CN101306492A - T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法 - Google Patents

T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

T型接头的激光－双电弧双面复合焊接方法，涉及一种激光和电弧复合焊接的焊接方法，特别涉及针对T型接头的待焊工件采用激光与双电弧双面复合焊接。目的是解决目前对T型接头焊接采用单一激光穿透焊对焊缝装配间隙要求严，搭接面熔合直径较小，导致焊缝剪切强度低；采用激光填丝焊接或者双光束激光同步焊接工艺要求相当严格，成本高的问题。激光束沿T型接头的立板与顶板接触处形成的焊缝从顶板的顶面垂直入射进行穿透焊接，同时第一电弧焊枪和第二电弧焊枪分别从焊缝两侧进行同步焊接，保持第一电弧焊枪与第二电弧焊枪相对于立板左右对称放置。本发明与单一激光焊比较，能量利用率提高30％以上，焊接速度提高2倍以上，焊接效率提高2－3倍。

Description

T型接头的激光－双电弧双面复合焊接方法
技术领域
本发明涉及一种激光和电弧复合焊接的焊接方法，特别涉及针对T型接头的焊接。
背景技术
目前，无论是航空航天飞行器，还是车体、船体，都在追求薄壁类的新型轻量化结构与轻金属合金以实现减重、降低材料浪费、减少制作工序等目的。与此同时，要求新型结构在工作性能上还需有进一步的提高，如高比强度、较好的抗腐蚀性、较高的抗疲劳寿命以及与周边部件的良好兼容性等。因此，蒙皮与骨架组成的T型接头连接结构件的设计成为主流，且许多为大尺寸结构件。
考虑到连接工艺的可靠性、低变形与柔性化需求，激光焊接技术成为当前此类结构件连接最有潜力、也是最成熟的加工手段，并成功替代了一些传统连接工艺。例如，目前A3XX系列飞机乃至当前世界最大的A380飞机，机身蒙皮与内撑梁组成的T型接头均采用激光焊接技术替代传统的铆接进行连接，不仅减轻飞机重量，提高抗腐蚀能力；而且生产效率显著提高，工作速度比传统铆接提高10倍，仅材料与工艺改进实现减重15％。德国军用飞机EADS进气管原采用厚壁材料(AA2195A1-Li合金)机械加工而成，现将结构改为蒙皮骨架结构形式，采用两个4kWYAG激光器与一台6轴机器人即可进行铝-锂合金轻量化结构件T型接头的焊接。针对T型接头结构形式应用较多的船舶制造中，Fraunhofer USA与Visotek，Inc.and Bender Shipbuilding andRepair Inc.合作研究，采用激光高频摆动焊接方式成功地应用于三板对接的T型接头焊接，无论是从焊接变形还是焊接效率都较原来的弧焊工艺大大提高。
但是，针对T型接头的连接，目前公知的激光焊接方法一般都是：(1)采用单一光束从T型接头的顶面进行穿透焊接，但这种方法一方面对T型接头蒙皮与骨架对接装配间隙要求较严，一般为零间隙；另一方面搭接面熔合直径较小，导致焊缝剪切强度低。(2)采用单激光束或双光束填丝焊接技术分别从接头的两侧顺序施焊，不仅焊接效率低，应力变形不易控制；而且激光焊接对焊丝指向性和焊接工艺要求极为严格，激光焊接质量有赖于焊丝的对位精度，焊丝送进过程的任何干扰会立即导致焊缝缺陷的产生。(3)利用两束激光分别从T型接头两侧同步施焊，如中国专利200410069245.6，与焊接方法(2)相比，这样虽然可以提高焊接效率，较易控制焊接应力变形，但同样对激光焊接焊丝送丝精度或送粉要求和焊接工艺要求相当严格；此外，需要两台激光器或者一台高功率激光器采用分光镜分束来进行焊接，导致焊接成本急剧增加。总之，采用上述激光焊接方法虽然可以进行T型接头的焊接，但都不同程度地存在焊接效率低，应力变形不易控制，对焊缝装配、送丝或送粉工艺要求极为严格，焊缝剪切强度低，以及焊接成本较高等问题，特别是对于蒙皮较厚或者骨架尺寸较大的T型接头焊缝，这些问题显得尤为突出。
发明内容
本发明的目的是解决目前对T型接头焊接采用单一激光穿透焊对焊缝装配间隙要求严，搭接面熔合直径较小，导致焊缝剪切强度低；采用激光填丝焊接或者双光束激光同步焊接工艺要求相当严格，成本高的问题，设计一种T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法。
本发明针对T型接头的待焊工件采用激光与双电弧双面复合焊接，激光束沿T型接头的立板与顶板接触处形成的焊缝从顶板的顶面垂直入射进行穿透焊接，同时第一电弧焊枪和第二电弧焊枪分别从T型接头的焊缝两侧进行与激光焊同步的焊接，保持第一电弧焊枪与第二电弧焊枪相对于立板左右对称放置。
本发明的优点是：
1、本发明采用一束激光与两个电弧双面复合分别从T型接头两侧与顶面同时施焊，大大降低了T型接头顶面与立板之间的装配间隙要求，其间隙可达到2.0mm左右；
2、与单激光束焊接T型接头相比，双面焊接时由于激光与电弧的相互作用可以使激光和电弧的能量利用率提高30％以上，因此，在获得同样焊缝熔深的情况下，可以大大减小激光功率，从而降低焊接成本；
3、双面复合焊接时激光焊熔池与两个电弧形成的熔池合在一起，一方面焊缝同时冷却收缩，有利于应力和变形的控制；另一方面增加了T型接头熔合面面积，提高了焊缝剪切强度；
4、与单激光束焊接相比，采用激光-双电弧双面复合焊接可将焊接速度提高2倍以上，焊接效率提高2-3倍。
附图说明
