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8mm厚钢2F位置船用T形接头混合激光弧焊的改进(1)

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长三角G60激光联盟导读

据悉,本文分析了HLAW参数对海军钢圆角接头质量的影响。本文为第一部分。

摘要

在造船业制造扁平单元的早期阶段,主要关注点之一是确保整个结构的接头质量。扁平单元由对焊平板构成,在其上放置纵向 T 形焊接增强件以刚化结构。在不同的焊接技术中,混合激光电弧焊(HLAW)正在成为一种成熟的工艺,有利可图且生产率高。此外,如今正在开发更多创新的焊接设备,提供更大的工作灵活性,并提高对实现更好质量和经济可行性的期望。HLAW要记住的另一个关键点是减少结构变形,从而降低矫直工作的成本和时间。

本文分析了HLAW参数对海军钢圆角接头质量的影响。使用高功率圆盘激光器进行实验性HLAW测试,以连接具有T配置的EH36海军钢板。分析了不同加工参数的影响,如激光功率、焊接速度、送丝速率和 HLAW 工艺的配置(包括头角和激光/电弧领先工艺)。此外,还进行了有限元模拟,以估计焊接零件的残余应力和变形。FEM提供的畸变值与测量的实验结果非常吻合。为了评估焊缝,进行了无损检测,包括X射线试验,横截面金相分析和显微硬度映射试验。

1,介绍

1.1.混合激光电弧焊技术的工业应用

混合激光弧焊(HLAW)技术在业内所有适用的焊接工艺中越来越重要。具体而言,重工业中的钣金加工被认为是HLAW的绝佳应用领域,因为它结合了激光和电弧焊工艺的优点。通常,HLAW减少了准备焊道的工作,并促进了难以焊接的材料之间的结合。

HLAW是一种有吸引力的连接方法,作为中等厚度板的单道焊接技术。它使用高能量工艺来实现高熔深和高焊接速度,从而大幅提高生产率。主要研究解决了焊接速度,激光功率和其他HLAW工艺基本参数的影响,正如Churiaque等人所审查的那样,对接接头是最常分析的焊接配置。

通过不同焊接工艺连接的焊缝横截面:GMAW、LBW 和 LAHW。

在激光-电弧混合焊接工艺(LAHW)中,激光束和电弧在熔池中相互作用,它们的协同作用用于进行更深和更窄的焊接(上图),从而提高生产率。近年来,激光焊接越来越受欢迎,因为激光束将能量集中在非常小的区域。激光束提供的能量的精度和集中度提高了焊接速度,从而减少了焊接部件中的热输入和热变形。然而,大多数传统的激光系统除了更昂贵之外,还没有足够的电效率进行焊接。激光焊接几乎没有桥接或填充间隙的能力,因此在工件组装和边缘准备方面需要很高的精度。此外,激光焊接在铝、铜或金等高反射材料上的应用也很复杂。

除了HLAW的技术优势外,大量研究证实,该技术提供了一系列协同效应和经济优势,使其成为一种有利可图的焊接工艺,适用于需要高质量厚金属板零件焊接的不同制造部门,例如液压,海上,气动,航空和铁路行业。Liu等人提出了另一项关于铁路行业的有趣研究,旨在优化铁路车辆高速转向架制造的工艺参数。采用HLAW工艺获得12毫米厚的S355钢(用于制造铁路转向架的常用材料)的无槽T型接头。在单侧焊接上实现了完全熔透声和稳定的焊缝。

1.2.HLAW在造船业中的应用

至于造船业,在焊接过程中引入激光技术的主要驱动力是减少变形。具体来说,造船利用激光源与混合过程中的GMA源提供的这种优点,将HLAW应用于游轮和军舰的建造。许多因素在决定混合焊接产生的热变形减少的效果方面起作用。Olschok提出了关于该主题的重要分析和讨论,指出HLAW可以减少焊后纠正过程,例如矫直操作和返工任务。根据广泛的焊接测试,作者指出,在新建筑中,返工成本估计约为总员工成本的15%-30%。

