焊缝测试结果和成本分析

     大约半个世纪前，研究人员在混合工艺中首次把传统焊接电弧与激光束结合起来。但直到最近，激光-气体保护电弧混合焊(GMA)才开始应用于工业中。现在，混合激光-熔化极气体保护焊迅速实现从实验室到生产的过渡，广泛运用于工业中，从造船业到汽车制造都有所涉及。近来对把这项技术应用于造船厂管道车间可以极大地节省成本。本文就混合焊的性能，以及在造船业利用该技术实现生产成本节约的效果进行评估。 

　　一、混合激光——熔化极气体保护焊 

　　与传统的电弧连接工艺相比，激光焊(LBW)焊接速度快，熔深大。和前些年相比，凭着近来在商业激光技术中出现的优势，激光供应商可用更小的成套设备传递更高的功率，效率也提高十倍，也极大地降低了成本。不幸的是，由于在激光的光斑直径小，对工件的装配间隙要求很高，所以限制了它在某些领域使用。因此，激光焊在对接准备和设置过程中需要很高的精确性，在制造操作中成本增加。此外，激光束集中的能量形成狭窄的热影响区(HAZ)，这一区域冷却得很快，致使某些特殊材料的延展性流失。 

　　相比之下，由于热源比较分散和填充金属的介入，传统的熔化极气体保护焊很轻易能把接头连接起来。填充金属的成分可根据材料的不同而定，以改良材料特性。焊接过程中工件冷却得慢，从而提高了延展性。但是，工艺的本质决定了焊缝的熔深不会很深。因此，连接厚板时通常需要多焊道。 

　　在某些应用中，通过把LBW(激光焊)和GMAW(熔化极极气体保护焊)工艺结合在一起，可以克服这些缺点。这种做法不仅在保持大熔深的同时对装配间隙适应性强和降低了操作机构定位公差标准的要求，而且能让操作时焊接速度更快，在冷却时提供更好的焊缝微观结构。此外，LBW(激光焊)和GMAW(熔化极极气体保护焊)工艺的结合能很大程度上缩短了使用传统技术在一条焊缝中要采用多焊道方法总的焊接时间，这样就减少了热机械变形。由于这些原因，美国造船厂对混合Laser-GMAW(激光-熔化极气体保护焊)工艺正表现出越来越浓厚的兴趣。 

　　二、焊接管道的混合激光——熔化极气体保护焊 

　　管道焊接让油轮和其它船只建筑耗资巨大。虽然大多数管道焊接必须在甲板上进行，但是很多管道在管道车间轧制,并采用手工焊对接。在General Dynamics NASSCO正在使用的对接技术。在图中，管道装在电弧焊炬下方并且旋转。焊接机头由操作人员手工操作。 

　　在NASSCO，钢管道的厚度从0.237到0.50 in. (6.0-12.7mm)不等，对于这样的管壁厚度来说，需要多焊道(五个焊道)才能完成焊缝的接头，达到要求。焊接速度为5-10in./min (0.13-0.25m/min)。图2显示了0.50 in. (12.7mm)管道多焊道焊缝的横截面。 

　　NASSCO希望找到另外一种节约成本的焊接技术，可用单焊道法焊接管子。以下是支持这一想法的实验和成本分析详细介绍。 

　　三、混合激光-熔化极气体保护焊工艺的发展 

　　1、实验目的 

　　在宾夕法尼亚州大学的应用研究实验室进行了一系列实验，调查研究不同接头设计和混合激光-熔化极气体保护焊工艺对焊缝性能的影响。特别调查坡口角度和钝边、以及焊接速度、激光头与气体保护焊焊接机头之间距离的影响。对一部分混合焊接接头进行了机械测试和X光拍片。最后，还调研了混合焊的实际操作程序，如焊缝的定位、焊缝起止处的焊瘤(环形管道焊缝所需)，及根部间隙大小对焊缝性能的影响。