图1是本发明的激光与双电弧同步施焊方法的示意图，图2是图1的侧视图，图3是实施方式三的示意图，图4是图3的侧视图，图5是单一激光束穿透焊接的焊缝示意图，图6是单一激光束顺序施焊的焊缝示意图，图7是用本发明焊接方法焊接的焊缝示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式针对T型接头的待焊工件采用激光与双电弧双面复合焊接，激光束5沿T型接头的立板1与顶板2接触处形成的焊缝从顶板2的顶面垂直入射进行穿透焊接，同时第一电弧焊枪3和第二电弧焊枪4分别从T型接头的焊缝两侧进行与激光焊同步的焊接，保持第一电弧焊枪3与第二电弧焊枪4相对于立板1左右对称放置。
焊接效果对比：
图5～图7分别显示了采用不同焊接方法焊接T型接头工件的焊缝形貌。采用单激光从T型接头焊缝顶面进行穿透焊接时，虽然焊接灵活性高，但是对T型接头的立板1与顶板2之间的装配间隙要求高，一般要求紧密贴合；而且T型接头立板1与顶板2之间搭接面熔合尺寸较小，导致焊缝剪切强度低，其焊缝成形如图5所示。当采用公知的激光焊接方法顺序从T型接头两侧施焊时，焊缝成形如图6所示。由于是单侧施焊，前焊的一侧焊缝对另一个接头的装配间隙产生影响，而后焊一侧的焊缝又对前焊一侧的焊缝及应力分布状态产生影响，因此接头的装夹和焊接应力变形的控制难度增大；同时采用激光焊接顺序施焊很难保证两个熔池合在一起，如图6所示，导致焊缝强度较低。采用图1所示的焊接方法从T型焊缝的顶面和两侧进行双面复合同步施焊时，焊缝成形如图7所示。在焊接过程中，由于激光和电弧的相互作用，一方面三个熔池容易合在一起，同时冷却收缩，有利于应力和变形的控制，相应地也增加了T型接头搭接面熔合尺寸，提高了焊缝剪切强度；另一方面可以使激光和电弧的能量利用率提高30％以上，因此，在获得同样焊缝熔深的情况下，可以大大减小激光功率，从而降低焊接成本。同时，采用本发明方法焊接不仅大大降低了T型接头顶面与立板之间的装配间隙要求，其间隙可达到1.0mm左右；而且与单激光束焊接相比，其可将焊接速度提高2倍以上，焊接效率提高2-3倍。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于激光束5的类型为CO2气体激光束、YAG固体激光束、半导体激光束或光纤激光束，其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于本发明的焊接方法适用于同种材料或异种材料的T型接头结构的连接，其它与实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于保持第一电弧焊枪3与T型接头的立板1之间夹角β在15°-60°之间，第一电弧焊枪3与立板1和顶板2的交线之间的夹角α在60°-90°之间，其它与实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于保持第一电弧焊枪3与T型接头的立板1之间夹角β在30°-45°之间，第一电弧焊枪3与立板1和顶板2的交线之间的夹角α在75°-90°之间，其它与实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于电弧电流在60A～300A之间，激光功率在800W～5kW之间，第一电弧焊枪3和第二电弧焊枪4的保护气体流量在10L/min-25L/min之间，激光焊接的保护气体流量在10L/min-50L/min之间，焊接速度在0.8m/min-5.0m/min之间，其它与实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与实施方式一的不同之处在于电弧电流在100A～200A之间，激光功率在1kW～3kW之间，第一电弧焊枪3和第二电弧焊枪4的保护气体流量在12L/min-20L/min之间，激光焊接的保护气体流量在20L/min-30L/min之间，焊接速度在1.0m/min-3.0m/min之间，其它与实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于第一电弧焊枪3与第二电弧焊枪4选用TIG焊枪(钨极惰性气体保护焊)、MIG焊枪(金属极惰性气体保护焊)或MAG焊枪(金属极活性气体保护焊)，其它与实施方式一相同。
第一电弧焊枪3与第二电弧焊枪4选用TIG焊枪进行焊接，β一般取30°左右，α取85°～90°时焊接效果最佳，这种方法特别适合于顶板2的厚度小于或等于3mm和立板1的宽度小于或等于5mm的的T型接头焊缝的焊接。
第一电弧焊枪3与第二电弧焊枪4选用MIG/MAG焊枪进行焊接，MIG/MAG焊枪的电弧能量集中，且存在填充金属，对T型接头的顶板2与立板1之间的装配间隙要求小，其间隙可达到2.0mm左右，特别适合于T型接头顶板2的厚度大于4mm和立板1的厚度大于6mm的T型接头焊缝的焊接。
具体实施方式九：下面结合图3、图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于在焊接的同时填充焊丝，第一电弧焊枪3配合填充第一焊丝6焊接，第二电弧焊枪4配合填充第二焊丝7焊接，第一焊丝6与第二焊丝7相对于立板1左右对称放置，第一焊丝6与立板1之间的夹角θ和第一电弧焊枪3与T型接头的立板1之间夹角β保持一致，在15°-60°之间，焊丝6与立板1和顶板2的交线之间的夹角φ在0°-30°之间，送丝速度在1.0m/min-10.0m/min之间，焊丝的直径在1.0mm-1.6mm之间，其它与实施方式一相同。

