钢结构厚板焊接施工要点探讨
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摘要：钢结构体系具有自重轻、抗震性能优、施工周期短、安装速度快、投资回报快、绿色无污染等优点，从一定程度上反映了国家的综合经济实力和建筑技术的发展水平，得到了世界各国广泛的应用和大力推广。本文探讨了钢结构厚板焊接施工的技术要点。
关键词：钢结构，厚板，焊接，施工
厚板高强度结构钢焊接过程所要解决的最主要的问题是防止焊后裂纹的产生,同时在满足焊缝区强度要求的同时,提高焊缝金属及焊接热影响区(HAZ)的韧性,使之满足规范要求。
1.厚板高功率激光深熔焊接原理
激光深熔焊的示意图如图-1所示，高功率CO2激光深熔焊接的基本特征是小孔形成和光致等离子体产生，当激光功率密度达到106时，功率输入远大于材料热传导、对流及辐射散热速率，材料表面发生气化生成小孔，孔内金属蒸汽压力与四周液体的重力、表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中折射传到孔底，称为“小孔效应”。在激光焊接过程中形成的等离子体实际上是一种羽团状闪光的高温气体物质，它是由金属蒸汽原子和原子簇、电子和正离子组成。工件表面低密度等离子体的存在有利于增加材料对激光的吸收，使激光能量传输效率提高；但是在高功率激光深熔焊接过程中，致密的等离子有时也会对入射激光产生强烈的屏蔽作用，严重影响深熔焊的进行。
图-1激光深熔焊接过程示意图
1.1激光深熔焊深熔小孔的形成
低功率密度激光作用在金属工件表面时，材料对激光的吸收率很低，绝大多数激光能量反射。这一阶段金属材料对激光的吸收仅仅局限在表面。随着激光作用时间的延长，金属表面温度逐渐升高，金属表面逐渐熔化同时焊接深度也缓慢增长。随着激光功率密度的增加，表面金属蒸汽蒸发量增加，这样由于金属蒸汽的蒸发而形成的对熔池压力也增加，熔池下陷增加；同时下凹熔池表面的曲率半径将减小。当功率增大到某一临界值，材料的蒸发压力将在在熔池中形成小孔，焊接深度将突变式的增长，形成激光深熔焊接。汽化的金属蒸汽在激光的作用下电离，电离的金属以离子及电子蒸汽极大的促进了激光能量的吸收。小孔内部充满了高密度的金属蒸汽离子以及自由电子。小孔的存在极大的促进了激光能量的吸收，小孔像一个黑体，几乎吸收了全部的激光能量。
1.2深熔焊小孔内的能量吸收机制
深熔焊过程中形成的匙孔效应对激光的吸收具有极其重要的作用，进入匙孔的激光束通过孔壁的多次反射而几乎完全被吸收。到目前为止，一般认为匙孔内激光的能量吸收机制包括两个过程：逆韧致吸收和菲聂耳吸收。逆韧致吸收表示的是光致等离子体对激光能量的吸收行为。深熔小孔中充满着金属蒸汽原子以及金属蒸汽和少量保护气体电离形成的等离子体。激光束穿过等离子体会发生能量衰减，一部分能量被吸收。
1.3深熔焊过程中的光致等离子现象
等离子是指气体粒子中至少有一部分离子化，从而由中性粒子、阳离子、电子等聚合在一起所组成的气体或蒸汽状态。焊接过程中由于激光辐照金属材料汽化而产生的光致等离子，称为光致等离子体。激光深熔焊过程中，入射光束的能量密度较大，可以使得熔化的金属汽化，并在熔池中形成匙孔。在这一过程中，金属表面和小孔内喷出的金属蒸气及少量的保护气体中的起始自由电子通过吸收光子能量而被加速，直至有足够的能量来碰撞蒸气离子使其电离，此时电子密度便雪崩式增长形成致密等离子体。
有研究表明，激光能量密度较低时，等离子体仅由金属离子蒸汽组成，自由电子动能不足，还不足以使金属蒸气原子产生雪崩式地电离，此时电子密度较低，停留在小孔的内部或紧贴在熔池表面。这种稳定的稀薄等离子层的存在有助于激光与金属材料的能量耦合。对于CO2激光与钢的相互作用而言，稀薄的等离子体可以使工件对激光的吸收率由10%达到30%~50%。在高功率密度激光深熔焊接条件下，产生的等离子体的电子密度很高，形态为高亮的羽团状，它的存在和变化行为对于激光深熔焊接过程有着非常重要的影响。光致等离子于熔池和小孔的上方的光路上，其本身的物理特性使其对激光束有折射、散射和吸收作用。
