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用激光-GMA复合连接高强度加厚钢
Herbert Staufer
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在许多领域中，例如船舶制造、设备和仪器、管道施工中，使用工业焊接设备的用户都希望产品具有高性价比和稳定的性能。为了满足这些要求，需要不断开发出更先进和创新的设备，这经常会成为决定“成败”的一个因素。而当涉及到高强度钢时尤为如此。
在熔焊技术中，高焊接速度和良好的焊缝搭桥能力是首要的目标。然而，常规的连接工艺，例如气体保护焊（GMAW），其物理学限制经常会阻碍这两个目标的同时实现。激光混合单丝GMAW弧焊和双丝焊接已成功使用，这大幅拓展了应用领域。将电弧与激光束结合在一起，可能会帮助熔焊在性能和质量上实现大的飞跃。
本文介绍了在船舶制造领域中的焊接应用，例如将球扁钢作为加强筋连接到腹板。对实际船舶制造中用的钢种和部件进行的焊接试验可以证明，固态激光-GMA复合焊接工艺可以实现高重复性和高质量的结果。目前，固态激光-GMA复合焊使用了极为先进的复合焊接头，可以节约成本，是替代埋弧焊（SAW）的一种高效高质量的选择。
激光-GMA复合焊接在管道中的应用
半自动气体保护焊（GMAW）目前应用于生产陆上与水下管道。单位长度焊接时间通常由焊道的数量来决定，随着管道壁厚的变化而变化。
管道行业一直在尝试降低运行成本，这一努力促使了先进的创新技术投入实际应用得以实现。例如，更高强度的母材像API 5LX-80及以上（允许相当大幅度的壁厚减少）已应用于现代管道的铺设。双丝GMAW焊接（GMAW- tandem）便是一个很好的例子，它结合了先进焊接工艺的优点同时提高效率和质量。以Nd:YAG激光器来替代通常使用的CO2 激光器，两种类型的激光产生的焊缝尺寸和生产效率极为相似。
参考资料提供了关于CO2 激光焊接API 5L X80 管线钢的有价值信息。其中，实际焊接试验使用了12kW的CO2 激光来实现壁厚为13mm的I（方）形坡口对接接头的自焊。单面和双面操作模式的焊接速度分别为0.75和1.65 m/min。焊接接头的塑性、强度和韧性都很出色。该参考资料随后介绍了一种能大大降低高昂的焊接成本的方法，这其实正是管道总体费用中的一个主要组成部分。值得一提的是，该行业一直努力探索，在不影响工程质量的前提下提高效率的方法，而应用先进的焊接工艺极有可能帮助实现上述目标。管道施工中的焊接成本主要由两个方面决定：根焊以及填充和盖面焊。
实验设置和焊接结果
试件的直径为190 mm，壁厚为12mm。根焊无需衬垫即可实现，焊接速度为70 cm/min。大约三分之二的槽截面由根部焊道组成；只有第二层由三个焊道组成，焊接速度为140cm/min，这是实现整个焊接所必需的。见图1中的右图。

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在车间里使用该系统反应结果良好。不过，这一概念仅限于铁磁材料，例如铁基合金或钢。
船舶制造中的激光-GMA复合焊在船舶制造中，球扁钢型材经常用于增加组件和截面零件的刚度，平均加强筋厚度介于4.0和8.0mm之间。到目前为止， 最广泛使用的焊接工艺是埋弧焊（SAW）。然而，需要克服的问题就是大线能量和低或中等的焊接速度，这会引起翘曲和扭曲，从而需要大量的返工，例如火焰矫形。在这方面的最佳解决方案是使用激光光束，但是制备及预组装所产生的公差会影响到激光的单独应用。激光-GMA复合焊接可以解决这些问题。德国Papenburg的Meyer Werft船厂安装了CO2 激光-GMA复合焊接系统，并使用了很多年，这足以证明它可以在工业中得到成功应用。对于这类制造行业，通常用T形接头角焊缝来焊接加强筋。下一部分描述了用固态激光对上述加强筋型材进行单边全焊透。

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加强筋厚度的变化
宏观断面。必须特别注意熔合区中标记出的明亮区域。在给定条件（见表1） 下，加强筋厚度不同，该区域会相应发生变化。这个区域代表的是单位体积， 亦即在焊接过程中被融化的部分。可以通过扩大激光光束的光斑直径来减少这个区域。不过正如我们所知道的那样， 这可能会降低熔透深度和/或焊接速度， 所以需要提高激光功率以做补偿。因此，在整个焊接工序中如何平衡好激光功率、熔敷速度和焊接速度之间的关系是非常重要的。

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图3显示了船舶制造工业中球扁钢型材T形接头单边全焊透，腹板厚度约为10mm（表2）。激光光束与水平板成12°的入射角，GMAW焊枪倾角为45°。

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小结
新的激光-GMA双丝复合焊接技术将激光混合单丝GMAW弧焊与GMA双丝焊技术结合在一起，可以获得极大的好处。这一新的技术概念扩大了焊接的应用范围，特别是原来单纯的激光焊接在某些行业的应用中存在着一些物理学方面的限制，或传统的单丝激光复合焊不能实现某些高的焊缝性能，现在都可以解决了。目前已证实了这一顶尖的工艺可以降低在激光电源上的投入，并通过降低焊接周期时间来减少运行费用， 且提高了速度。而关于焊缝的质量方面，焊件的机械和冶金性能都得到了提高，不过选择合适的耗材对于提高冶金性能来说也很重要，同时，调整好外围参数例如送丝速度和焊接速度对于提高机械性能也很关键。
本文介绍了船舶制造领域的焊接应用，例如将球扁钢作为加强筋连接到腹板。通常使用的埋弧焊往往会导致翘曲和扭曲，从而使得需要大量的返工，例如火焰矫形。这会产生额外的费用。而使用固态激光-GMA复合焊接可以同时降低成本及提高质量，并可适用于所有的接头。
要想成功实施高功率（≤10kW）固态激光-GMA复合焊接，焊接头是关键中的关键。通过借鉴船舶制造工业中的实践经验，可以实现能完全满足特定需求的产品。对实际船舶制造中用的钢种和部件进行的焊接试验可以证明，固态激光-GMA复合焊接工艺可以实现高可重复性和高质量的结果。因而，使用了极为先进的复合焊接头的固态激光-GMA复合焊接，相比埋弧焊（SAW）来说可以降低成本并提高质量。 4/15/2014

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