CN102126088A

CN102126088A - 厚板t型接头双面激光电弧复合焊接方法

Info

Publication number: CN102126088A
Application number: CN 201110006606
Authority: CN
Inventors: 陈彦宾; 冯杰才; 李俐群; 雷正龙
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2031-01-13
Also published as: CN102126088B

Abstract

厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，属于激光电弧复合焊接领域。它解决了厚板T型接头的焊接方法中存在的焊接效率低的问题。它将两把焊枪和两束激光束镜像设置于厚板T型接头的立板两侧，进行同步激光电弧复合焊接，所述激光电弧复合焊接的过程中：将焊枪靠近厚板T型接头的待焊接部位进行电弧焊接，使激光束的光轴和所述焊枪的中轴线位于同一平面内，并且均与厚板T型接头的面板形成10°～50°的夹角α，该激光束的光轴和该焊枪的中轴线之间形成25°～45°的夹角β，并且该激光束在待焊接部位上的入射点和该焊枪的焊丝末端之间的间距D为2mm～6mm。本发明作为一种激光电弧复合焊接方法。

Description

厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法

技术领域

本发明涉及一种厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，属于激光电弧复合焊接领域。

背景技术

随着船舶、航天航空和车辆等工业向大吨位和大运载能力方向的发展，对厚板结构的焊接技术，特别是厚板T型接头的焊接变形控制、焊接接头性能及焊接效率的要求越来越高。

对于厚板T型接头的焊接，目前一般采用如下方式实施：1、手工电弧焊：它采用CO₂气体保护焊和埋弧焊从接头两侧顺序施焊，这种方法存在的缺陷是：焊缝坡口较大，焊缝的熔覆金属多，焊接工作量大，并且焊接时，需要焊前预热、碳弧气刨清根、刨槽、打磨及焊后热处理、焊后矫正等，工序多，造成工人劳动强度大，并且焊接变形和应力大，焊接效率低，焊接质量受到影响；2、双面双弧焊接方法：如中国专利《双面双弧焊焊接方法》，公开号为CN1603045，公开日为2005.04.06，公开的焊接方法相对于手工电弧焊简化了焊接工序，但对存在的焊缝坡口较大、焊缝的熔覆金属多的问题并未得到解决，同时它还存在电弧熔深较小、焊接速度慢及厚板焊接时需要多层多道焊的问题，依然存在焊接工作量大、应力变形不易控制及焊接效率低的问题。

上述两种电弧焊接方法在厚板T型接头的焊接中，由于存在的上述缺陷使其难以满足现代工业对焊接质量及焊接效率的要求。激光焊接由于具有高能量密度、低热输入量、高焊接速度、大深宽比、焊缝热影响区窄及焊接变形小等优点，而越来越多的应用于厚板T型接头的焊接。

现有针对T型接头的激光焊接方法为：1、采用单激光束从T型接头的面板处进行穿透焊接或者利用单激光束与两个电弧分别从面板与接头两侧同步焊接，如中国专利《T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法》，公开号为CN101306492，公开日为2008.11.19，它公开的焊接方法对于薄板T型接头可行，采用这种方法进行厚板T型接头的焊接时，无法形成穿透焊接；2、采用单激光束或双激光束填丝或填粉焊接技术，从T型接头两侧顺序施焊，这种方法焊接效率低，对送丝或送粉的指向性和焊接工艺要求严格，焊接过程不稳定；而且焊接热源不对称，应力变形不易控制；3、采用双光束激光分别从T型接头两侧同步焊接，如中国专利《T型接头双光束激光同步焊接方法及装置》，公开号为CN1586787，公开日为2005.03.02，所公开的内容；或者激光-电弧两侧同步焊接，如中国专利《用于T型接头激光-电弧两侧同步焊接装置》，公开号为CN201380364，公开日为2010.01.13，所公开的焊接装置，它虽然解决了焊接热源不对称问题，但是送粉工艺要求严格，激光形成的熔池较小，熔覆金属量较少。总之，现有的激光焊接方法在薄板T型接头焊接方面具有独特的优势，但在厚板焊接方面都不同程度地存在无法形成穿透焊接，送丝或送粉工艺要求极为严格，焊接效率低等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决厚板T型接头的焊接方法中存在的焊接效率低的问题，提供一种厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法。

本发明方法将两把焊枪和两束激光束镜像设置于厚板T型接头的立板两侧，进行同步激光电弧复合焊接，所述激光电弧复合焊接的过程中：

将焊枪靠近厚板T型接头的待焊接部位进行电弧焊接，使激光束的光轴和所述焊枪的中轴线位于同一平面内，并且均与厚板T型接头的面板形成10°～50°的夹角α，该激光束的光轴和该焊枪的中轴线之间形成25°～45°的夹角β，并且该激光束在待焊接部位上的入射点和该焊枪的焊丝末端之间的间距D为2mm～6mm。