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 LAHW演变的图形图。

造船业是首先需要质量控制系统的领域。承保人需要评估船舶及其货物保险的风险;这是通过注册船舶并根据船体状况和设备质量对其进行分类来实现的。这样的系统最初是在伦敦的劳埃德咖啡馆建立的,登记册成为劳埃德船级社,于 1760 年首次出版。因此,劳埃德船级社成为第一个船级社,并且是其他国家类似组织的典范,例如美国船级社,必维国际检验局和挪威船级社。

该协会的运作方式是任命对船舶进行检查和分类的验船师,并出版记录分类的年度登记簿。随后制定了船舶建造规则,并于1888年发布了钢船规则。然后任命测量师检查钢铁厂并测试他们的产品,劳合社制作了一份批准的钢铁厂清单,该清单一直持续到今天。1920年,“电焊船”首次注册,随后几年劳合社公布了批准的电极清单。

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用于船舶结构机器人焊接的龙门框架系统。

最初,单一等级的钢被认可用于造船,但在战争期间和之后失去自由船之后,引入了冲击韧性测试。然后,在1959年,国际船级社协会制定了对船舶钢材的统一要求,该要求承认五个等级,字母为A至E。这些等级成为各个社会规范的基础。船舶的截面厚度(板和加劲肋的截面厚度)基于各种钢种下列出的最低机械性能。

LAHW应用的增加也推动了对什么是可接受的混合焊缝的检查。DNV和劳合社已经制定了造船应用的混合焊接标准。然而,随着最近在其他行业开展LAHW的活动,其他组织对制定其他标准和规范产生了额外的兴趣和需求。美国机械工程师协会(ASME)和美国焊接协会 (AWS) 都已经制定了激光规范,并积极参与制定混合加工的标准和推荐实践。使用这些规范来开发其工艺资格记录(PQR)和焊接工艺规范 (WPS) 的公司要求这两个组织的规范。这些标准解决了需要记录的参数,以及在批准部分或完全重新认证过程之前允许多少变化或更改。

影响船厂一般制造生产率的另一个方面是应用HLAW技术时焊接速度的提高。在最近的一项模拟研究中证明,当传统的焊接工艺被HLAW取代时,每年制造的造船厂结构数量可以提高33%的潜在生产率。

LAHW中主要参数的流程图。

自本世纪初以来,HLAW工艺一直用于造船业,在平板车间内预制甲板部分的前两个生产步骤。平板的制造是整艘船生产的关键过程,因为它可以占其建造所需的焊接工作的 50% 左右。在第一阶段,HLAW程序最适用。目前,HLAW由于其低热输入,高质量和快速生产率而越来越多地出现在造船业中。值得一提的是,欧洲主要造船厂已经实施了HLAW技术,主要用于平板的建造。

计算计算技术的当前进展和基于有限元(FEM)的模拟方法的发展允许优化工业成型工艺。一项新颖的研究使用数值模拟来重现实验观察到的现象,并研究焊缝内部发生的凸起马兰戈尼效应的形成机制。

1.3.HLAW在T型接头上的应用

尽管在海军领域占有重要地位,但有关采用 HLAW 技术的 T 型接头的信息仍然有限。此外,大多数 T 型接头焊接研究都是使用 CO 2和Nd:YAG激光源进行的,目前正在被高功率光纤或盘式激光器所取代。光纤和盘式激光器提供高光束质量,产生更好的焊接几何形状以及更好的总效率。

HLAW技术在焊接增强材料中的有效性已在多项研究中得到证实,为工业应用带来了有希望的结果。在执行 T 型接头时必须考虑的关键方面之一是使用的焊接位置,这取决于混合头相对于焊接部件的方向。焊接位置在各种规范性文件中都有描述,如EN ISO 6947:2019[25]和AWS A3.0:2010。图 1显示了符合美国焊接协会(AWS)和 ISO 标准的焊接位置图像。

