（材料加工工程专业论文）x80钢激光mag复合焊接接头组织性能研究.pdf

摘要 本课题是针对中厚x 8 0 高强钢板对接焊接的需求，为了全面掌握激光电弧复合 焊接厚板的焊接技术和焊接性能，以光纤激光和m a g 电弧为热源，开展坡口钝边为 6 m m 的高强钢厚板激光电弧复合焊接技术的基础研究，实现高强钢平板对接的平焊、 4 5 0 爬坡焊、立焊、斜仰焊和仰焊位置焊缝根焊一次焊接完成，并对这五个工位的焊接 接头的组织和性能进行研究。 通过对五个工位的激光m a g 焊接试验研究，得出了各个工位的最优焊接参数。 其中平焊的最优焊接参数为：激光功率3 5 0 0 w ，离焦量o ，送气速度3 0l m i n ，保护气 使用的是1 8 c 0 2 ，8 2 心混合气体，光丝间距5 砌m ，两个板之间的间隙采取0 6 m m ，电 弧的平均电流为2 2 0 a 。其他几个工位焊接最优参数相同：激光功率3 8 0 0 w ，离焦量0 ， 送气速度3 0l m i n ，保护气使用的是18 c 0 2 ，8 2 加。混合气体，光丝间距0 ，两个板之间 的间隙采取o 6 删 1 1 ，电弧的平均电流为2 2 0 a 。 分别选取五个工位的焊接接头，对其中的热影响区组织和焊缝组织进行比较研 究，得出工位对组织影响不大，各个工位的热影响区中组织类型基本一致，均主要由 各种铁素体构成，焊缝组织主要由针状铁素体构成。此外还对五个工位的焊接接头性 能进行了研究，对五种接头分别进行了拉伸测试、夏比冲击测试和硬度测试，综合各 中种测试的结果，得出平焊工位的综合力学性能最好。 关键词：x 8 0 钢激光m a g 复合焊接焊接工位针状铁素体 a b s t r a c t w i m 也ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fx 8 0s t e e l ，i th a sg r e a ts i 鲥f i c a l l c et oc 哪ro u t l l i 曲s 仃e n 咖s t e e lp l a t eb u 位w e l d i n g t e s t i no r d e rt oc o m p r e h e n s i v e l yg r a s pt l l em i c kp l a t e o fl a s e r a r ch y b r i dw e l d i n gt e c l l i l o l o g ya 1 1 dp e 怕衄a i l c e ，t h i sp 印e rm a k et 1 1 et o p i c so f x 8 0h i 曲s 能n g t hs t e e lp l a t e1 a s e r a r ch y b r i dw e l d i i l gt ec ： l i l o l o g y f o rb a s i cr e s e a r c h h y b r i dw e l d i n gu s i i l go p t i c a lf i b e rl a s e ra n dm a g a r ca sh e a ts o u r c et oa c l l i e v eac o m p l e t e 1 1 i 西s 慨n g t hs t e e lp l a t eb u 钍w e l dr o o to fw e l d i n g t l l ew e l d e djo i n t so p e nv - 伊o o v e ，b l u n t t l l ee d g et l l i c k n e s so f6 m m t h e r ea r ef i v e 、e l d i n gs t a t i o n ，n a tp o s i t i o nw e l d i n g ，i n c l i i l e d w e l d i n g ，v e r t i c a lp o s i t i o nw e l d i n g ，i n c l i n e d o v e r h e a dw e l d i n ga n do v e r h e a dw e l d i n g t h e m i c r o s 仃u c t 吡ea i l dm e c h a i l i c a lp r o p e n i e so ft h i sf i v ew e l d e dj o i n t sh a v ea l s ob e e ns t u d i e d n l r o u g h 廿l en v e s t a t i o nl a s e r - m a gw e l d i n ge x p e r i m e n t a lr e s e a l r c h ，e a c hs 诅t i o n o b t a i n e dt h eo p t i m a lw e l d i n gp 舢e t e r s t h eo p t i m a lp a r a m e t e r so fn a tw e l d i n g i s d e s