的數(shù)量來決定,隨著管道壁厚的變化而變化。
管道行業(yè)一直在嘗試降低運(yùn)行成本,這一努力促使了先進(jìn)的創(chuàng)新技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。例如,更高強(qiáng)度的母材像API 5LX-80及以上(允許相當(dāng)大幅度的壁厚減少)已應(yīng)用于現(xiàn)代管道的鋪設(shè)。雙絲GMAW焊接(GMAW- tandem)便是一個很好的例子,它結(jié)合了先進(jìn)焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)同時提高效率和質(zhì)量。以Nd:YAG激光器來替代通常使用的CO2 激光器,兩種類型的激光產(chǎn)生的焊縫尺寸和生產(chǎn)效率極為相似。
參考資料提供了關(guān)于CO2 激光焊接API 5L X80 管線鋼的有價(jià)值信息。其中,實(shí)際焊接試驗(yàn)使用了12kW的CO2 激光來實(shí)現(xiàn)壁厚為13mm的I(方)形坡口對接接頭的自焊。單面和雙面操作模式的焊接速度分別為0.75和1.65 m/min。焊接接頭的塑性、強(qiáng)度和韌性都很出色。該參考資料隨后介紹了一種能大大降低高昂的焊接成本的方法,這其實(shí)正是管道總體費(fèi)用中的一個主要組成部分。值得一提的是,該行業(yè)一直努力探索,在不影響工程質(zhì)量的前提下提高效率的方法,而應(yīng)用先進(jìn)的焊接工藝極有可能幫助實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。管道施工中的焊接成本主要由兩個方面決定:根焊以及填充和蓋面焊。
實(shí)驗(yàn)設(shè)置和焊接結(jié)果
試件的直徑為190 mm,壁厚為12mm。根焊無需襯墊即可實(shí)現(xiàn),焊接速度為70 cm/min。大約三分之二的槽截面由根部焊道組成;只有第二層由三個焊道組成,焊接速度為140cm/min,這是實(shí)現(xiàn)整個焊接所必需的。見圖1中的右圖。
在車間里使用該系統(tǒng)反應(yīng)結(jié)果良好。不過,這一概念僅限于鐵磁材料,例如鐵基合金或鋼。
船舶制造中的激光-GMA復(fù)合焊在船舶制造中,球扁鋼型材經(jīng)常用于增加組件和截面零件的剛度,平均加強(qiáng)筋厚度介于4.0和8.0mm之間。到目前為止, 最廣泛使用的焊接工藝是埋弧焊(SAW)。然而,需要克服的問題就是大線能量和低或中等的焊接速度,這會引起翹曲和扭曲,從而需要大量的返工,例如火焰矯形。在這方面的最佳解決方案是使用激光光束,但是制備及預(yù)組裝所產(chǎn)生的公差會影響到激光的單獨(dú)應(yīng)用。激光-GMA復(fù)合焊接可以解決這些問題。德國Papenburg的Meyer Werft船廠安裝了CO2 激光-GMA復(fù)合焊接系統(tǒng),并使用了很多年,這足以證明它可以在工業(yè)中得到成功應(yīng)用。對于這類制造行業(yè),通常用T形接頭角焊縫來焊接加強(qiáng)筋。下一部分描述了用固態(tài)激光對上述加強(qiáng)筋型材進(jìn)行單邊全焊透。
加強(qiáng)筋厚度的變化
宏觀斷面。必須特別注意熔合區(qū)中標(biāo)記出的明亮區(qū)域。在給定條件(見表1) 下,加強(qiáng)筋厚度不同,該區(qū)域會相應(yīng)發(fā)生變化。這個區(qū)域代表的是單位體積, 亦即在焊接過程中被融化的部分。可以通過擴(kuò)大激光光束的光斑直徑來減少這個區(qū)域。不過正如我們所知道的那樣, 這可能會降低熔透深度和/或焊接速度, 所以需要提高激光功率以做補(bǔ)償。因此,在整個焊接工序中如何平衡好激光功率、熔敷速度和焊接速度之間的關(guān)系是非常重要的。
圖3顯示了船舶制造工業(yè)中球扁鋼型材T形接頭單邊全焊透,腹板厚度約為10mm(表2)。激光光束與水平板成12°的入射角,GMAW焊槍傾角為45°。
小結(jié)
新的激光-GMA雙絲復(fù)合焊接技術(shù)將激光混合單絲GMAW弧焊與GMA雙絲焊技術(shù)結(jié)合在一起,可以獲得極大的好處。這一新的技術(shù)概念擴(kuò)大了焊接的應(yīng)用范圍,特別是原來單純的激光焊接在某些行業(yè)的應(yīng)用中存在著一些物理學(xué)方面的限制,或傳統(tǒng)的單絲激光復(fù)合焊不能實(shí)現(xiàn)某些高的焊縫性能,現(xiàn)在都可以解決了。目前已證實(shí)了這一頂尖的工藝可以降低在激光電源上的投入,并通過降低焊接周期時間來減少運(yùn)行費(fèi)用, 且提高了速度。而關(guān)于焊縫的質(zhì)量方面,焊件的機(jī)械和冶金性能都得到了提高,不過選擇合適的耗材對于提高冶金性能來說也很重要,同時,調(diào)整好外圍參數(shù)例如送絲速度和焊接速度對于提高機(jī)械性能也很關(guān)鍵。
本文介紹了船舶制造領(lǐng)域的焊接應(yīng)用,例如將球扁鋼作為加強(qiáng)筋連接到腹板。通常使用的埋弧焊往往會導(dǎo)致翹曲和扭曲,從而使得需要大量的返工,例如火焰矯形。這會產(chǎn)生額外的費(fèi)用。而使用固態(tài)激光-GMA復(fù)合焊接可以同時降低成本及提高質(zhì)量,并可適用于所有的接頭。
要想成功實(shí)施高功率(≤10kW)固態(tài)激光-GMA復(fù)合焊接,焊接頭是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。通過借鑒船舶制造工業(yè)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可以實(shí)現(xiàn)能完全滿足特定需求的產(chǎn)品。對實(shí)際船舶制造中用的鋼種和部件進(jìn)行的焊接試驗(yàn)可以證明,固態(tài)激光-GMA復(fù)合焊接工藝可以實(shí)現(xiàn)高可重復(fù)性和高質(zhì)量的結(jié)果。因而,使用了極為先進(jìn)的復(fù)合焊接頭的固態(tài)激光-GMA復(fù)合焊接,相比埋弧焊(SAW)來說可以降低成本并提高質(zhì)量。
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