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图 1 角接头的焊接位置。

在具有激光引线的不锈钢HLAW的情况下,研究表明,如果激光束和馈线之间的距离减小,则激光束和GMAW电弧的协同作用可能会减弱,从而导致较低的穿透力和钥匙孔的塌陷。数值显示,熔池动力学、冷却速率以及熔池与液滴之间的相互作用与最终焊缝的几何形状、孔隙率和底切密切相关。电弧和激光之间的距离(SD)是最重要的参数之一,可以显着决定焊缝的最终性能,尤其是焊缝的外观和接头的显微硬度。孔隙率形成是厚钢HLAW的最大缺点之一。据报道,锁孔不稳定是熔池后部气体滞留的主要原因,导致孔隙形成。

数值和实验都表明,如果液态金属的回填速度不够快,无法使向动的液态金属在完全凝固之前完全填充锁孔,则最终焊缝中可能会发现孔隙。在大纵横比锁孔的情况下,这个问题更为明显。虽然工业中使用的大多数典型钢的HLAW可以应对板之间的间隙,但HSQTS被证明更难焊接。因此,本研究试图解决HLAW过程中相关问题的技术问题,并使该钢合金的工艺具有鲁棒性。本研究重点研究了HLAW加工参数对接和T型接头配置下厚板钢焊缝质量的影响。采用表征技术,包括微观结构分析、硬度和通过电荷耦合器件(CCD)相机对熔池进行在线监测,以更好地了解连接参数对焊缝质量的影响。此外,还建立了有限元模型(FEM)来研究焊接过程中热源对熔池几何形状和热历史的影响。

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 a一个HLAW设置和b电弧和激光在对接接头配置中相互对应的定位示意图,以及T型接头配置实验设置的c示意图.

激光束功率和焦点位置产生的激光输入能量的数量和分布也是HLAW过程中极大地影响根部形成的参数。为了调整激光和电弧电源的几何配置,并获得可接受的焊缝质量,需要进行一系列实验测试。为了应用HLAW,必须考虑大量参数,以实现稳定的焊接工艺,从而产生高质量的接头。为了预测焊缝的形状,必须了解影响焊缝形成的现象。焊缝宽度非常重要,因为HLAW提供的窄接缝和有限的公差是一个挑战,因此在接头的整个平面上进行熔合是一个挑战。工艺参数对获得B级T型接头的影响在方法学上进行了研究。报告了不同厚度(6 mm、8 mm和10 mm)低合金钢S355和AH36的优化实验变量。8 mm厚的板实现了完全穿透,保持了0.5 mm的间隙。同时,无间隙焊缝实现了总厚度的75%熔深。

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如图所示,计算出的热等温线与实验数据相匹配,为开发的热源模型和热边界条件提供了良好的精度。

大多数研究都认为,焊缝横截面的金相分析对于评估焊缝质量和保证HLAW工艺稳定性至关重要。具有酒杯形状的全熔透焊缝是HLAW的典型特征。值得一提的是,T型接头对应的宏观截面与对接接头的酒杯形态相似。然而,T型接头显示出采用倾斜度的例外,该倾斜度取决于激光和电弧源的安装角度来进行焊接。这个角度显然会影响T焊缝的最终形态。

主导HLAW应用领域的一个重要理论问题是珠子结构强度的估计。T焊缝是根据喉部的厚度计算的。这些参数在船级社的规定中指定为必维国际检验集团或劳氏船级社。适当调整激光功率和入射角允许根部融合,从而在法兰和腹板之间实现适当的连接。喉部尺寸也受到电弧源的影响。对大多数焊缝坡口的外部观察预测它们在被连接材料的厚度范围内,但这种目视检查的评估使得难以确认最小设计喉部厚度的充分性。为了验证喉部的尺寸和比例,以及保证工件的完全渗透和完全结合,有必要对焊道的代表性部分进行宏观测试,其中可以检测到焊缝缺陷,如孔隙率、裂纹、咬边或驼峰。