c r i b e da sb e l o w ：t h ed o w e ro fl a s e ri s35 0 0 w ；t h ed e f o c u s i n ga n 吼ti s0 ；m es p e e do f t l l es 1 1 i e l d i n gg a si s3 0l m i n ；m es l l i e l d i l l gg a sc o m p o s i t i o nb y18 c 0 2a 1 1 d8 2 a r ；t 1 1 e d i s t a i l c eb e 觚e e nl a s e ra n d 丽r ei s5 m m ；t l l eg 印b e 铆e e nm e 铆op l a t ei so 6 i 衄a i l dt h e a r ca v e r a g ec u r r e n ti s2 2 0 a t h eo n l e rs e v e r a lw e l d i n gs t a t i o n sh a v et h es 锄eo p t i m a l 口a r 锄e t e r s ni sd e s c 舶e da sb e l o w ：m ep o w e r o f1 a s e ri s38 0 0 w ；t h ed e f o c u s i n g 锄。删i s o ；m es p e e do fm es h j e l d i n gg a si s3 01 m i n ；t h es m e l d i n gg a sc o m p o s i t i o nb y18 c 0 2 a n d 8 2 心：t h ed i s t a l l c eb e t w e e n1 a s e ra n d 谢r ei s0 ；m eg 印b e 帆e e nt 1 1 e 批op l a t e si s0 6 m m a i l dt h ea r ca v e m g ec 岍e n ti s2 2 0 a t h em i c r o s t m c t u r eo ft l l eh e a t a f - f e c t e dz o n ea 1 1 dt l l ew e l di nf i v ew e l d i n gb e a ds t a t i o n h a sa l s ob e e ns t u d i e d a sc a nb es e e n 行o m 1 er e s u l t s ，w e l d i n gs t a t i o nh a sl i t t l ei m p a c to n t h em i c r o s t m c t u r e t h et ) 伊e so fm i c r o s t r u c t u i eo ft h eh e a t - a f - f e c t e dz o n ei ne a c hw e l d i n g 删i o na r eb a s i c a l l y 也es 锄e ，m a i l l l yc o n s t i t u t e db yav a r i e 够o f f e r r i t e t h em i c r o s t n l c t u r e o fw e l d i n gb e a di sm a i l l l yc o n s t i t u t e db ya c i c m a rf e r r i t e i na d d i t i o n ，f i v ew e l d i n g s t a t i o n s o nt h em e c h a l l i c a lp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t sh a v eb e e ns t u d i e d t h ef i v e 姑n d so fj o i n t s w e r ec a 币e do u tt e n s i l et e s t ，c h a 叩yi m p a c tt e s t i n ga 1 1 dh a r d n e s st e s t i n g s u i 】 1 i i l i n gu pa l l t h ek i n d so ft e s tr e s u l t s ，c o n c l u d e dt 1 1 a tt 1 1 em e c h 砌c a lp r o p e n i e so ft h en a tp o s i t i o n 、v e l d i n gi sb e s t k e yw o r d ：x 8 0l i n e p i p es t e e l s ，l a s e r - g m ah y b r i dw e l d i n g ，w e l d i n gs t a t i o n ， a c i c u l a rf e r r i t e i i 1 1 前言 第一章绪论 随着石油天然气用量的增加，油气的运输成为一个日益重要的问题。