钢结构厚板焊接施工要点探讨

    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。

 

　　

 　　 

　　

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