CN102225494B

CN102225494B - 激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法

Info

Publication number: CN102225494B
Application number: CN 201110151307
Authority: CN
Inventors: 黄坚; 胡连海; 李铸国; 华学明; 吴毅雄
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: CN102225494A

Abstract

一种激光焊接加工技术领域的激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，通过在激光束的相对两侧分别设置MSG电弧和填充焊丝，然后在带有接头坡口的待对接板上进行焊接得以实现。本发明能够实现10mm以上中厚板的单道熔透激光焊接，使焊接既具有较低热输入，又具有较高填充能力，允许的窄坡口深度可达9mm，相比单激光焊接和常规激光电弧复合焊接其所需的激光功率可得到降低。

Description

激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法

技术领域

本发明涉及的是一种激光焊接加工技术领域的方法，具体是一种激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法。

背景技术

激光焊接技术因其熔深能力大、焊接速度高、热影响区小、焊接变形小等优点在汽车等工业领域中已有着十分广泛的应用。在能源、船舶、交通等制造领域中存在大量大型构件的焊接，许多构件所用板材为中厚板(10～25mm)和厚板(25mm以上)的焊接。采用常规焊接方法，如钨极氩弧焊、熔化极气保护焊、埋弧焊等，工件需要开较大的坡口，单道熔深小，焊接道数多，热影响区宽，焊接变形大，焊接效率低，因此中厚板和厚板的激光焊接已引起关注。尽管10kW以上的超高功率激光的一次熔深可达十毫米以上，但更厚的板或用较低的激光功率进行激光焊接时仍需要开坡口，使激光束能达到接头内部。因此，焊丝的填充必不可少。中厚板的激光焊接主要采用的是激光填丝焊接技术和激光电弧复合焊接技术。焊丝的加入，尤其是熔化极电弧的加入，使激光焊接对焊接接头中不可避免的间隙具有了一定的搭桥能力，激光焊接的适应性得到显著提高。电弧的加入还可提高材料对激光的吸收率。

早在1978年Steen等人就通过学术论文发表了激光与电弧复合的焊接方法，即焊接时激光与电弧共同作用于同一个熔池。自上世纪80年代起国内外针对激光电弧复合焊接技术开展了较多的研究，并申请了相应专利，如1983年公布的专利JP60106688A、1985年公布的专利US4507540A、1996年的专利WO9609135A1、1997年的专利DE29606375U1、2006年的专利JP2006224130A、以及我国近年已公开的CN101362256A、CN101474726A、CN101549440A、CN101733564A等专利。这些专利技术涉及的或者是激光与无填丝功能电弧复合的或者是激光电弧复合时只有单根焊丝熔化的焊接方法或焊枪装置。

2000年公开的专利WO0024543A1记载了激光与两个惰性气体保护熔化极(Metal InertGas，MIG)电弧复合的焊接方法，即焊接时有两根焊丝熔化并填入接头中，此两个MIG电弧或横向并列于激光束后面，或分列于激光束的前后两侧。2009年公开的专利CN101367157A中提到了激光与双丝电弧的复合使用，此双丝电弧被置于激光束的后侧，双丝电弧实际是两个MIG电弧的串列。

激光与两个MIG电弧的复合或者与双丝电弧的复合虽然可以大大增加坡口填充能力和一次可焊接的板厚，但热输入却也显著增加。激光填丝焊的优点是坡口可以开得较窄，热输入也保持较低，但焊丝熔化效率相对较低且对坡口装配间隙有较高要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，实现10mm以上中厚板的单道熔透激光焊接，使焊接既具有较低热输入，又具有较高填充能力，允许的窄坡口深度可达9mm，相比单激光焊接和常规激光电弧复合焊接其所需的激光功率可得到降低。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过在激光束的相对两侧分别设置MSG电弧和填充焊丝，然后在带有接头坡口的待对接板上进行焊接得以实现。

所述的焊接中熔化极焊丝尖端与激光束的聚焦光斑的间距为2～6mm、填充焊丝的尖端与激光束的聚焦光斑的间距为0～1mm并且MSG电弧与激光束之间的轴线夹角为35°～55°，填充焊丝与激光束的轴线夹角为45°～60°。