这就对所使 用的输油管道提出了很高的要求，不但要有很高的输送量，同时还要能在恶劣的环境 中正常运行，因此发展强度和韧性都较高的管线钢就成为必然的选择。目前各国都在 积极开发高强管线钢，己开发出了x 1 2 0 级超高强度钢。现今在工程上使用的高强钢 最高级别为x 8 0 钢，x 7 0 是目前使用最多的较高级别高强钢。我国自己开发生产的 x 7 0 高强管线钢已在“西气东输”工程中得到了全面使用，x 8 0 高强钢目前仅在冀宁管 道上成功试用。而欧美一些国家已经先后使用x 8 0 钢建成了许多输油气管道，并且还 在研究更高钢级的管道。比如加拿大就在2 0 0 2 年试建了一条长达1 k m 的x 1 0 0 钢级 的管道，后经过两年时间的发展就又建成了1 6 k m 的x 1 2 0 级的钢管管线，虽然这些 管线都是一些实验管线，但是它已经向人们证明了管线钢在不断的向更高钢级别的程 度发展【。 高强韧性管线钢属于低合金高强钢，它是一种低碳或超低碳的微合金控轧钢，它 在制造生产中采用了许多细化晶粒的技术，使其组织中的晶粒度得到了大幅度的下 降，同时由于采用了先进的冶炼技术，使其钢中的含碳量很低，达到了低碳甚至超低 碳的水平。晶粒的细化和含碳量的降低使其具有了极高的强韧性，并且同时也使其焊 接性得到了大幅度的提高，比如在热影响区里的冷裂纹敏感性得到了大幅度降低，同 时由于晶粒细小，使其粗晶区的晶粒长大程度也下降，提高了韧性，这使其能够使用 激光束和等离子束等大线能量的焊接热源进行焊接。 但是这种钢中由于含有多种合金元素，它的碳当量比较高，强度也较大，在焊接 过程中，虽然热影响区里的冷裂纹倾向不大，但是焊缝中的冷裂纹倾向却比较大，在 焊接时要极其注意这一问题。对于高能量束的焊接，如本次试验的激光复合焊接，一 定要对焊接接头的组织和性能进行分析检测，尤其注意对焊缝金属的焊接质量要进行 严格的评定，避免热影响区里的粗晶组织过分长大，以及对其韧性的破坏 2 1 。 高强度管线钢的这些焊接要求为激光焊接的应用提供了广阔的天地。激光焊接是 六十年代发展起来的，以高能量密度的激光为热源的精密焊接技术，己在航空航天、 电子轻工业、汽车制造、船舶、机车、容器结构等行业得到了广泛的应用。相比于传 统的焊接方法，激光焊的焊接速度快、生产效率高；热输入小使接头热影响区小，焊 接变形小；深熔焊的焊缝深宽比高。随着大功率激光器的出现，激光焊接板厚己从零 点几毫米提高到了5 0 舢 1 1 【j ，4 | 。 然而激光焊接由于其特点是将极高的激光能量聚焦到很小的光斑里，在焊接时利 用这个小光斑来熔化材料将工件焊合，这使得激光焊接对工件的装配间隙有着很高的 要求，一般都要求间隙在0 2 n m 以下，同时，由于其焊接热源来自光束，因此其在焊 接一些高反射率的材料时要很高的能量，这给这些材料的激光焊接带来了很大的困 难。激光填丝焊的焊接过程容易产生不稳定性、光束能量利用率低；由于熔池金属冷 却速度快、容易产生气孔、缩孔、咬边等焊接缺陷；大功率激光器价格昂贵，使得设 备投资很大。 因此，为了能够利用激光焊的高能量密度的优点同时又能克服它的这些缺点，发 展了激光复合焊技术。 1 2 激光复合焊接的基础知识概述 谈到激光复合焊接就不得不提到英国学者w m s t e e n ，他在2 0 世纪8 0 年代初， 首次提出了激光电弧复合焊接的概念【5 】，并且做了大量的相关实验研究，引来了各国 学者的高度关注，并开始对这一课题进行深入广泛的研究【6 12 1 。这为解决激光焊接 成本高、桥联性差等问题做出了巨大的贡献，并且也拓展了激光焊接技术的应用范围。 1 2 1 激光一电弧复合焊接技术的基本原理 激光电弧复合焊接的基本原理就是将两种不同性质的焊接热源复合在一起对工 件进行加热熔化，这两个热源的作用位置要处在工件的同一个部位或略有偏离，通过 两者的相互作用或相互辅助来完成对工件的焊接。这种方法既会充分发挥两种热源的 优点，又会弥补各自的不足，形成一种高效稳定的新的焊接热源。目前已经有研究报 道的复合焊接方法包括，激光t i g 焊、激光m i g m a g 焊、激光等离子弧焊和激光 多电弧复合焊接等1 1 引。 研究表明【1 4 2 5 】，激光电弧复合焊接里的两种热源是相互作用相互影响的关系，激 光可以对电弧产生一个压缩的作用，电弧可以对激光产生一个引导的作用，这就使得 两种热源能够充分发挥各自的作用，达到取长补短的作用。这种复合热源的电弧的性 质不同于它们当中的任何一个单一的热源，具有自己独特的特点，利用复合焊接得到 的焊缝也与单一热源焊接的焊缝特征有一定的差别，复合热源焊接能够显著提高焊接 效率，并且提高了工件的焊接适应性。 图1 1 示意出了激光电弧复合焊接的基本原理：激光束和电弧共同作用于工件的 表面，电弧的热量将在工件的表层被吸收，并在工件表面上方产生一个电弧，激光束 穿过电弧打到工件表面使工件表面的材料迅速熔化并气化，这会促进电弧的生长，同 时电弧也会对激光束产生一个引导的作用，使激光束在工件表面产生一个等离子体， 这个等离子体与电弧会发生相互吸引和相互作用，使各自都稳定的存在于工件的表 面。同时由于激光的高能量密度使其能够打进工件的深处，产生所谓的匙孔，即激光 的小孔效应。 