CN101474726B - 采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法，属于激光材料加工技术领域。本发明采用高功率激光器和电弧复合，其布置方式为激光束与焊丝相对于电弧相向布置，其中激光束从电弧前方倾斜入射，焊丝从电弧后方送入坡口间隙中，复合热源熔化焊丝后填充间隙，实现工件单道焊接成型。本发明充分利用了激光的深熔特性和电弧的高填充效率特点，同时在激光-电弧的相互作用下，焊接过程稳定性改善，焊接效率提高。

Description

采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法

技术领域

一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法，属于激光材料加工技术领域。

背景技术

随着交通、能源、核电、航空、航天等工业装备的日趋大型化，高参数化，厚(超厚)板焊接结构的应用越来越广泛，并对焊接变形、接头质量等提出了越来越高的要求。

目前应用于厚板焊接的非熔化极惰性气体焊(GTAW)、熔化极惰性/活性气体保护焊(GMAW)、埋弧焊接(SAW)等工艺，在进行大厚板焊接时需要开较大的坡口，焊接道次多，焊接热影响区宽，焊接残余应力大，焊接变形大，焊接效率低等，限制了大厚尺度焊接结构的应用。同时由于电弧的热穿透深度较浅，对于中厚板不能实现单面焊双面一次成形，由于较大的热输入量，焊后变形也不能满足使用要求。

作为一种先进的高效焊接方法，激光焊接是一种理想的解决办法。但受激光功率及光束质量的限制，一般激光焊接的深度有限，对于厚度超过10mm的厚板需采用万瓦级的激光器。由于万瓦级激光器的造价非常昂贵，同时光束质量较差，超高功率激光束焊接时，等离子体的控制更加困难，焊接过程稳定性恶化，其工业应用受到限制。

激光-电弧复合焊接技术的出现，特别是激光-熔化极电弧(MIG/MAG)的复合为大厚板的焊接提供了一种有效手段。复合焊接充分利用了激光和电弧的特性，它与单纯的激光焊接相比，提高了间隙搭桥能力，降低了坡口准备的精度要求，并且在合适的规范下可以改变熔滴的过渡方式，减少了单一MIG/MAG焊接时的飞溅量。同时仍然保持了激光焊的高能密度输入、大深熔、高效、低变形等特点，特别适用于大厚板的焊接。但是其不足之处在于焊接时的熔滴过渡影响电弧稳定性，其焊接过程稳定性难以保证，甚至存在大量气孔，接头质量不高。同时传统的激光-MIG/MAG复合焊接通常采用激光束与工件表面垂直，电弧相对激光束以45～60°旁轴布置。这种情况下，电弧对激光束产生不利影响，导致其焊接深度有限，单道厚度不超过8mm。对于厚度超过8mm的焊接结构，激光-MIG/MAG复合焊接需采用多层焊，焊接工艺将变得非常复杂，接头质量也难以满足使用要求。

发明内容

针对上述问题的不足之处，本发明的目的在于采用高功率激光器，开发大厚板的单道焊接成型的复合焊接方法。本发明采用激光与非熔化极电弧复合，并填加焊丝，采用激光束与焊丝布置在电弧的两侧并且三者在一个平面内的布置方式，实现了大厚板的单道焊接成型，提高了焊接效率，同时由于非熔化极电弧稳定性好，不涉及焊丝的熔滴过渡导致电弧稳定性变差的问题，大大改善了焊接过程的稳定性，接头质量得到保证。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：焊接前，工件预开坡口2。焊接时，激光束4与焊丝9布置在电弧8的两侧并且三者在一个平面内，电弧8与工件1表面法线的夹角不超过20°。激光束4与工件1表面夹角为30～75°，激光束4从电弧8前方倾斜入射。焊丝9从电弧8后方送入所述坡口2的间隙中，由激光束4和电弧8组成的复合热源熔化焊丝后填充间隙，实现工件单道焊接成型。