所述的激光束、MSG电弧和填充焊丝位于同一个平面内。

所述的焊接采用以氦、氩或其混合，或者是含有CO₂的富氩活性气体作为保护气体；

所述的MSG电弧上设有一独立侧吹气管，其管口对准激光束的光斑处且管内通以纯氦气以实现对激光等离子体的吹除和抑制。

所述的独立侧吹气管为内径2mm～4mm的紫铜管。

所述的激光束为气体激光、固体激光，如半导体激光、YAG激光、光纤激光或盘片激光等。

所述的激光束的功率大于6kW，熔化极电弧电流200安培以上。

所述的填充焊丝为冷丝或为通以电流的热丝。

所述的接头坡口的剖面为Y字形结构，由位于下部的矩形超窄坡口和位于上部的V形坡口组成，其中：下部的超窄矩形坡口宽度为填充焊丝直径的1.3～1.8倍且大于激光束的光斑直径，深度为2～4mm；上部的V形坡口的单边角度为10°～20°，深度为3～5mm。

本发明中激光与MSG电弧的复合使工艺具有较高的坡口熔敷填充能力，第二根填充焊丝的加入则有利于更窄间隙坡口的采用，有利于焊接线能量保持在较低水平；利用本发明提出的一种激光电弧复合双丝焊接方法，结合窄小坡口形式，可实现10mm以上中厚板的单道熔透激光焊接，焊接既具有较低热输入又具有较高填充能力，焊接变形低，焊接质量高。

附图说明

图1为实施例示意图。

图2为图1局部放大示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例在开始焊接前，先对待对接的中厚板1开如图2所示形式的窄小坡口。坡口的钝边高度h0、窄间隙坡口底部宽度b、矩形坡口高度h1和上部V形坡口的高度h2和单边角度α的具体数值依实际被焊接头的板厚和所用激光功率而进行优化。

如图1所示，激光焊接工作头中的前置填充焊丝3、激光束2和MIG焊枪6以一定的夹角(β和γ)和光丝间距D沿焊缝纵向排列，然后以焊接速度(v_w)沿所示方向7相对工件产生移动。在焊接时，激光束首先输出并作用在接头坡口矩形间隙底部，在激光使接头母材熔化形成熔池和小孔等离子体后将后置MIG焊丝5送入进而引燃电弧4，然后将前置填充焊丝3连续送入接头坡口下部的矩形超窄间隙内的激光作用区域。在高功率激光作用下，激光束2在接头坡口钝边部位形成小孔穿透焊；在电弧和激光等离子体形成的复合等离子体热作用下，连续送入的MIG焊丝5和填充焊丝3不断地得到熔化和过渡到坡口内的焊接熔池8中，并且对坡口进行充分的填充。随着激光焊接头的向前移动，熔池后部的熔化金属冷却并凝固成焊缝10。在高功率CO₂激光焊接时，由于光致等离子体较强，可在MIG焊枪上侧添置一独立的通以纯氦的侧吹气管9，确保光致等离子体得到可靠抑制。

对接焊的钢板为厚度12mm的船用低碳结构钢。采用德国Trumpf公司生产的高功率气体激光器TLF15000，MIG焊机采用具有一元化调节功能的FRONIUS焊机，型号为TPS5000。前置焊丝为直径1.0mm的低碳钢焊丝，MIG焊丝为直径1.2mm的低碳钢焊丝，型号均为JM56。坡口的钝边h0保留6mm，下部超窄矩形坡口的宽度b和高度h1分别为1.4mm和3mm，上部V形坡口的高度h2和单边角度α分别为3mm和20°。焊接时采用的激光功率为7kW，光斑直径0.86mm，离焦量为-2mm，焊接速度为1.1m/min，侧吹气管9内的侧吹气体He的流量为20L/min。前置焊丝与激光束的夹角为55度，MIG焊枪与激光束的夹角为45度；前置焊丝的送丝速度为6m/min；MIG焊枪的送丝速度为11m/min，保护气体为75％He+25％Ar，其流量为25L/min，电弧电压为28～30V，焊接电流为260～270A。激光与MIG焊丝的间距为3～4mm。采用上述规范参数，单道对接焊12mm厚的船用低碳结构钢一次熔透成形。

本实施例中由于激光等离子体的存在，MIG电弧能够稳定地燃烧在窄间隙坡口内。而双焊丝的送入使激光复合焊接填充坡口的能力进一步提高，使较深间隙的坡口可以采用，进而中厚板单道焊接时所需的激光功率可以得到降低。双丝中无电弧的填充焊丝的采用可使同样坡口高度下的坡口间隙面积保持较低水平，焊接热输入也较激光双MIG电弧复合焊而言要低。

