手持激光填丝焊接技术修复超高压输电线路金具的工艺研究

摘要

激光焊接具有优良的焊接质量和高效率，已在部分行业替代传统的电弧焊接工艺，而手持激光焊接技术的开发提升了作业灵活性，大幅增加了工业领域的接受程度。为进一步提高超高压输电线路用铝合金金具的修复水平，研究了手持激光焊技术的修复可行性，考察了激光功率、光束摆动模式和幅度等参数对修复效果及形貌的影响，同时测试了修复接头相应的抗拉强度、导电性。研究结果表明：采用手持激光焊接修复技术，在光束为“—”摆动模式下可获得成形良好的修复层，修复层存在多道次组织特征，焊缝中间的晶粒较小，靠近母材处晶粒较大；在合适的激光功率、摆动幅度范围内，线性修补能够一次性实现对细小裂纹类线性缺口的修复且效果显著，修复接头的抗拉强度不低于母材、导电性可达到母材的89.43%、硬度高于母材。综上，采用手持激光填丝焊接可实现铝合金输电金具的修复，有望用于超高压输电线路金具缺口的修复。

关键词

铝合金金具; 手持激光焊接; 修复工艺; 超高压输电

随着激光器制造技术及焊接枪头制造水平的进步，激光焊接技术在过去几十年发展迅速，在工业领域取得了长足的发展，在部分行业激光焊接逐步取代传统的电弧焊接工艺，其优良的焊接质量及高效率越来越受到重视^［1-3］。近两年来，手持激光焊接设备取得较大的进展，在工业中取得广泛的应用^［4］。手持激光焊接设备结构简单、操作较为方便，且在焊接时不需要复杂的夹具及设置，具有相当的灵活性^［5］，焊接过程中产生的弧光、烟尘、飞溅等相比较于电弧焊较少，使得工业领域对手持激光焊接设备的接受程度大幅度增长。

超高压输电线路使用的金具一般由板形、杆形、环形各类形状的部件组成，由于在服役过程中受外力破坏、自然侵蚀等，金具不可避免地出现损坏甚至失效^［6-8］。目前，采用焊接修复技术实现现场修复可减少更换零部件的数量，然而修复过程中需要高空作业，而且受环境、天气、地形、电磁等因素干扰影响大，传统的电弧修复易出现氧化、气孔、热裂纹等问题。因此，为进一步提高输电金具的修复水平，拟选用手持激光焊接修复的方法来替代电弧焊修复。本文针对铝合金金具，采用手持激光焊接修复的方法进行激光焊接修复，对焊接修复工艺及修复接头的各项性能进行了研究，为手持激光焊接修复用于超高压输电线路的铝合金金具打下基础。

1 实验部分

1.1 实验设备

用于实验研究的手持激光焊接设备由激光器、水冷机、手持焊枪、控制系统、送丝机等部件组成。激光器为光纤激光器，其输出最大功率为1.5 kW、波长为1070 nm；手持激光头准直焦距为100 mm、聚焦焦距为150 mm，传输光纤芯径为200 μm。手持激光焊接设备如图1所示。

图1  手持激光焊接设备

Figure 1  Hand-held laser welding equipment

1.2 实验材料

实验母材为1050A铝合金金具，选用直径1.2 mm的4043铝合金焊丝作为填充材料，母材及焊丝成分分别列于表1和表2。

表1  母材组成成分

Table 1  Chemical composition of base metal

成分	Al	Si	Cu	Mg	Zn	Mn	Ti
含量w/%	99.50	≤0.25	≤0.05	≤0.05	≤0.07	≤0.05	≤0.05

表2  焊丝组成成分

Table 2  Chemical composition of wire

成分	Al	Si	Cu	Mg	Zn	Mn	Ti	Fe
含量w/%	Base	4.5—6.0	≤0.30	≤0.05	≤0.10	≤0.05	≤0.20	≤0.8

1.3 实验方法

为了模拟待修复的缺陷，首先对铝合金金具开具宽2 mm、深2 mm的坡口，然后对坡口进行单道激光填丝焊接修复。焊前用钢丝刷去除母材表面的氧化膜，并用酒精清除表面油污。焊后沿垂直于焊缝方向制备拉伸试样，拉伸试样尺寸如图2所示。

图2  拉伸试样形状及尺寸

Figure 2  Dimension of tensile specimen

采用GP-TS2000M型拉伸机对接头进行拉伸测试，采用FD-101型数字便携式涡流导电仪对焊接接头进行电导率测试。

2 结果与分析

2.1 工艺参数对修复效果的影响

2.1.1 光束摆动方式对修复的影响

通过振镜的摆动可实现激光光束多模式摆动，实验研究了在其他参数不变的情况下，光束四种摆动模式对铝合金材料修复表面的影响，结果如图3所示。从图3可见，四种摆动模式分别是“○”、“△”、“”、“—”，其中“—”这种摆动模式获得的焊缝形貌效果较好，故在后续实验研究中光束采用此种摆动方式。