所述工件预开坡口2为带钝边的U型坡口，其间隙宽度为1.5～2d，其中d为焊丝9的直径。

所述的电弧8为TIG电弧或等离子弧。

所述激光束4为CO₂激光、YAG激光或光纤激光。

本发明的基本原理是：待焊工件预开带钝边的U型坡口，其间隙宽度为1.5～2d(d为焊丝直径)。焊接时，激光束与焊丝相对于电弧相向布置，激光束倾斜从电弧前方入射，焊丝从电弧后方送入坡口间隙中。由于采用了焊丝和激光相对电弧相向布置方式，复合热源熔化焊丝，避免了焊丝的引入导致的激光焊接熔深的下降问题，这样可最大限度的利用激光深熔焊接时的大熔深，有效穿透钝边。同时又充分利用激光-电弧的相互作用，激光焊接的小孔吸引电弧深入坡口根部，促使电弧充满整个坡口中，避免了电弧焊接时，电弧仅在坡口顶部铺展及电弧在窄间隙坡口两侧的跳动问题，电弧稳定性明显改善。由于前置的激光束首先在钝边上形成熔池，坡口根部的温度较高，电弧熔化焊丝后的熔融金属流动性明显改善，可以充满整个坡口间隙，即使在较小间隙条件下(1.5～2倍焊丝直径)也不存在熔滴短路现象，避免形成未熔合。此外电弧较大的加热面积，也改善了工件的间隙适应性。由于本发明的复合热源采用的是非熔化极电弧，不涉及熔化极电弧焊接时的熔滴过渡对电弧稳定性具有不利影响的问题，电弧稳定性明显改善，焊接过程的稳定性大大提高。同时在激光-电弧相互作用下，焊接速度较点弧焊有所提高，抑制了单纯激光焊接时容易在小孔底部出现气孔的问题，同时焊接接头又保留了激光焊接接头的特征，可以获得大深宽比，没有气孔缺陷的焊接接头。

通过填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接，采用高功率激光器可实现大厚板的单道焊接成型，焊接工艺简单，焊接成本低，焊接效率高，同时由于电弧的加入，增加了搭桥能力，减少了装配要求。同时由于激光和电弧的相互作用，焊接过程稳定型明显改善，减少了气孔的出现。采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接在大厚板焊接领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1：采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法示意图

图2：采用本发明方法焊接10mm厚不锈钢板的焊缝表面成型图

图3(1)：采用本发明方法焊接10mm厚不锈钢板的焊缝横截面图

图3(2)：相同条件下，单激光焊接的焊缝横截面图

图3(3)：相同条件下，单电弧焊接的焊缝横截面图

图中：1、工件，2、坡口，3、聚焦镜，4、激光束，5、光致等离子体，6、钨极，7、焊炬喷咀，8、电弧，9、焊丝，10、送丝咀，11、熔池，12、焊缝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本实施例的技术方案参见附图1，焊接前，工件预开坡口2。焊接时，激光束4与焊丝9相对于TIG电弧8对称纵向布置，电弧8垂直于工件1表面。激光束4与工件1表面夹角为45°，并从电弧8前方倾斜入射。焊丝9从电弧8后方送入坡口间隙2中，由激光束4和电弧8组成的复合热源熔化焊丝后填充坡口2，实现工件1单道焊接成型。

本实施例中，工件为10mm厚的不锈钢板，坡口2的形状为带钝边的U型坡口，坡口间隙宽度为1.8d(d为焊丝直径)。采用的激光器为DC035 SlabCO2激光器，TIG电源直流正接。焊接工艺参数为：激光功率3500W，电弧电流200A，焊接速度0.8m/min，焊丝直径为1mm，送丝速度4.5m/min，保护气为25L/min的He气。图2、图3(1)为本发明的焊接效果。焊接接头成型良好，焊缝上部宽度为5.2mm，深宽比约为2，解剖焊缝未见气孔、裂纹等缺陷。图3(2)为同样条件下单激光焊接时的焊缝横截面图(激光功率3500W，焊接速度0.8m/min)，图3(3)为单电弧焊接时的焊缝横截面图(电弧电流200A，焊接速度0.8m/min，送丝速度4.5m/min)，对比图3，可以看出采用填充焊丝的窄间隙激光-TIG电弧复合焊接方法可实现1+1＞2的效果。

Claims (4)

1.一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：焊接前，工件预开坡口(2)；焊接时，激光束(4)与焊丝(9)布置在非熔化极电弧(8)的两侧并且三者在一个平面内，非熔化极电弧(8)与工件(1)表面法线夹角不超过20°；激光束(4)与工件(1)表面夹角为30～75°，从非熔化极电弧(8)前方倾斜入射；焊丝(9)从非熔化极电弧(8)后方送入所述坡口(2)的间隙中，由激光束(4)和非熔化极电弧(8)组成的复合热源熔化焊丝后填充间隙，实现工件单道焊接成型。

2.根据权利要求1所述的一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述工件预开坡口(2)为带钝边的U型坡口，其间隙宽度为(1.5～2)d，其中d为焊丝(9)的直径。

3.根据权利要求1所述的一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述的电弧为TIG电弧或非熔化极等离子弧。

4.根据权利要求1所述的一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述激光束(4)为CO₂激光、YAG激光或光纤激光。

Images