1.3.1光致等离子对激光束的吸收
等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光束的能量，使其本身的温度升高、电离度增大。吸收机制可分为正常吸收和反常吸收两大类。正常吸收即为逆韧致吸收，是由电子―离子碰撞引起的，处在激光电场中的电子被激励发生高频振荡，并且以一定的概率与粒子碰撞，把能量交给较重的粒子（离子、原子），从而使等离子体升温的过程。反常吸收是指通过多种非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能量的过程。这些波能量通过各种耗散机制转化为等离子体的内能，也会使等离子体升温。
1.3.2光致等离子体对激光束的折射
由于电子密度的不均匀性，等离子体具有一异常折射率性质，使得入射激光束发散，使得激光束的实际焦点位置下移。通过光谱分析和理论估算，在激光深熔焊中，等离子对激光的折射作用大大降低了作用在工件表面的激光能量密度。有研究人员将等离子体描述为一个负透镜，而等离子体对激光的折射作用则被称为负透镜效应。
2.钢结构厚板焊接施工要点
2.1高功率激光填丝焊原理及工艺点
激光填丝焊是指在进行激光焊接的同时向焊缝填充焊丝。焊丝的加入可以降低激光焊接对坡口加工精度和装配精度的要求，扩展了激光焊接在工业生产的应用领域。
激光焊接过程中由于焊丝的加入，焊丝熔化需要吸收一部分激光的能量，这样在同样的能量热输入条件下，填丝焊与激光自熔焊接相比焊缝的熔深有一定的减小。但是尽管如此，通过填丝的方法大大拓展了激光焊接的应用范围，其优势主要表现在：
（1）在一定程度上改善了激光自熔焊接对工件装夹、拼装要求严的问题。由于激光束在焊接时聚焦仅零点几毫米的光斑，因此接头的装配、拼缝间隙要求较高。举例来说，船用钢板激光焊接能够接受最大的焊件接头间隙是0.1~0.2mm，虽然采用机械加工的方法可以满足要求，但会大大增加成本，因此造船厂在实际生产中普遍采用填丝激光焊接，以使熔接的搭桥能力增大至0.4mm[38]。
(2)可以通过调节焊丝成分控制焊缝区组织性能，对熔合区的裂纹等缺陷更容易控制和规避，这尤其对于异种材料及脆性材料的激光焊接工艺十分有利。
在实际激光焊接生产中，大部分的激光填丝焊都是冷丝焊，这是区别于激光热丝焊而言的。两者的区别就在于焊丝在焊前是否经过加热措施。焊丝在焊接过程中都需要激光的能量来实现熔化。在某些情况下，如焊丝的填入量很大或者焊丝材料本身热阻较高不容易熔化时就需要实现对焊丝进行加热。热丝的加入可以减少激光消耗在焊丝上的能量，有效的提高焊接的速度。
2.2高功率激光复合焊原理及工艺要点
激光深熔焊接有其独特的优点，但同样也有不能忽视的缺点。例如，激光焊桥接性较差，因此对工件装配精度要求高；由于激光焊特别是在大功率激光焊接时，在快熔快凝条件下，焊缝热影响区的组织硬度较高，容易产生冷裂纹等缺陷，此外大功率作用条件下形成深宽更大的焊缝熔池，在高速条件下熔池中的气泡更来不及排出，这就有可能带来气孔问题。
相对于激光焊接来说，电弧焊的优点在于：1）电弧焊接经济便宜，焊接能量利用率高，可达输入功率的60%以上；2）电弧焊的热作用区大，桥接性能好，对焊接工件的间隙和平整度要求不严格，间隙和错位可达工件厚度的1/10；3）电弧焊接热输入量大，焊接速度慢，焊接后的焊缝区域硬度不高，与母材相差较少4）与激光的性质不同，电弧焊不存在反射和散射的问题，可以焊接铝铜等高反射材料；5）通过填丝或熔化极材料的填入和开坡口，可以焊接超厚的工件。而电弧焊接的缺点在于焊接速度慢，工作效率低且当焊接速度太快时电弧将非常不稳定，电弧会产生出现跳动，焊接熔深浅，深宽比小。这主要是因为电弧焊接能量不集中。功率密度通常只有102~104W/cm2，不能形成深熔焊；焊接热输入量大，再加上低的焊接速度，焊接后焊件的变形量大焊缝组织的热应力大。
