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

郑三毛,刘东甲

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局，云南昆明 650217）

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

表2 焊丝组成成分Table 2 Chemical composition of wire

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

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

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%。

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。

表5 导电性能测试结果Table 5 Electrical conductivity test results

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。