本发明的优点是：本发明针对船舶、航天航空和车辆等工业中广泛应用的厚板T型接头，采用双面激光-电弧复合焊接技术，解决了目前厚板T型接头的焊接方法中存在的焊接工序多、焊接工作量大、应力变形不易控制、焊接质量差及焊接效率低的问题。

本发明方法在厚板T型接头的立板两侧的复合热源共同作用于一个熔池，使熔池流动更加充分，减少了焊接缺陷，焊缝成分均匀，增加了熔合面积，提高了焊接接头的性能。在厚板T型接头的立板两侧对称施焊，焊缝同时冷却收缩，有利于应力和变形的控制，提高了焊接质量。本发明方法减少了碳弧气刨清根，刨槽，打磨等工序，缩短了工作周期，提高了焊接效率。传统电弧焊接的速度一般为0.12m/min～0.25m/min，本发明方法复合焊接的速度一般在1.0m/min～2.0cm/min之间，焊接速度提高了4倍以上，在较低的线能量情况下一次焊接的熔深可达15mm左右，极大的提高了焊接效率。

附图说明

图1为本发明的焊接方法中，待焊接厚板T型接头与焊枪以及激光束之间的位置关系示意图，图中标记4所示为焊缝；

图2为厚板T型接头的K型坡口的结构示意图；

图3为实施方式六中所述进行打底焊后的厚板T型接头的焊缝形貌示意图；

图4为实施方式六中所述进行打底焊和填充焊后的厚板T型接头的焊缝形貌示意图；

图5为采用传统电弧多层多道焊接方法焊接后的厚板T型接头的焊缝形貌示意图；

图6为采用单激光束焊接后的厚板T型接头的焊缝形貌示意图；

图7为采用激光-双TIG电弧双面复合焊接方法焊接后的厚板T型接头的焊缝形貌示意图；

图8为采用单激光束顺序施焊方法焊接后的厚板T型接头的焊缝形貌示意图；

图9为采用激光-电弧两侧同步焊接方法焊接后的厚板T型接头的焊缝形貌示意图；

图10为采用本发明焊接方法焊接后的厚板T型接头的焊缝形貌示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式将两把焊枪2和两束激光束1镜像设置于厚板T型接头的立板32两侧，进行同步激光电弧复合焊接，所述激光电弧复合焊接的过程中：

将焊枪2靠近厚板T型接头的待焊接部位进行电弧焊接，使激光束1的光轴和所述焊枪2的中轴线位于同一平面内，并且均与厚板T型接头的面板31形成10°～50°的夹角α，该激光束1的光轴和该焊枪2的中轴线之间形成25°～45°的夹角β，并且该激光束1在待焊接部位上的入射点和该焊枪2的焊丝末端之间的间距D为2mm～6mm。

所述激光束1垂直于厚板T型接头的面板31横向面法向，实施焊接，所述焊接沿厚板T型接头的面板31横向面法向进行。

本实施方式所述的焊接方法涉及到两束激光和两把焊枪2，其中一束激光和一把焊枪2在厚板T型接头的一侧实现激光-电弧复合焊接，同时，在厚板T型接头的另一侧由另一束激光和另一把焊枪2同步实现激光-电弧复合焊接，由此，实现了在厚板T型接头的两侧同步焊接。将厚板T型接头的T型上面板作为面板31，将厚板T型接头的另一面板作为立板32。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述夹角α为45°；所述夹角β为30°，所述间距D为3mm～4mm。其它与实施方式一相同。

在焊接技术中，一般将厚度小于4mm的板材称为薄板，厚度在4mm～12mm之间的板材称为中厚板，厚度大于12mm的板材称为厚板。本实施方式特别适合于立板32和面板31厚度均在12mm～15mm之间的T型接头的焊接，满足此厚度要求的厚板T型接头在焊接进行前，立板32上不必开坡口。将面板31上与立板32相接的表面作为xy平面，立板32上与面板31垂直的方向作为z轴方向，则激光束1的中轴线和焊枪2的中轴线与xy平面呈45°夹角。所述激光束1垂直于厚板T型接头的面板31横向面法向，即为激光束1垂直于x轴。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，在所述激光电弧复合焊接进行之前，对厚板T型接头的待焊接部位进行坡口加工。其它与实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三的进一步说明，所述坡口加工为在厚板T型接头的立板32两侧加工K型坡口，K型坡口的钝边d为12mm～15mm，K型坡口的角度θ为10°～30°。其它与实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式四的进一步说明，所述焊接方法重复进行n次，n为自然数。其它与实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三、四或五的进一步说明，所述夹角α为20°；所述夹角β为30°，所述间距D为3mm～4mm。其它与实施方式三、四或五相同。

本实施方式特别适合立板32和面板31厚度均大于15mm的T型接头的焊接，根据厚板T型接头的厚度特点，需要先在厚板T型接头的立板32两侧加工K型坡口，采用实施方式四所述的焊接方法进行打底焊，根据需要，重复实施所述的步骤一及步骤二，进行一次或者多次填充焊接，使厚板T型接头达到最佳的焊接效果。在焊接进行前，可将厚板T型接头固定在夹具上待焊。