Claims (9)

1、T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法，其特征在于针对T型接头的待焊工件采用激光与双电弧双面复合焊接，激光束(5)沿T型接头的立板(1)与顶板(2)接触处形成的焊缝从顶板(2)的顶面垂直入射进行穿透焊接，同时第一电弧焊枪(3)和第二电弧焊枪(4)分别从T型接头的焊缝两侧进行与激光焊同步的焊接，保持第一电弧焊枪(3)与第二电弧焊枪(4)相对于立板(1)左右对称放置。
2、根据权利要求1所述的T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法，其特征在于激光束(5)的类型为CO2气体激光束、YAG固体激光束、半导体激光束或光纤激光束。
3、根据权利要求1所述的T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法，其特征在于本发明的焊接方法适用于同种材料或异种材料的T型接头结构的连接。
4、根据权利要求1所述的T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法，其特征在于保持第一电弧焊枪(3)与T型接头的立板(1)之间夹角β在15°-60°之间，第一电弧焊枪(3)与立板(1)和顶板(2)的交线之间的夹角α在60°-90°之间。
5、根据权利要求1所述的T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法，其特征在于保持第一电弧焊枪(3)与T型接头的立板(1)之间夹角β在30°-45°之间，第一电弧焊枪(3)与立板(1)和顶板(2)的交线之间的夹角α在75°-90°之间。
6、根据权利要求1所述的T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法，其特征在于电弧电流在60A～300A之间，激光功率在800W～5kW之间，第一电弧焊枪(3)和第二电弧焊枪(4)的保护气体流量在10L/min-25L/min之间，激光焊接的保护气体流量在10L/min-50L/min之间，焊接速度在0.8m/min-5.0m/min之间。
7、根据权利要求1所述的T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法，其特征在于电弧电流在100A～200A之间，激光功率在1kW～3kW之间，第一电弧焊枪(3)和第二电弧焊枪(4)的保护气体流量在12L/min-20L/min之间，激光焊接的保护气体流量在20L/min-30L/min之间，焊接速度在1.0m/min-3.0m/min之间。
8、根据权利要求1所述的T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法，其特征在于第一电弧焊枪(3)与第二电弧焊枪(4)选用TIG焊枪、MIG焊枪或MAG焊枪。
9、根据权利要求1所述的T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法，其特征在于在焊接的同时填充焊丝，第一电弧焊枪(3)配合填充第一焊丝(6)焊接，第二电弧焊枪(4)配合填充第二焊丝(7)焊接，第一焊丝(6)与第二焊丝(7)相对于立板(1)左右对称放置，第一焊丝(6)与立板(1)之间的夹角θ和第一电弧焊枪(3)与T型接头的立板(1)之间夹角β保持一致，在15°-60°之间，焊丝(6)与立板(1)和顶板(2)的交线之间的夹角φ在0°-30°之间，送丝速度在1.0m/min-10.0m/min之间，焊丝的直径在1.0mm-1.6mm之间。
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