在許多領(lǐng)域中，例如船舶制造、設(shè)備和儀器、管道施工中，使用工業(yè)焊接設(shè)備的用戶都希望產(chǎn)品具有高性價(jià)比和穩(wěn)定的性能。為了滿足這些要求，需要不斷開發(fā)出更先進(jìn)和創(chuàng)新的設(shè)備，這經(jīng)常會(huì)成為決定“成敗”的一個(gè)因素。而當(dāng)涉及到高強(qiáng)度鋼時(shí)尤為如此。 

    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(huì)阻礙這兩個(gè)目標(biāo)的同時(shí)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(huì)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(duì)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(dòng)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(zhǎng)度焊接時(shí)間通常由焊道的數(shù)量來(lái)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(gè)很好的例子，它結(jié)合了先進(jìn)焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)提高效率和質(zhì)量。以Nd:YAG激光器來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)壁厚為13mm的I（方）形坡口對(duì)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(gè)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(gè)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(wú)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(gè)焊道組成，焊接速度為140cm/min，這是實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(huì)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(huì)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(guó)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(duì)于這類制造行業(yè)，通常用T形接頭角焊縫來(lái)焊接加強(qiáng)筋。下一部分描述了用固態(tài)激光對(duì)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(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。這個(gè)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?？梢酝ㄟ^擴(kuò)大激光光束的光斑直徑來(lái)減少這個(gè)區(qū)域。不過正如我們所知道的那樣， 這可能會(huì)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(gè)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(lái)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(shí)間來(lái)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(duì)于提高冶金性能來(lái)說也很重要，同時(shí)，調(diào)整好外圍參數(shù)例如送絲速度和焊接速度對(duì)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(huì)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(huì)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(shí)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(duì)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(lái)說可以降低成本并提高質(zhì)量。

     作者：Herbert Staufer