激光焊接技术在薄板焊接上的应用

李凯

(招商局重工(江苏)有限公司,江苏 南通 226100)

近年来,激光焊接技术在船舶建造中的应用越来越广泛,它具有优异的焊接性能,且具有快速焊接、高精度焊接、多种焊接方式、节约材料、简化工艺等优点,可以满足船舶建造的各种要求。具有焊接速度快、焊缝质量高、焊缝结构紧密、焊接过程简单、操作安全等特点,可用于制造各种复杂结构的船舶结构和设备。激光焊接在船体和船舶配件的制造中具有多种优势,例如,可以替代传统的电焊技术,提高制造效率,而且可以节省材料,减少焊缝的重量,减少船体和船舶配件的总重量。但是,激光薄板焊接技术的应用,还需要结合船舶建造的具体情况进行变形控制方面的讨论。

1 激光薄板焊接工艺原理及步骤

激光薄板焊接是一种新型的焊接工艺,利用激光能量对金属材料进行加热和焊接,具有高焊接速度、高精度、高质量的特点,在航空航天、汽车、船舶、机械及其他领域的应用越来越广泛[1]。激光薄板焊接主要由激光源、焊接系统,以及热响应材料3部分组成。激光源可以使用激光器、激光灯和激光二极管等,激光焊接系统可以使用单线焊接或者多线焊接,热响应材料主要由导电粉末和导热膏组成,激光焊接原理见图1。

图1 激光焊接原理

激光薄板焊接的工艺步骤主要分为板料处理、焊接准备、焊接及检验等。板料处理步骤包括板材表面处理、模具设计、板材定位,以及搭接等操作;焊接准备步骤主要包括焊接机台的调整、热响应材料的选择、焊接参数的设定等;焊接步骤包括焊接前检查、焊接、焊接结束,以及焊接后处理等操作;检验步骤包括尺寸检查、外观检查、拉伸强度检查、扩散性检查等。

2 薄板焊接工艺应用现状

激光焊接技术在薄板焊接上具有优越的性能,优于传统焊接技术。目前的应用创新主要围绕以下几个方面。

1)实现更加精确的焊接尺寸、更小的焊缝以及更低的焊接热影响区。此外,激光焊接还具有较小的焊接温度和焊接速度,使得激光焊接可以用于薄板焊接,从而节省材料和能源。

2)激光焊接技术可以用于多种不同类型的薄板材料,包括钢板、铝板、铜板、镍板等。此外,激光焊接技术也可以用于多种复杂结构的薄板焊接,如圆管、U形管、曲管等。

3)激光焊接同时可起到不锈钢薄板焊接的补强作用,激光焊接可以在薄板表面形成一层薄膜,以增强薄板的强度和刚性。这种薄膜可以保护薄板免受外界侵蚀,从而延长其使用寿命。

4)因激光焊接技术的高成本,导致在薄板焊接的应用有一定制约。此外,激光焊接技术还不能满足大型焊接件的生产要求,也不能用于厚度较大的薄板焊接。

3 薄板焊接在船舶建造中的应用

激光薄板焊接工艺可以将不同材料的薄钢板,如高强度钢、钢板、铝板等焊接在一起,并能有效地提高船体结构的强度和刚性,以满足船舶建造过程中的各种要求。激光焊接可以用于连接任何形状的薄板,不受材料的厚度限制,可以实现减少焊缝,缩短焊接时间,并且可以提供更加柔韧的焊缝。另外,激光焊接还可以提供更高的精度,可以实现更精细的焊缝,并有效地提高焊接质量。

它可以用于连接不同类型的材料,如钢板、铝板、铝镁合金、铝铁合金等,这些材料可以用于制造船体、甲板、舱壁、舱门、管道等部件。激光焊接也可以用于连接船上装备,如螺旋桨、喷气发动机、推进器、水下机器人等[2-6]。

3.1 质量控制

激光薄板焊接,指在低温激光照射下,将薄板材料焊接在一起。在激光焊接过程中,板材的表面形状、焊缝的宽度、焊缝的强度以及焊缝的美观程度都会受到影响,焊接的质量控制尤为重要。