警光零，! 电校 搿r 一一 图1 1 激光电弧复合焊接原理图 1 2 2 激光电弧复合焊接特点 医 焊接方向 激光电弧复合焊接的适应性很强，不像单一激光那么要求严格，对工件的装配间 隙有很大的适应性，同时，由于电弧对工件有一个预热的作用，使得在焊接高反射率 的材料时，能提高它们的吸收率，这些都使得它具有了自己独特的工艺特点【2 6 。3 0 】： 1 高效、节能、经济 单独使用激光焊接时，由于等离子体的吸收与工件的反射，能量的利用率很低。 利用复合焊接时，由于电弧的加热作用，可使材料在熔融的状态下被激光辐照，这会 大大调高激光的吸收率，显著调高焊接熔深，从而可以降低对激光能量的要求，达到 降低成本的目的。有研究表明，复合焊缝的熔深比同等条件下的单激光焊的熔深提高 一半以上，并且速度可以提高1 2 倍。由此可见，激光与电弧的复合，可以有效利用 电弧能量，在获得同样焊接效果的条件下降低激光功率。这就意味着可以减少激光设 备的投资，提高效率，从而降低焊接成本。 2 增加熔深 与同功率下的单激光焊接相比，复合热源焊接的熔深最大可增加一倍多。特别是 在窄间隙大厚板焊接中，采用激光m i g 复合热源焊接时，在激光作用下，电弧可潜 入到焊缝深处，减少填充金属熔覆量，实现大厚板深熔焊接。电弧焊焊接过程很不稳 定，会受到各种干扰因素的影响，造成在焊接过程中阳极斑点和阴极斑点的跳跃，使 焊接质量变坏，出现各种焊接缺陷，如咬边、驼峰等【3 1 | 。在加入了激光热源后，激 光会对电弧有一个压缩和稳定的作用，能够为电弧提供稳定的燃烧过程，使焊接过程 更稳定，并且提高电弧的电离程度，激光等离子体与电弧相互作用，压缩和稳定电弧， 同时电弧也会对激光等离子体产生一个引导和预热的作用，从而可提高焊接过程的稳 定性【1 8 ，2 。 激光致等离子对激光深熔焊接有很大的影响，它会反射、散射激光，使激光的能 量受到很大的损失，这就使到达工件表面的能量减小，减弱了工件对激光的吸收，直 接影响焊接熔深和焊接效率。而等离子体对激光能量的吸收又是与它的密度成正比 的。由于等离子体是由电子和离子组成，它们的密度越高，则等离子体的密度就越高， 则其对激光的吸收就越多，也就会对激光的能量造成很大的损失。而电弧是一种低温 的等离子体，即它的密度很低，其中的离子和电子稀疏，当它与激光作用时，会对激 光产生的光致等离子体有一个稀释的作用，从而使激光在穿越等离子体的时候能够不 会被吸收的厉害，不至于造成很大的能量损失，使激光的能量能够有效的作用到工件 或材料上，并使之能够有效的吸收，从而可以大大的增加其熔深，并且提高焊接速度， 提高焊接效率。 材料对激光能量的吸收对熔深也有一定影响，材料表面温度对激光能量吸收率影 响很大。一般来说，金属材料对光的吸收与温度有很大的联系，在低温时的吸收率要 小于高温时的吸收率，如在室温下，材料对激光的吸收率是非常小的，一般小于2 0 ，尤其是一些导电导热性好的材料，在室温下对激光吸收能力甚至更低，吸收率小 于1 0 ；当材料的温度从室温提高到熔化温度时，吸收率可达5 0 以上；当温度达 到沸点时，吸收率可能高达9 0 。因此电弧预热工件，使工件表面温度升高，能大大 增加材料对激光能量的吸收率。 3 减少焊接缺陷、改善焊缝微观组织 对于厚板的激光焊接，在焊接过程中会出现很多问题。比如，气孔和咬边缺陷的 产生，就是由于单激光焊接的速度很快，使熔池中的气体来不及溢出所致，这使得单 激光焊在焊接厚度上也受到很大的限制。同时，由于激光焊接时产生的等离子体对激 光的吸收和散射的作用，在焊接厚板时所产生的粗大的等离子体会严重影响激光束的 加热作用，使其不能完全发挥其深熔焊接的特点，造成能量的浪费，另外，激光焊接 时由于其焊接速度较快，冷却速度也很快，使熔池中的合金元素不能很好的扩撒，造 成熔池金属的成分偏析较严重。当加入电弧后，与激光焊相比，激光电弧复合热源焊 接能够减缓熔池金属的凝固时间，有利于相变的充分进行，减少气孔、裂纹等缺陷的 产生。 4 改善焊缝成形 单独激光焊，由于材料的熔融量小容易产生咬边缺陷，激光电弧复合热源作用于 工件时，材料的熔融量增大，这就使得熔化金属能够充分的与母材金属润湿，得到过 渡平滑的焊缝，不会造成咬边缺陷，同时，它们的能量可以通过调节电流和电压以及 激光器的输出功率来进行控制，两种热源可以自由组合配比来获得焊缝的不同深宽 比。 4 g m a ww e l di na 一3 6 8 3 0 j ，2 7 0 衄s e c ，5 7 k g h rw ir e ， l m i nt r a v e l a u t o g e n o u sn d ：y a g l a s e rw e l di na 一3 6 4 k e2 4 0j 衄， 1 i nt r a v e l h y b r i dn d ：y a gl a s e r w e l dina 一3 6 ：4 k w ， 10 6 0 j 珊，5 7 k g h r w i r e ：1 m i nt r a v e l 图1 2 不同焊接方法的焊缝形貌图 5 提高焊接适应性 电弧的加入使得工件表面的熔合宽度增大( 特别是m i g 电弧) ，降低了热源对间 隙、错边及对中度的敏感性，减少了工件对缝的加工、装配劳动量，提高了生产效率。 