激光复合焊接技术在千吨级起重机产品上的应用

吕金波 徐宜武 王艳光 孟宪飞

激光复合焊接技术在千吨级起重机产品上的应用

吕金波 徐宜武 王艳光 孟宪飞

1. 概述

激光-电弧复合焊接是将两种物理性质、能量传输机制完全不同的热源复合于一体的先进焊接技术，它具有熔深大、焊接速度快、变形小、桥接能力强等优点，广泛用于各类材料的焊接。

将激光与电弧两种热源复合，取长补短，既可实现高焊速，又可保证焊接电弧稳定性；既可适应相对较低的结构件组对精度，又可满足高熔敷率的要求；同时又具有热影响区宽度窄、晶粒细小等优点，从而可以得到高质量的焊缝。

2. 激光复合焊接技术优势

（1）提升了激光能量吸收率 激光热源与电弧热源的有机结合，可以相互弥补彼此在焊接过程中存在的不足。激光焊接时在其周围产生大量的等离子体云，吸收激光能量，降低能量利用率，如果在激光束附近外加电弧，降低电子密度，稀释等离子体云，提升母材温度，可促进激光能量吸收率的大幅提高。

（2）扩大激光焊接工艺窗口 激光焊接由于热影响区域很小，母材端面接口容易发生错位，而电弧的热作用范围较大，可以降低对焊缝组对精度的要求；同时由于激光束对电弧的聚焦、引导作用，电弧的焊接质量和效率得到提升。

（3）降低了激光焊接缺陷率 激光焊接时峰值温度高、温度梯度大，冷却、凝固很快，容易产生裂纹和气孔。而电弧的热作用范围、热影响区较大，温度梯度、焊接速度相对较小，使凝固过程变的缓慢，可减少气孔和裂纹的生产。

综上，激光与电弧热源的复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进行焊接；另一方面可改善焊接质量，降低对母材端面接口精度要求。

图1 激光-双丝复合焊接工作站

3. 激光复合焊接在千吨级起重机产品上的应用

（1）激光复合焊接设备 图1为我公司与某科研院所联合研发的工程机械行业内首台用于高强度、中厚钢板焊接的激光-双丝复合焊接工作站。

该项技术的成功应用显著提高了我公司大吨位、超大吨位起重机关键受力结构件的焊接质量。对于超大吨位吊臂筒体结构，为保证关键焊缝熔透性，在

应用该项技术之前，通常需要焊工进到吊臂筒体内部施焊，焊接及焊道打磨劳动强度大。该项技术的单面焊双面成形效果（见图2、图3）彻底改变焊工的作业模式，使劳动强度显著降低，焊缝保证能力大幅提高。

（2）焊缝成形及质量 应用激光复合焊接可以实现小角度坡口一次焊接熔透成形，图4为45°坡口、2mm钝边、10mm板厚焊接工况的焊缝正反面成形效果，其中背面焊道均匀一致，宽度3～4mm，满足焊缝外观要求。

由于小角度坡口，焊丝填充量相比传统双丝电弧焊接下降30%，焊接速度为原电弧焊接两倍。由于大吨位、超大吨位起重机吊臂筒体结构在全伸状态吊装作业时，筒体结构旁弯变形1mm将导致起吊点部位出现近1m的偏差，因此对于吊臂焊接变形的控制要求十分严格。传统方式都是通过吊臂筒体内部增加工艺支撑、焊接过程减少热输入量来控制焊接变形，而应用激光复合焊接技术后，吊臂筒体焊后变形量降低48%，完全满足了设计尺寸精度要求。

针对激光复合焊接焊缝内部质量情况，选择传统熔化极电弧焊与激光复合焊接两种工艺施焊，焊缝进行射线探伤，结果如图5所示。由图5可知，传统电弧焊接焊缝根部易存在未熔合等缺陷，而采用激光复合焊接工艺的，焊缝射线探伤等级为I级，无缺陷。

图2 激光复合焊接熔透效果

图3 激光复合焊接焊道背面成形效果

图4 焊缝正面、背面成形效果

图5 两种焊接工艺焊缝探伤结果对比

图6 1 600t全地面起重机

（3）在产品上应用 随着激光复合焊接技术在公司内的成熟应用，现已将该项先进焊接技术由最初的应用于吊臂结构焊接，推广至大吨位、千吨级起重机产品的车架、支腿等关键受力结构的焊接，图7为我公司1 600t全地面起重机，其吊臂、支腿、车架等部位关键射线探伤合格率均为100%。在降低人工焊接劳动强度、节省焊接成本的同时，为客户提供关键焊缝质量100%的合格优质产品。

4. 结语

激光-电弧复合焊接技术从试验室研究到企业生产一线的实际应用，凸显出激光焊接、电弧焊接所不具备的优势，为科研院所、企业未来的重点研究应用方向。该项技术在提高焊接质量的同时，附加的效益如降低人工焊接劳动强度，节省焊材用量等，均符合绿色制造、内涵式制造的特征。

吕金波等，徐工集团徐州重型机械有限公司。