2.材料和方法

2.1.材料

造船钢EH36(高强度钢)板采用HLAW工艺在2F焊接位置以T型接头配置连接(图1)。腹板和法兰使用相同的 8 mm 厚钢板。将板材切割成 300 毫米× 100 毫米(长×宽)大小的碎片,并喷砂直焊边网格。应用于法兰焊接区域的表面处理为机械铣削工艺。使用了两种类型的填充丝,直径均为 1.2 毫米,此处编码为 FW1(根据 AWS 的填充丝 1、联合 K52 Ni、ER80 S-G)和 FW2(填充丝 2、WDI 16 SG、根据 AWS 的 ER70 S-6)。一方面,FW1具有较高的镍含量,使焊缝能够将过渡温度从延展性降低到脆性,从而提高低温下的韧性。此外,FW1含有低百分比的钼,可改善低合金钢在高温下的抗蠕变性;该元素还会产生晶粒细化。另一方面,由于该研究侧重于在海军领域的应用,因此选择了FW2线,因为它含有铜合金元素,有利于抵抗大气腐蚀的行为。在贱金属的情况下,硫和磷含量保持在非常低的水平,以减少淬火脆化并增加韧性和横向延展性。此外,在需要高韧性的应用中,可以添加少量铝进行晶粒细化。

2.2实验程序

用于进行焊接测试的激光器是16 kW TruDisk 16002圆盘激光器,波长为1030nm,光束产品参数为9 mm×mrad。激光束由芯直径为200µm的光纤传输。焦点位置的光束直径为420µm。采用微处理器控制的最大电流为600 A的Qineo Pulse 600焊机作为电弧电源。在BAM设施(德国柏林)开发的实验配置如图2所示。焊接采用灵活的实验室混合设置,该设置使用GMA焊炬(图2A)和激光束源(图2B)的解耦配置,并允许调整其相对位置。整个混合头的尺寸约为73 cm(长)×12 cm×12 cm,包括准直透镜和聚焦透镜。焊接样品(图2C),保持混合头固定,移动工作台(图2D)。焊接光学器件的位置在过程中保持不变。使用82%氩气和18%CO2(商品名Corgon 18)的混合物作为保护气体,其由GMA火炬喷嘴以18l/min的流速驱动。

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图 2 实验配置:(a)GMA割炬,(b)激光束头(c)样品和(d)电动工作台。

在进行混合焊接测试之前,在焊接路径的两端和中间通过点焊固定板,以固定垂直板。点焊采用带涂层焊条的SMAW方法制成。

2F焊接位置下的HLAW T型焊接工艺需要细致的系统方法。首先,通过调整入射角和焦点位置来定位激光束。其次,配置GMA割炬的工作角度以及与电弧工艺对应的参数。激光束和GMA工艺的热输入通过激光功率,焊接速度和电弧源的功率(调节电弧电流和电压)进行调整。

激光和电弧源的几何配置被安装到工件上,考虑不同的参数来控制位置和角度(图3)。考虑的角度为(图3):激光束与GMA割炬之间的俯视角(α),GMA割炬与腹板之间的入射角(β),以及激光束从法兰的入射角(γ)。进一步的几何定位参数是(图3):激光束和GMA割炬之间的工作距离(a),与法兰的垂直激光偏移距离(b)和与腹板的水平GMA偏移距离(c)。在所有焊接实验中,GMA填充焊丝的尖端精确地放置在接头中,伸出设置为16 mm,焦点位置为-3 mm。

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图 3 激光和GMA源到工件的几何配置。

电弧电流处于脉冲模式,可以更好地控制焊缝的几何形状以及液滴转移到熔池的行为。焊缝的最终形态受到工艺参数的密切影响。激光源对焊根有很大的影响,对通过GMA工艺沉积焊丝的焊喉的影响较小。