2.3钢厚板低合金高强钢焊接性要点
低合金高强度结构钢是在低碳结构钢的基础上添加一定量的合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo、Ni、Cu、Nb、Ti、V、Zr、B、P和N等，但总量不超过5%，一般在3％以下），以强化铁素体基体，控制晶粒长大，提高强度和塑性、韧性。一般在热轧后条件下供货以满足用户对冲击韧度的特殊要求。如要求更高强度（σs=490～980MPa），也可以在调质状态下供货。低合金高强度结构钢按屈服点（σs）分级。每种强度等级的钢都有其自身的焊接性特点。这类钢的焊接性特点主要体现在两个方面：
1)热影响区的淬硬倾向。这类钢中合金元素含量较多，碳当量较高，热影响区容易出现硬而脆的马氏体组织，硬度明显增高，热影响区的塑性、韧性降低，抗应力腐蚀能力恶化，冷裂纹的倾向较大。热影响区的淬硬倾向主要取决于钢材的化学成分，一般可以用碳当量来表示。对于化学成分既定的钢材，热影响区的淬硬程度主要决定于800~500℃或800~300℃以及Tm~100℃温度区间的冷却时间(简称t8/5、t8/3、t10-C)。即决定于钢板厚度、接头型式等结构因素和预热温度、焊接线能量及焊后冷却条件等工艺因素。
根据热影响区的淬硬倾向，又将σs≥441MPa的低合金结构钢分为低淬硬倾向钢和高淬硬倾向钢。
σs441Mpa的低合金结构钢一般是正火或正火加回火处理的钢，由于碳当量较高，淬硬倾向较明显，制订这种钢的焊接工艺时，应根据接头型式和钢材厚度，调整焊接线能量和预热温度以控制焊接热影响区的冷却速度，使之既可避免因硬度过高而出现冷裂纹，又不致因冷却速度过慢使晶粒长大而降低热影响区性能。在材料和结构因素已定的条件下，就是确定能够避免冷裂纹产生的最低预热温度和相应的最小焊接线能量。
σs588MPa的低合金钢为调质钢，其含碳量＜0.20％，这类钢碳当量虽高，但其塑性和韧性很高，而且焊接性良好。焊接时不要求很高的预热温度，而且焊后不用热处理便可获得与基体金属力学性能相当的焊接接头，这是因为在焊接过程中使热影响区近缝区得到了低碳马氏体加下贝氏体组织，从而获得综合性能良好的接头。若冷却速度太慢，奥氏体转变成粗大贝氏体，使近缝区性能恶化，所以焊接这类钢时必须有一个最低冷却速度。但冷却速度过大又会导致抗裂性和接头塑性变坏。因此在材料和结构已经确定的情况下制订焊接工艺时，必须协调好预热温度和线能量之间的关系。通常是确定最低预热温度和允许的最大线能量。
2)焊接接头中的裂纹。焊接低合金结构钢，最容易出现的焊接裂纹是冷裂纹。其中最多见的是焊缝和热影响区的根部裂纹；焊接热影响区的焊道下裂纹、焊趾裂纹等，焊缝金属中的纵向或横向裂纹。在结构因素确定的情况下，这些裂纹主要由钢材的淬硬倾向大、冷却速度快以及接头的扩散氢含量高造成的。焊接低合金钢时应该严格控制氢的来源，采取必要的措施，使氢尽量逐出；选择合适的焊接线能量和预热温度，控制t8/5，以改善焊缝和热影响区的组织状态；选择合理的接头型式和焊接顺序，避免应力集中。这样才可能防止和减少焊接冷裂纹的产生。
结语
激光焊接技术已成为高质量制造过程中的必备焊接工艺。我国为实现从制造大国向制造强国的转变，发展和实现激光焊接技术将是必经之路。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。