呂金波 徐宜武 王艷光 孟憲飛

激光復(fù)合焊接技術(shù)在千噸級起重機(jī)產(chǎn)品上的應(yīng)用

呂金波 徐宜武 王艷光 孟憲飛

1. 概述

激光-電弧復(fù)合焊接是將兩種物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制完全不同的熱源復(fù)合于一體的先進(jìn)焊接技術(shù)，它具有熔深大、焊接速度快、變形小、橋接能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各類材料的焊接。

將激光與電弧兩種熱源復(fù)合，取長補(bǔ)短，既可實(shí)現(xiàn)高焊速，又可保證焊接電弧穩(wěn)定性；既可適應(yīng)相對較低的結(jié)構(gòu)件組對精度，又可滿足高熔敷率的要求；同時(shí)又具有熱影響區(qū)寬度窄、晶粒細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)，從而可以得到高質(zhì)量的焊縫。

2. 激光復(fù)合焊接技術(shù)優(yōu)勢

（1）提升了激光能量吸收率 激光熱源與電弧熱源的有機(jī)結(jié)合，可以相互彌補(bǔ)彼此在焊接過程中存在的不足。激光焊接時(shí)在其周圍產(chǎn)生大量的等離子體云，吸收激光能量，降低能量利用率，如果在激光束附近外加電弧，降低電子密度，稀釋等離子體云，提升母材溫度，可促進(jìn)激光能量吸收率的大幅提高。

（2）擴(kuò)大激光焊接工藝窗口 激光焊接由于熱影響區(qū)域很小，母材端面接口容易發(fā)生錯(cuò)位，而電弧的熱作用范圍較大，可以降低對焊縫組對精度的要求；同時(shí)由于激光束對電弧的聚焦、引導(dǎo)作用，電弧的焊接質(zhì)量和效率得到提升。

（3）降低了激光焊接缺陷率 激光焊接時(shí)峰值溫度高、溫度梯度大，冷卻、凝固很快，容易產(chǎn)生裂紋和氣孔。而電弧的熱作用范圍、熱影響區(qū)較大，溫度梯度、焊接速度相對較小，使凝固過程變的緩慢，可減少氣孔和裂紋的生產(chǎn)。

綜上，激光與電弧熱源的復(fù)合焊接一方面可提高激光吸收效率、可以用小功率激光器代替大功率激光器進(jìn)行焊接；另一方面可改善焊接質(zhì)量，降低對母材端面接口精度要求。

圖1 激光-雙絲復(fù)合焊接工作站

3. 激光復(fù)合焊接在千噸級起重機(jī)產(chǎn)品上的應(yīng)用

（1）激光復(fù)合焊接設(shè)備 圖1為我公司與某科研院所聯(lián)合研發(fā)的工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)首臺用于高強(qiáng)度、中厚鋼板焊接的激光-雙絲復(fù)合焊接工作站。

該項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用顯著提高了我公司大噸位、超大噸位起重機(jī)關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量。對于超大噸位吊臂筒體結(jié)構(gòu)，為保證關(guān)鍵焊縫熔透性，在

應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)之前，通常需要焊工進(jìn)到吊臂筒體內(nèi)部施焊，焊接及焊道打磨勞動(dòng)強(qiáng)度大。該項(xiàng)技術(shù)的單面焊雙面成形效果（見圖2、圖3）徹底改變焊工的作業(yè)模式，使勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低，焊縫保證能力大幅提高。

（2）焊縫成形及質(zhì)量 應(yīng)用激光復(fù)合焊接可以實(shí)現(xiàn)小角度坡口一次焊接熔透成形，圖4為45°坡口、2mm鈍邊、10mm板厚焊接工況的焊縫正反面成形效果，其中背面焊道均勻一致，寬度3～4mm，滿足焊縫外觀要求。

由于小角度坡口，焊絲填充量相比傳統(tǒng)雙絲電弧焊接下降30%，焊接速度為原電弧焊接兩倍。由于大噸位、超大噸位起重機(jī)吊臂筒體結(jié)構(gòu)在全伸狀態(tài)吊裝作業(yè)時(shí)，筒體結(jié)構(gòu)旁彎變形1mm將導(dǎo)致起吊點(diǎn)部位出現(xiàn)近1m的偏差，因此對于吊臂焊接變形的控制要求十分嚴(yán)格。傳統(tǒng)方式都是通過吊臂筒體內(nèi)部增加工藝支撐、焊接過程減少熱輸入量來控制焊接變形，而應(yīng)用激光復(fù)合焊接技術(shù)后，吊臂筒體焊后變形量降低48%，完全滿足了設(shè)計(jì)尺寸精度要求。

針對激光復(fù)合焊接焊縫內(nèi)部質(zhì)量情況，選擇傳統(tǒng)熔化極電弧焊與激光復(fù)合焊接兩種工藝施焊，焊縫進(jìn)行射線探傷，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，傳統(tǒng)電弧焊接焊縫根部易存在未熔合等缺陷，而采用激光復(fù)合焊接工藝的，焊縫射線探傷等級為I級，無缺陷。

圖2 激光復(fù)合焊接熔透效果

圖3 激光復(fù)合焊接焊道背面成形效果

圖4 焊縫正面、背面成形效果

圖5 兩種焊接工藝焊縫探傷結(jié)果對比

圖6 1 600t全地面起重機(jī)

（3）在產(chǎn)品上應(yīng)用 隨著激光復(fù)合焊接技術(shù)在公司內(nèi)的成熟應(yīng)用，現(xiàn)已將該項(xiàng)先進(jìn)焊接技術(shù)由最初的應(yīng)用于吊臂結(jié)構(gòu)焊接，推廣至大噸位、千噸級起重機(jī)產(chǎn)品的車架、支腿等關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)的焊接，圖7為我公司1 600t全地面起重機(jī)，其吊臂、支腿、車架等部位關(guān)鍵射線探傷合格率均為100%。在降低人工焊接勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省焊接成本的同時(shí)，為客戶提供關(guān)鍵焊縫質(zhì)量100%的合格優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

4. 結(jié)語

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)從試驗(yàn)室研究到企業(yè)生產(chǎn)一線的實(shí)際應(yīng)用，凸顯出激光焊接、電弧焊接所不具備的優(yōu)勢，為科研院所、企業(yè)未來的重點(diǎn)研究應(yīng)用方向。該項(xiàng)技術(shù)在提高焊接質(zhì)量的同時(shí)，附加的效益如降低人工焊接勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省焊材用量等，均符合綠色制造、內(nèi)涵式制造的特征。

呂金波等，徐工集團(tuán)徐州重型機(jī)械有限公司。