实施例2：

X65管线钢的对接焊接，其钢板的厚度为15mm。激光采用德国Trumpf公司的高功率气体激光器TLF15000，MIG焊机为奥地利FRONIUS公司生产的TPS5000焊机。前置焊丝为直径1.2mm的JM68钢焊丝，MIG焊丝亦为直径1.2mm的JM68钢焊丝。坡口的钝边h0保留7mm，下部超窄矩形坡口的宽度b和高度h1分别为1.6mm和4mm，上部V形坡口的高度h2和单边角度α分别为4mm和15°。焊接时采用的激光功率为7kW，离焦量为-2mm，焊接速度为0.8m/min，侧吹气管9内的侧吹气体He的流量为20L/min。前置焊丝与激光束的夹角为55度，MIG焊枪与激光束的夹角为45度；前置焊丝的送丝速度为5m/min；MIG焊枪的送丝速度为12m/min，其保护气体为75％He+25％Ar，流量为28L/min，电弧电压为29～31V，焊接电流为280～290A。激光与MIG焊丝的间距为3～4mm。采用上述规范参数，15mm厚的管线钢对接一次熔透成形。

实施例3：

船舶用E级钢板，钢板厚度为20mm。激光采用德国Trumpf公司的高功率气体激光器TLF15000，MIG焊机为奥地利FRONIUS公司生产的TPS5000焊机。前置焊丝为直径1.2mm的JM56钢焊丝，MIG焊丝亦为直径1.2mm的JM56钢焊丝。坡口的钝边h0为12mm，下部超窄矩形坡口的宽度b和高度h1分别为1.6mm和4mm，上部V形坡口的高度h2和单边角度α分别为4mm和15°。焊接时采用的激光功率为12.5kW，离焦量为-2mm，焊接速度为0.85m/min，侧吹气管9内的侧吹气体He的流量为30L/min。前置焊丝与激光束的夹角为55度，MIG焊枪与激光束的夹角为45度；前置焊丝的送丝速度为5.5m/min；MIG焊枪的送丝速度为13m/min，其保护气体为75％He+25％Ar，流量为35L/min，电弧电压为30～32V，焊接电流为290～310A。激光与MIG焊丝的间距为4～5mm。采用上述规范参数，实现单道熔透焊接20mm厚的船用钢对接接头，窄坡口深度达8mm。

Claims

1.一种激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，其特征在于，通过在激光束的相对两侧分别设置MSG电弧和填充焊丝，然后在带有接头坡口的待对接板上进行焊接得以实现；

所述的接头坡口的剖面为Y字形结构，由位于下部的矩形超窄坡口和位于上部的V形坡口组成；

所述的矩形超窄坡口宽度为填充焊丝直径的1.3~1.8倍且大于激光束的光斑直径，深度为2~4 mm；上部的V形坡口的单边角度为10o~20o，深度为3~5 mm；

在焊接时，激光束首先输出并作用在接头坡口矩形间隙底部，在激光使接头母材熔化形成熔池和小孔等离子体后将后置MIG焊丝送入进而引燃电弧，然后将前置填充焊丝连续送入接头坡口下部的矩形超窄间隙内的激光作用区域；在高功率激光作用下，激光束在接头坡口钝边部位形成小孔穿透焊；在电弧和激光等离子体形成的复合等离子体热作用下，连续送入的MIG焊丝和填充焊丝不断地得到熔化和过渡到坡口内的焊接熔池中，并且对坡口进行充分的填充；

随着激光焊接头的向前移动，熔池后部的熔化金属冷却并凝固成焊缝，在MIG焊枪上侧添置一独立的通以纯氦的侧吹气管，确保光致等离子体得到可靠抑制。

2.根据权利要求1所述的激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，其特征是，所述的焊接中熔化极焊丝尖端与激光束的聚焦光斑的间距为2~6mm、填充焊丝的尖端与激光束的聚焦光斑的间距为0~1mm并且MSG电弧与激光束之间的轴线夹角为35°~55°，填充焊丝与激光束的轴线夹角为45°~ 60°。

3.根据权利要求1或2所述的激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，其特征是，所述的激光束、MSG电弧和填充焊丝位于同一个平面内。

4.根据权利要求1所述的激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，其特征是，所述的焊接采用以氦、氩或其混合，或者是含有CO₂的富氩活性气体作为保护气体。

5.根据权利要求1或2所述的激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，其特征是，所述的MSG电弧上设有一独立侧吹气管，其管口对准激光束的光斑处且管内通以纯氦气以实现对激光等离子体的吹除和抑制。

6.根据权利要求5所述的激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，其特征是，所述的独立侧吹气管为内径2 mm ~ 4 mm的紫铜管。

7.根据权利要求1或2所述的激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，其特征是，所述的激光束为气体激光或固体激光。

8.根据权利要求1或2所述的激光电弧复合双丝窄坡口焊接方法，其特征是，所述的填充焊丝为冷丝或为通以电流的热丝。