6 减少焊接变形 与普通电弧焊相比，激光电弧复合热源焊接的速度快、热输入量小，因而热影响 区小，焊缝的变形及残余应力小。特别在大厚板的焊接时，由于焊道数量的减少，相 应地减少了焊后矫形的工作量，提高了工作效率。 1 2 3 激光电弧复合焊接的研究现状 ( 1 ) 激光一t i g 复合焊接的研究现状 激光与电弧的复合，最早的方式是激光与t i g 的复合，这是由英国学者w m s t e e n 在1 9 7 8 年提出的。他发现：采用激光在前电弧在后的复合方式，在对0 8 m 瑚厚 度的纯钛板焊接时，焊接速度可以提高原来单激光焊时的2 倍；在焊接o 2 m m 厚的马 口铁时，采用激光在后电弧在前的焊接方式，可以使焊接速度调高原来的4 倍【5 1 。这 种复合方式的原理如图1 3 所示。激光与t i g 旁轴复合焊接时，采用激光在电弧前面 的焊接方式，由于激光的热作用可以使材料表面的氧化皮以及杂志得到清除，这会大 大减少钨极的污染，对增加电极的使用寿命有很大的帮助，同时这种复合焊接的方式 比单独的t i g 焊接具有更高的能量密度，能够显著的提高焊接速度，和焊接稳定性， 么= 窑 图1 3激光一t i g 旁轴复合焊接原理图 尤其在高速焊接时，这种优势更加明显，是单独t i g 焊接所不能达到的。另外，复合 焊接的焊缝也比单独激光焊接所产生的焊缝成形更加美观稳定，并且能减少咬边缺陷 的产生，提高了工艺稳定性【3 厶3 4 j 。 另外，t i g 焊的非熔化极特性还有利于与激光实现同轴复合焊接，利用这一特性， 激光t i g 的同轴复合方式也得到了大幅度的发展。出现了双光束既两路激光与多电极 的同轴复合方式，单光束即一路激光与多个电极的同轴复合方式，如图1 7 所示。所 出现的激光电弧同轴复合方式，它在焊接过程中所产生的匙孔直径能够达到单独y a g 激光焊接的1 5 倍【35 | ，同时由于匙孔的增大使熔池变大，使焊接过程中溶解到熔池中 的气体容易排出，这就大大减少了焊缝中气孔缺陷的产生，同时电弧与激光的复合也 ( a )双光束与t i g 同轴复合 ( b ) 单光束与多电极t i g 同轴复合 图1 4 激光一t i g 同轴复合焊接原理图 更易控制，没有方向上的调节，适宜在三维构件上焊接。 在激光t i g 复合焊接的应用研究上也有大量的喜人成果。由于铝及铝合金的反射 6 率高，用单独激光焊时，产生的熔深很浅不利于焊接生产，t pd i e b o l d 等人利用复合 焊接的方法解决了这个问题。他们采用激光t i g 复合，成功完成了对3 2 m m 厚5 2 5 0 铝合金的焊接。此外，单独的电弧焊接，焊接速度都在l 删，m i n 以下，当焊接速度很 高的时候电弧极不稳定，而激光电弧复合焊接的稳定焊接速度可以到3 0 5 删m i n ，这 使得电弧的稳定焊接速度调高了3 0 多倍。n a t i oy 如u a k i 等人在研究激光t i g 复合焊 接时，研究了保护气体对焊缝成形和熔池流动性的影响，以及对焊接气孔缺陷的影响。 他们利用高速成像设备对焊接熔池进行了观察，观察发现，通过改变焊接工艺参数和 保护气体的种类可以改变熔池流动性和抑制焊缝中气孔的产生。另外，在一些采用常 规焊接方法很难焊接的材料上，利用激光t i g 复合焊接也可以实现满意的效果。比如， 镀锌板，异种金属以及磁性材料等。通过引入激光t i g 的焊接方法，可以提高它们的 焊接质量和效率。 激光与t i g 复合焊接的特点是：由于电弧的热效应增强了激光对材料的作用， 从而在同样的焊接要求下比单独激光焊接降低了激光的功率，可以利用小功率激光器 代替大功率激光器焊接金属材料；可增加熔深，改善焊缝成形，获得优质焊接接头； 在薄件焊接中可采用高的焊接速度；可以降低工件的装配要求，提高了适应性。 激光t i g 复合焊接可以提高薄板的焊接速度，利用它对有色金属以及一些采用普通焊 接方式很难焊的材料进行焊接时，具有明显的优势。激光t i g 复合焊接方法，其复合 方式的不同也会有不同的效果。在采用激光为主电弧为辅的方式复合时，能够获得很 高的焊接速度和很大的焊接熔深，在采用电弧为主激光为辅的方式进行复合时，能够 得到稳定的电弧，并能获得比单一t i g 电弧更高的焊接速度。但是不论哪种复合方式， 都会比单一热源的焊接方式能够获得更高质量的焊缝。不论是焊缝的成形，工件的变 形以及焊接气孔的抑制上都会得到喜人的效果。但是，在这种复合的方式中，电弧的 引燃依然没有改变传统的引弧方式，钨电极的烧蚀依然很严重，同时，在焊接过程中， 由于有激光的高能量，气化的金属会对电极造成进一步的污染，使电弧变得很不稳定， 影响焊接质量，这在一定程度上也限制了激光t i g 电弧的应用。 ( 2 ) 激光一m i g m a g 复合焊接的研究现状 由于m i g m a g 统称为g m a w ，因此激光m i g 小队g 复合焊接可称为激光 g m a w 电弧复合焊接。1 9 8 5 年，日本s n a g a t a 等人开展了对激光m i g 焊接的实验 研究，这在当时还属首次，取得了大量的研究成果，后来各国开始对这一复合方式的 焊接进行研究，逐渐形成了激光g m a w 复合方式的研究理论。