1)在进行激光薄板焊接之前,应该对被焊材料进行检查,以确保材料的质量。激光薄板焊接对板材厚度有要求,需要检查板材的厚度,以确保符合要求。此外,还应检查板材的表面质量,以确保表面没有裂纹、划痕等缺陷。

2)在激光薄板焊接过程中应注意控制加工参数,以确保焊接质量。激光焊接需要控制多个参数,如焊接时间、焊接能量、焊接速度等,如果参数设置不当,会导致焊接失败。此外,还需要注意焊接时板材表面温度,以防止过热而破坏板材。

3)在激光薄板焊接后,首先,应检查焊缝的宽度,以确保焊缝的宽度符合要求;其次,还应检查焊缝的强度,以确保焊缝的强度足够,不容易断裂,具有良好的抗拉强度;此外,还应检查焊缝的外观,确保焊缝的外观美观,不存在裂纹、滑坡等缺陷。

3.2 变型控制

激光薄板焊接技术能够在较短的焊缝和较小的焊接头尺寸内,提供高强度、高质量、高精度的焊缝,满足复杂形状结构件制造需求。激光薄板焊接技术,核心问题是变形控制。有效控制焊接变形,是应用的核心。

一般通过改变焊接的参数来控制变形,从而获得精确的焊缝尺寸和强度。焊接参数包含焊接的变量、速率、和过焊周期等因素。

1)基于模拟的变形控制方法。通过对焊缝变形的模拟,研究不同参数设置下焊缝变形的变化规律,能够精确控制,焊缝的宽度、厚度和形状可以通过修改焊接参数进行精确控制,从而实现精确的变形控制,见图2。

图2 激光焊接过程检测原理

2)基于实验的变形控制方法。将不同参数设置下的焊缝焊接,并对焊缝变形进行测量,以此确定最佳参数设置,从而有效控制焊缝变形。

3)基于智能的变形控制方法。通过利用人工智能技术,建立具有自动学习能力的模型,根据实验数据自动调整参数,精准控制焊接时间,准确控制焊缝的形状,从而实现对焊缝变形的有效控制。

3.3 无损探伤

激光薄板焊接技术能够有效地检测和评估工件内部的残余应力、断口的形态、缺陷的尺寸和分布,从而可以有效地进行无损探伤检测,确保焊接工件的质量和安全性,见图3。

图3 自动焊接检测原理

无损探伤是指通过使用各种无损检测仪器和技术,而不影响工件物理性能的方式,对工件结构和材料特性进行检测和评估。无损探伤技术包括:射线探伤、超声波探伤、激光探伤等。其中,激光探伤技术是一种具有高精度、高效率和高安全性的无损探伤技术,在薄板焊接中,得到普遍应用。激光薄板焊接技术可用于无损探伤,主要是指在检测过程中,利用激光束在焊接区域进行焊接,以达到无损检测的目的。优势如下。

1)激光薄板焊接技术可以更好地保护被检测部位,减少检测时热影响和热损伤,以及降低焊缝内部温度和温度差,进而提升检测精度。

2)该技术还能提升施工质量,减少焊接缝的残留应力,消除焊缝的拉伸应力,从而使施工过程更加稳定可靠。

3)激光薄板焊接技术利用低温焊接技术,可大大降低焊接温度,更好地保护被检测材料,并且可以有效地抑制焊接烧伤,从而更好地保护材料。

4)激光薄板焊接技术可有效控制焊接缝宽度,从而可以减少材料的消耗,节约材料成本,具有较好的经济效益。

5)激光薄板焊接技术可以减少焊接残留物,减少因燃烧产生的污染,保证操作环境的洁净。

6)激光薄板焊接技术可以实现自动化焊接,实现无损探伤,提升焊接效率,达到降本增效。

4 应用前景

激光焊接技术逐步被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等行业,且适用于特种高强度金属材料的焊接,如钢筋、横梁、支撑等。在薄板的低温焊接方面,有独特的应用前景。

此外,激光薄板焊接技术还可以用于制造精密的结构件,如高精度的压力容器、高强度的飞机零部件等,这些结构件的精度要求较高,而激光薄板焊接技术可满足这些需求。该焊接技术还可以用于管道制造,如石油管道、汽油管道、火箭发动机等,由于激光薄板焊接可以满足管道的耐高温、耐腐蚀、高强度的要求,因此,它在管道制造中的应用前景非常广阔。