图5所示，厚板T型接头的缝坡口为K型坡口，不留钝边，坡口角度θ为50°，可以看出，焊缝的熔覆金属多，需要采用多层多道焊接，焊接工作量大，焊接工序多，应力变形不易控制，焊接效率低；图6所示，它是采用单激光束从厚板T型接头的面板31进行穿透焊接，由于板材较厚，无法形成穿透焊接；图7所示，采用单激光束与两个电弧分别从面板与接头两侧同步焊接，由于板材较厚，也无法形成穿透焊接；图8所示，采用单激光束或双光束填丝或填粉焊接技术从接头两侧顺序施焊，激光顺序施焊，由图示可以看出，这种方法很难保持焊接接头两侧焊缝对称，使应力变形不易控制；同时很难保证两熔池熔合在一起，易产生气孔和未焊透现象，影响焊接接头质量；图9所示，采用激光-电弧两侧同步焊接，由于激光和电弧热输入不同，焊接接头两侧焊缝不对称，导致焊接应力变形的控制难度增大。图10为采用本发明方法，从厚板T型接头的立板32两侧进行双面激光-电弧复合同步施焊的焊缝成形图，在所述的双面激光-电弧复合焊接过程中，激光和电弧形成复合热源，激光对电弧的引导作用和电弧对工件的预热作用使焊接过程更加稳定，极大的提高了能量利用率。本发明方法与传统电弧焊相比，焊缝坡口的尺寸减小，焊缝坡口角度可由原来的50°减小到30°，传统电弧焊接焊缝坡口无钝边，而本发明方法焊缝坡口钝边为12mm～15mm，减少了焊缝金属熔覆量，节省焊材，从而降低了成本。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述两束激光束1为由一台激光器采用分光技术分成两束激光，并用光纤传输形成；或者由两台激光器分别发射一束激光束1；所述激光束1为YAG固体激光器、半导体激光器或者光纤激光器；所述电弧为熔化极惰性气体保护焊电弧(MIG)或者熔化极活性气体保护焊电弧(MAG)。其它与实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述激光器的功率为3kW～20kW；所述焊枪2产生电弧的电流为100A～400A。其它与实施方式一、二、三、四、五或六相同。

本实施方式中所述激光器的功率和焊枪2产生电弧的电流根据厚板T型接头的厚度不同进行选择。

具体实施方式九：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述焊枪2的保护气体的气体流量在15L/min～30L/min之间；所述焊接方法中激光焊接的保护气体流量在15L/min～30L/min之间。其它与实施方式一、二、三、四、五或六相同。

本实施方式所述参数的选取需根据厚板T型接头的厚度不同进行选择。

具体实施方式十：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述焊接方法中采用的焊丝直径在1.0mm～1.6mm之间；焊丝的干伸长度在15mm～25mm之间。其它与实施方式一、二、三、四、五或六相同。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims

1.一种厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：它将两把焊枪(2)和两束激光束(1)镜像设置于厚板T型接头的立板(32)两侧，进行同步激光电弧复合焊接，所述激光电弧复合焊接的过程中：

将焊枪(2)靠近厚板T型接头的待焊接部位进行电弧焊接，使激光束(1)的光轴和所述焊枪(2)的中轴线位于同一平面内，并且均与厚板T型接头的面板(31)形成10°～50°的夹角α，该激光束(1)的光轴和该焊枪(2)的中轴线之间形成25°～45°的夹角β，并且该激光束(1)在待焊接部位上的入射点和该焊枪(2)的焊丝末端之间的间距D为2mm～6mm。

2.根据权利要求1所述的厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述夹角α为45°；所述夹角β为30°，所述间距D为3mm～4mm。

3.根据权利要求1所述的厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：在所述激光电弧复合焊接进行之前，对厚板T型接头的待焊接部位进行坡口加工。

4.根据权利要求3所述的厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述坡口加工为在厚板T型接头的立板(32)两侧加工K型坡口，K型坡口的钝边d为12mm～15mm，K型坡口的角度θ为10°～30°。

5.根据权利要求4所述的厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述焊接方法重复进行n次，n为自然数。

6.根据权利要求5所述的厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述夹角α为20°；所述夹角β为30°，所述间距D为3mm～4mm。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述两束激光束(1)为由一台激光器采用分光技术分成两束激光，并用光纤传输形成；或者由两台激光器分别发射一束激光束(1)；所述激光束(1)为YAG固体激光器、半导体激光器或者光纤激光器；所述电弧为熔化极惰性气体保护焊电弧或者熔化极活性气体保护焊电弧。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述激光器的功率为3kW～20kW；所述焊枪(2)产生电弧的电流为100A～400A。

9.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述焊枪(2)的保护气体的气体流量在15L/min～30L/min之间；所述焊接方法中激光焊接的保护气体流量在15L/min～30L/min之间。

10.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述焊接方法中采用的焊丝直径在1.0mm～1.6mm之间；焊丝的干伸长度在15mm～25mm之间。