图3  光束摆动模式对接头成形的影响

Figure 3  Effect of beam swing mode on joint formation

2.1.2 工艺参数对修复效果的影响

表3为焊接工艺参数，采用表3的实验参数进行工艺实验研究，实验结果如图4所示。从图4可见：在合适的工艺范围内，线性修补能够实现细小裂纹类线性缺口的一次性修复，且修复效果显著；随着激光功率的增加及摆动宽度增加，修复表面更为饱满，修复效率提高，成形美观。

表3  焊接工艺参数

Table 3  Laser welding process parameters

序号	激光功率/W	摆动宽度/mm	摆动频率/Hz	送丝速率/ （m·min-1）
1		2.2	10	7
2	1125	3.0	10	7
3		4.0	10	7
4		2.2	10	7
5	1200	3.0	10	7
6		4.0	10	7
7		2.2	10	7
8	1275	3.0	10	7
9		4.0	10	7
10		2.2	10	7
11	1350	3.0	10	7
12		4.0	10	7

图4  实验结果

Figure 4  Test results

2.2 对焊接接头性能的影响

2.2.1 拉伸性能

对所制备的焊接修复接头进行拉伸性能实验（图5），并且与母材（13号）的拉伸性能进行对比，测试结果列于表4。从表4的结果可以看出：1、11号试样的断裂位置在焊接接头处，其余试样的断裂位置为母材处，表明手持激光焊接修复工艺获得的堆焊接头的抗拉性能不低于母材；在较大的抗拉强度参数范围内，修复件的抗拉性能均好于母材，这也表明了手持激光焊接工艺的适用性及实用性。随后对断裂位置为焊缝的试样进行观察，发现接头存在气孔，这导致了接头抗拉强度的下降。

图5  拉伸测试实验

Figure 5  Tensile tests

表4  试样力学性能检测结果

Table 4  Tensile test results

序号	抗拉强度/MPa	断后延伸率/%	断裂位置
1	49.0	66.01	接头
2	86.0	64.07	母材
3	54.0	65.13	母材
4	79.0	64.30	母材
5	77.0	65.22	母材
6	76.0	60.82	母材
7	79.0	64.50	母材
8	47.0	53.93	母材
9	55.0	60.32	母材
10	46.0	60.50	母材
11	54.0	62.30	接头
12	81.0	64.30	母材
13	76.0	69.00	—

2.2.2 导电性

对采用手持激光填丝焊接工艺修复的接头进行导电性测试，选择2、4、7和12试样进行测试，利用数字便携式涡流导电仪进行电导率测试，在焊缝测试3点，在焊缝两端的母材各测试2点，结果列于表5。由表5可知，母材的导电率为30.29 Ms∙m^-1，而焊缝处的导电率为22.67—26.93 Ms∙m^-1，其最大导电率为母材的89.43%。

表5  导电性能测试结果

Table 5  Electrical conductivity test results

试样	焊缝/（Ms∙m-1）		母材/（Ms∙m-1）		比值/%
	测定值	平均值	测定值	平均值
2	26.9、26.7、27.2	26.93	29.1、30.8、31.5、31.7	30.77	87.52
4	27.0、25.7、26.7	26.47	29.4、29.3、28.5、31.2	29.60	89.43
7	21.9、21.1、25.0	22.67	28.6、31.3、31.7、31.8	30.85	73.48
12	23.5、23.7、25.4	24.20	28.8、30.1、30.2、30.8	29.97	80.75

2.2.3 显微硬度及金相组织

对2号试样进行维氏显微硬度测试，分别在上、中、下三层进行测试，在载荷为0.05 kg、加载时间为10 s的条件下，最后测量结果如图6所示。图6可以看出，修复层硬度高于原始母材，修复层从上到下显微硬度逐渐降低。

图6  显微硬度测试结果

Figure 6  Microhardness test results

为进一步分析试样修复层的硬度，对2号试样进行了金相分析，不同区域的金相组织如图7所示。从图7可见，修复层存在多道次组织特征，焊缝中间的晶粒比较细，靠近母材处晶粒较大，这与接头处硬度的波动相对应。这是因为修复过程中采用的是光束摆动模式，材料因此受到多次热循环的影响。

图7  2号试样不同位置的金相组织

Figure 7  Metallographic structure of sample #2 at different locations

3 结论

采用手持激光焊接技术，在合适的工艺范围内能够一次性对细小裂纹类线性缺口进行修复。修复层表面饱满，成形美观。手持激光填丝焊接修复接头的抗拉强度不低于母材，导电性可以达到母材的89.43%。研究结果表明，采用手持激光填丝焊接有望实现输电线路中铝合金金具的修复工作。