用于分析焊接过程的测量设备WeldAnalyst HKS-P1000连接到电弧电源,以记录GMA过程产生的信号。电弧焊参数建立如下:脉冲频率,286 Hz;电弧电流峰值,563 A;基本电弧电流,68 A;电压指令值 32 V。通过GMA分析测量电弧电压和电弧电流曲线,并在焊接测试后进行修改。图 4 描述了测试 8 和 9 的示例配置文件,显示了在 2.600 ms 和 2.610 ms 之间注册的图表。

进行了初步测试以确定焊接参数的范围,这些参数可用于生产一系列具有可重复质量的焊缝以进行进一步评估。在煤层末端形成陨石坑已被忽略,因为这对工业规模来说是次要的。

此外,还使用SYSWELD软件开发了基于有限元计算的仿真模型,该软件可估计移动热源对连接件的影响。FEM 模型遵循焊接过程的热弹塑性阶段,提供热结果和对结构的机械效果。最有趣的热输出是每个节点达到的最高温度(指示属于融合区FZ,热影响区HAZ或贱金属BM的节点)。还获得了机械输出,特别是变形(网格节点的位移)和残余应力。图 5(a)和 (b) 中所示的 2D 和 3D 截面中有限元节点的网格划分以焊缝熔合区 (FZ) 的几何形状为参考。最终网格由 127,575 个 3D 有限元组成,接缝处的精细度更高,节点距离在 0.13 mm(融合区)到 4.38 mm(远离接缝的母材)之间。全局热源是截断锥体高斯数学模型的组合,如图5(c)所示,用于模拟激光源,Goldak的双椭球体数学模型代表GMA源,如图5(d)所示。结合焊接过程中熔池的实际测量值,精心拟合了热源的尺寸。将两个热源组合在一起,以模拟HLAW工艺的体积热通量分布,使用与实验焊接测试中相同的两个源之间的间隔距离(3.5 mm),以获得准确的结果。

FEM 模型再现了焊接部件的真实尺寸(300 mm × 100 mm × 8 mm),对接 T 形接头上 2F 位置下的接头。选择自然风冷条件。关于有限元模型的边界条件,夹紧和运动限制固定在与实验测试中使用的相同条件下。因此,位于法兰网格左边角的节点(图5(e)的红点)在焊接过程中被夹在所有轴(X、Y和Z轴)上,并在焊接后交付。焊接后,位于法兰下表面拐角处的 4 个节点的运动限制在–Y 轴上(图 5(f))。S355J2G3是从SYWELD软件数据库中选择的材料,用于执行FEM模型,考虑到这种材料用于母材和填充焊丝,因为它们具有相似的热性能和机械性能。

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图 5 有限元模型的详细信息:a)二维网格;b) 3D网格;c)激光热源的二维截面;d) GMA热源的二维截面;e)焊接夹具;和 f)焊接后的支撑。

对不同参数焊接的样品进行深入检查。选择表征和评估测试是为了满足通常适用于此T配置的标准质量控制测试。这些测试包括目视检查,射线照相测试(RT)以分析某些样品的缺陷,横截面的金相评估以及通过UCI(超声波接触阻抗)方法进行显微硬度映射在焊缝不同位置的显微硬度测试,如图6所示,其中每个点代表单个显微硬度测量值。作为测试批准的功能,合理增加了应用于每个焊缝的测试选择。因此,只有经过目视检查和无损检测的焊缝随后才通过金相分析进行分析。通过光学显微镜检查相关焊缝的微观结构。树突的大小和形状在不同的激光和GMA融合区进行了分析。因此,显微硬度图是根据从分析的宏观照片中获得的最佳结果进行的。

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图 6 测试 10 横截面的显微硬度映射示例(每个点都是显微硬度测量值)。

来源:Improvements of hybrid laser arc welding for shipbuilding T-joints with 2F position of 8 mm thick steel, Optics & Laser Technology, doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107284

参考文献:Hybrid laser arc welding: State-of-art review, Opt. Laser Technol., 99 (2018), pp. 60-71; F. Abad-Fraga, J. Sánchez-Amaya, Laser Hybrid Butt Welding of Large Thickness Naval Steel, Metals (Basel), 9 (1) (2019), p. 100


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