并且，美国、德国等 国还对这一方式的应用进行了研究，在实际生产中，已经开始部分的使用这一技术进 行生产。现在，激光g m a w 复合焊接技术在厚板焊接、难容金属焊接以及金属表面 处理，快速成型，等各个领域都得到了广泛的应用。激光g m a w 复合热源焊接已发 展成为近年来最受业界瞩目的复合焊接技术之一。其焊接原理如图1 5 所示。 t 一激圯 焊墨声冈 激光引寻电弧 j 篡i 电弧引导激光 戮萋 一一。! 赣黪镇 岁j 致肄离予 及答霍掣汽 焊照旧隙坡 匙了一 图1 5激光- m l g m a g 复合焊接原理图 激光- m i g m a g 复合焊接不仅具有激光t i g 焊接将激光、电弧能量有效耦合的优 点，而且由于它是熔化电极来完成焊接，因此在焊接过程中能够对焊缝的成形和成分 进行控制，同时由于加入了新的熔化金属使其比金属的自熔焊接更能适应对间隙的要 求，焊丝的熔化能够很好的填充进焊缝熔池中，使工件的间隙能够比单激光焊更大， 这样也能得到成形美观的焊缝。由于焊丝熔化的缘故，使焊接速度也要比单激光焊更 快，焊接熔深也要比但激光焊增加，还能够减少焊接缺陷。 目前各国的焊接研究工作者在这种焊接技术上都花了不少的人力、物力，并且取 得了不小的成绩。甘肃工业大学的樊丁教授与日本的知名学者，大阪大学的中田博一 教授共同开发设计了激光m i g 复合焊枪【3 叫，这个焊枪适用于y a g 激光，同时他们还 共同开发了激光m i g 复合焊接铝合金的新工艺。日本的嗽a s h ii s l l i d e 等人还进行了 薄板激光m i g 复合焊接实验研究和厚板激光一m i g 复合焊接实验研究。在薄板的复合 焊接实验中，他们成功在间隙为1 5 m m 的对拼焊接中获得了成形良好的焊缝，并且焊 接速度达到了7 删，m i n 。同时利用激光m i g 复合焊接焊透了2 0 m m 的厚板【3 8 。3 9 1 。德国 大众汽车公司的t g r a f 等人，通过自主研发和实验探索，开发出了能够挂在弧焊机器 人手臂上的激光m i g 复合焊接头，这种复合焊接头体积小活动灵活，可以适合任意 角度和位置的焊接，在各个方向上的调节精度可达到o 1 n 1 1 1 1 3 7 】。美国海军的军方研究 机构，曾经对军舰舰身的结构件进行过激光m i g 复合焊接实验研究【4 0 1 。其研究人员 利用4 k w 的固体激光与m i g 电弧进行复合，利用这个复合热源对1 6 1 m m 的方坯进 行了焊接实验，实验速度采用1 州m i n ，工件间隙最大达1 1 4 m m ，实现了双面焊透的 结果。而如果利用单激光束进行焊接是没法达到这一效果的，并且复合焊接的时间也 要比传统的电弧焊接节省2 3 倍。英国的一些学者也在这方面开展了很多的研究。例 如s l l is g 等人就开展了激光m a g 复合焊接的研究工作。他们对复合焊接对工件间隙 适应度进行了相关的研究。为了研究这一课题他们专门研制了一种间隙自适应系统， 即对不同的间隙复合焊枪都能够做出一个相应的反应以适应焊接过程，他们在研究中 得出结论，认为在最大间隙1 2 1 1 1 m 时复合焊接仍能得到完美的焊缝【4 1 1 。另外，其他 一些欧洲国家的学者，还进行了激光填丝焊接的研究。芬兰的学者t o m m ij o k i n e n 带 领其研究小组，做了激光填丝焊接大厚板的实验，结果在3 0 m m 厚的钢板对拼焊接实 验中，利用6 道焊缝焊透，并且焊缝的成形美观，这对厚板焊接的效率有了一个明显 的提高【4 2 部j 。来自德国夫琅和费研究中心的科研人员也做了激光m i g 的复合焊接实 验。他们利用1 5 5 k w 的激光功率，通过与m i g 的复合，一次焊透了1 5 n l l l l 厚的低碳 钢板，焊接速度达到了1 2 州m i n 。虽然现在的同等功率的光纤激光就能一次焊透这样 的厚板，但这在当时也属于突破性进展。后来这个研究中心的其他人员将激光m i g 复合焊接技术推广到了石油罐槽的焊接当中【删。而且他们还专门设计了适合这种方法 的复合焊枪，如图1 6 所示。这种焊枪能自由调节激光和m i g 焊枪之间的距离，使它 们的复合灵活可控，使其能够适应多种条件下的焊接操作。 通过在这种石油罐槽中的成功试用，激光m i g 复合焊接技术得到了很到推广， 并且采用所设计的这种复合焊枪可以在多个领域中应用，利用这些优势，夫琅和费激 光技术中心的研究人员开发出了各种能够满足不同需求的复合焊接枪。他们利用自主 研发的复合焊接枪在2 4 1 4 4 m m 的不锈钢管上进行了复合焊接实验，结果发现复合焊 接的速度是原来电弧焊接的十倍之多，从而开辟了管道焊接的复合之路。 经过长期的理论研究和实验探索，激光m i g 复合焊接的技术优势十分明显，不 但能够改变焊缝成形，降低焊接缺陷，提高焊接质量，还具有较强的适应性，不但在 厚板焊接上能够显著发挥作用，利用中小功率即可实现大厚板的焊接过程，这在一定 程度上解决了高功率激光束不易获得的难题，同时在薄板焊接中也同样具有显著优 势，能够显著的提高焊接速度，这使得其能够在造船行业，汽车制造，管道焊接等方 面得到广泛的应用。 ( 3 ) 其他的激光电弧复合方式的研究现状 激光与电弧的复合除了上述两种复合方式外，还有激光等离子弧复合、激光与多 电弧复合、激光埋弧复合等。对于激光等离子弧复合方面，这种复合方式与激光t i g 复合很相似，但是它的功率密度要比激光t i g 复合更高，因为它是压缩了t i g 弧后再 与激光复合的。在这方面的研究工作中，英国的学者走在了前面。在考文垂大学里的 先进连接中心，那里的科研人员曾经系统的研究过激光等离子弧复合焊接。他们对各 种材料的薄板复合焊接均进行过研究，并且成功解决了激光t i g 复合时的电极烧蚀问 题。通过研究发现，利用激光等离子弧焊接时，不但可以得到成形美观的焊缝，其焊 接速度能够比单激光焊接的速度调高2 3 倍【2 眦1 i 。对于比较新的同时也比较复杂的复 合方式一激光多电弧复合，最早是由德国一所大学的学者a a c h e n 研究出来的【4 引。如 图1 7 所示，这是一个激光多电弧复合焊接头，由一束激光与两个m i g 焊枪复合，两 个焊枪可以独立操作，并能相对运动，可以自由的调整角度，在焊接过程中具有高度 图1 7h v d r a 复合热源焊接接头 的灵活性和适应性。 激光埋弧焊是一种新发展起来的焊接工艺，它主要应用在厚板的焊接方面。最大 熔深厚度可以达到8 0 咖n 。在开y 型坡口的工件上，利用激光埋弧焊接可以一次焊透 8 0 i n m 厚板，并且焊接速度能达到2 5 舢m i n 以上。 自从激光电弧复合焊接出现的时候起，它的优势就相当明显。因为它是综合两种 焊接热源的优点于一身，不仅焊接速度可以比美激光焊接，焊接熔深也具有激光焊接 特点，但是它又没有单激光焊接对工件间隙的高要求，使得它的焊接适应性很强。同 时与传统的电弧焊接相比优势又更加明显。可以大大提高焊接速度和熔深，并且能够 得到稳定美观的焊缝，同时又没有普通焊接时所产生的过大的热影响区，这对抑制工 件的焊后变形有非常重要的帮助。通过近几十年的研究探索，对这种焊接工艺已经有 了很成熟的理论基础，特别是国外已经成功应用到了实际生产中，而我国还处于理论 探索的起步阶段，因此迫切需要开展这以技术的应用研究。 1 3x 8 0 管线钢的应用现状 1 3 1x 8 0 管线钢的发展简介 x 8 0 钢是一种高强度级别的管线钢，主要应用在石油、天然气的输送管道上面。 随着社会的进步，对能源的需求也越来越大，而对石油、天然气这些常规能源的需求 也与日剧增，在今后的一二十年里，对能源的需求将要比现在增加三分之二，其中对 天热气的需要更大，甚至将翻一番【4 6 ，47 i ，由于油气的分布不均，因此用于输送油气的 管道业出现了蓬勃的发展机遇。有报道称，目前各个国家所建成的的输油气管道长度 的总和已经超过了2 3 0 1 0 6 m ，而且还在以每年两三万千米的速度增加，根据经济发 展的需要，这种增加的势头还会更大【4 8 ，4 9 | 。 x 8 0 钢的出现是管线钢发展的结果，由于使用需求的不断提升，使管线钢的发展 也在不断的升级换代。管线钢的最初原型是高强低合金钢。在1 9 5 9 年，美国一个管 1 0 道公司利用这种钢铺设管道，然后就开始发展起了专门用于管道生产的钢种，但都是 在这种低合金高强钢的基础上发展起来的。它有几个阶段的发展【5 0 ，5 1 】： ( 1 ) 第一阶段是在上世纪4 0 年代以前，这时用于管道建设的钢种主要是普通的碳 素结构钢。 ( 2 ) 在4 0 年代时，管线钢的生产主要以低合金高强钢为主，低合金高强钢的使用 渐渐取代了普通的碳素机构钢，这时出现了x 4 2 、x 4 6 、x 5 2 钢等，这是发展的第三 阶段。 ( 3 ) 到了5 0 年代的时候，在管线上应用的钢种出现了x 5 6 钢，它是通过热轧式正 火处理工艺得到的，强度特别高。 ( 4 ) 发展到6 0 年代时，在管道建设中应用的钢种主要是x 6 0 和x 6 5 级钢。 ( 5 ) 到7 0 年代时候，是管线钢蓬勃发展的时候，这时的钢种的性能大大优于前些 钢种，如x 6 0 、x 6 5 、x 7 0 和x 8 0 等，它们的生产工艺更加复杂，强化机制更加多变， 钢的机械性能和使用性能更加优越，能够适应更加复杂的应用环境，尤其是x 7 0 和 x 8 0 钢，其中x 7 0 钢已经是目前使用最多的管线钢种，而x 8 0 钢则是发展势头最猛的 钢种，大有取代x 7 0 的势头。 ( 6 ) 在最近几年的发展中，更高级别的铁素体马氏体管线钢x 1 0 0 、x 1 2 0 ，也在针 状铁素体管线钢研究的基础上被研制出来。但是目前这两个钢种还没能大规模的投入 到生产使用当中，它们所存在的许多问题还处在研究阶段，一些细致的技术参数还需 摸索，生产使用中可能出现的一些问题还没能得到很好的解决，比如它的承受压力的 能力问题，焊接稳定性和可靠性问题等，这些都还需要做进一步的实验研究。 目前管线钢中应用的主流钢种x 8 0 钢，它在长输管道施工中应用的可行性可以通 过以下几点看出来旧： ( 1 ) x 8 0 钢的使用费用要大大低于x 7 0 钢，如在同一项目中，材料用x 8 0 钢代替 x 7 0 钢，管材费用可以节省8 1 2 ，使总的工程成本减低3 5 。 ( 2 ) 在现场焊接方面，x 8 0 钢在焊接速度、焊缝质量、强度匹配和生产成本等方面 均可比x 7 0 钢获得更满意的结果。 ( 3 ) 大量应用实例表明，x 8 0 钢具有很高的塑强比，虽然其强度很高，但是其并没 有像其他金属材料那样降低塑韧性，这就使其能够在焊接过程中不易出现裂纹，防止 管道因焊接作业而发生断裂事故。 ( 4 ) 在x 8 0 钢管道施工的其它方面，包括钢管的运输、起吊、下沟、摆放、试压 和回填等，不需用特殊的方法，均与通常的方法相同，并不会增加风险。 ( 5 ) 在正确的防腐涂层和阴极保护措施下，能够保证x 8 0 钢对应力腐蚀开裂的敏感 程度不高于其它钢级。 国外对x 8 0 级管线钢的开发比较早，已经有2 0 多年的历史，并且早已经将其应 用到实际的管线当中了。对x 8 0 钢的使用积累了丰富的经验，并且对这种钢的生产制 造也储备了相当的理论和实践基础，熟悉其制造的各个工艺流程，并且在钢管的铺设 时也有着丰富的实际操作经验。对它的研究开发已经日趋成熟，可以大规模的应用到 工业中去了。 1 3 2x 8 0 管线钢的焊接特点 x 8 0 钢是一种超低碳、微合金高强钢；是一种超细晶、高度的洁净钢；是一种性 能优良的管线钢材料。它通过固溶强化、相变强化、析出强化、细晶强化、位错强化 等机制而使材料具有很高的强韧性。也因此对该种钢的焊接加工提出了特殊的要求， 主要表现在：如何实现焊缝金属的纯净化与晶粒细化、如何防止焊接热影响区的晶粒 粗化、局部软化与脆化、如何选择焊接方法以及改进焊接艺等【5 3 】。x 8 0 钢的含碳量很 低，一般在0 0 4 0 0 8 之间，有一些厂家成产的x 8 0 钢甚至具有更低的含碳量， 达到了0 0 2 【54 1 。但是这种钢中由于含有很多合金元素，这是为了细化晶粒和提高强 度而不得不加入的，致使其碳当量很高，这就使得其焊接性能会受到挑战。虽然单从 碳当量的方面考虑会使其焊接性下降，但是合金元素的加入同时也提高了其焊接性， 它的韧脆转变温度很低，这就给焊接带来了很强的适应性使其能够具体优良的可焊 性。 在x 8 0 钢的焊接方法方面，目前普遍使用的方法是手工电弧焊和气体保护自动焊 ( g m a w ) ，其中又以气体保护自动焊为主要的使用方法。对于应用脉冲气体保护自 动焊焊接输油气管道一直是一个很惹人关注的课题，加拿大的n o v a 公司早在1 9 8 5 年就开始了这一研究工作，在1 9 8 9 年其终于完成了这一技术的公关。目前建成的x 8 0 钢管道工程中几乎都采用脉冲g d a w 进行环焊【5 5 】，例如德国在1 9 9 2 年完成的r u h r g a s 管道工程以及加拿大在1 9 9 4 年完成的a 1 b e r t 管道工程，这两个工程中对管道的焊接 均采用的是脉冲气体保护自动焊。美国c h e y e n n ep l a i n s 管道工程中，在对管道的焊接 时曾经首次采用了药芯焊丝半自动焊的方法，取得令人满意的效果。这一技术的应用， 为管道焊接提供了又一有效的焊接工艺。国内在使用x 8 0 钢上面还处在初级阶段，大 部分还处在实验室的研发阶段，具有的应用实例也是近一两年里实施或正在实施的， 使用的焊接方法也是这两种方法。可见，目前国内外在x 8 0 钢的焊接方法上都停留在 传统的工艺使用上面，迫切需要工艺水平的改进以提高这种高强度钢的焊接质量水 平。 1 3 3 国内外x 8 0 管线钢的应用现状 x 8 0 钢在国外的应用已经很普遍，其生产工艺和使用经验已经相当丰富，具有2 0 多年的使用历史。并且对x 8 0 钢的应用已出现上升趋势，事实也证明，在油气输送管 道工程中，高钢级的管线钢应用也是一个大的趋势。谈到国外在对x 8 0 钢应用上就不 得不提到两条具有标志性意义的工程：一个是在1 9 9 3 年由德国著名管道公司r u l l r g a s 1 2 承建的x 8 0 钢的输送天然气管道，另外一个就是，在2 0 0 4 年建设完成的输气管道， 这是美国由c h e y e r u lp l a i n s 公司承建的，后来大家都将其建设的这条管道用它的公司 名字命名【5 6 j 。a s 管道的建成在管道建设史上具有很强的示范意义，因为它是第 一条x 8 0 级管道，它的成功铺设为后来的管道工程建设提供了丰富的建设经验，并且 向人们展示了x 8 0 钢级管线的安全可靠，增强了人们应用x 8 0 钢铺设管道的信心。 c h e y e i l i lp l a i l l s 管道在2 0 0 5 年1 月正式投入运营，其全长6 0 8 k m ，钢级x 8 0 ，管径 9 1 4 m m ，相比其前一时期的管线钢的应用，在长度上具有里程碑式意义【5 7 ，5 8 1 。 其他一些国家在x 8 0 钢的使用上也都有探索如：加拿大的t r a i l s c a l l a d a 管道公司 一直致力于x 8 0 钢管的应用研究，并且曾经在1 9 9 5 年铺设了一条3 公里长的试验段， 然后不断扩大其对x 8 0 钢的研究，至今己经铺设了大约4 0 公里长x 8 0 管线。加拿大 a l b e n a 省北部永久冻土地带管线的铺设