CN102310289B - 混合激光弧焊接工艺和设备 - Google Patents

混合激光弧焊接工艺和设备 Download PDF

Info

Publication number
CN102310289B
CN102310289B CN201110189923.2A CN201110189923A CN102310289B CN 102310289 B CN102310289 B CN 102310289B CN 201110189923 A CN201110189923 A CN 201110189923A CN 102310289 B CN102310289 B CN 102310289B
Authority
CN
China
Prior art keywords
joint area
laser beam
welding
laser
weldment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201110189923.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102310289A (zh
Inventor
D·A·诺沃克
P·S·迪马斯焦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to US12/826800 priority Critical
Priority to US12/826,800 priority patent/US8253060B2/en
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN102310289A publication Critical patent/CN102310289A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102310289B publication Critical patent/CN102310289B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/16Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/173Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a consumable electrode
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
    • B23K26/0676Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing into dependently operating sub-beams, e.g. an array of spots with fixed spatial relationship or for performing simultaneously identical operations
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20Bonding
    • B23K26/21Bonding by welding
    • B23K26/24Seam welding
    • B23K26/26Seam welding of rectilinear seams
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/346Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding
    • B23K26/348Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding in combination with arc heating, e.g. TIG [tungsten inert gas], MIG [metal inert gas] or plasma welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K28/00Welding or cutting not covered by any of the preceding groups, e.g. electrolytic welding
    • B23K28/02Combined welding or cutting procedures or apparatus
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/006Vehicles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00Manufacture
    • F05B2230/20Manufacture essentially without removing material
    • F05B2230/23Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05B2230/232Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05B2230/234Laser welding
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00Components
    • F05B2240/10Stators

Abstract

本发明提供混合激光弧焊接工艺和设备。用于通过在接头区域(22)上执行激光束焊接工艺并且然后在该接头区域(22)上执行混合激光弧焊接工艺将工件(12、14)焊接在一起的焊接方法和设备(10),该接头区域(22)包括由该工件(12、14)的搭接面(16)限定并且在其之间的焊缝。该激光束焊接工艺需要使第一激光束(32)沿该接头区域(22)移动、穿透该焊缝并且形成焊件(40)。该混合激光弧焊接工艺通过同时使电弧(36)和第二激光束(34)重叠并且沿该接头区域(22)移动并且在该焊件(40)中形成焊接池来使该焊件(40)再熔化。在冷却时,焊接接头(30)在该接头区域(22)和它的焊缝内形成。

Description

混合激光弧焊接工艺和设备
技术领域
[0001] 本发明大体上涉及焊接方法。更特别地,本发明针对焊接工艺,其利用其中激光束 焊接和弧焊接在相同的焊接池中同时发生的混合激光弧焊接技术,并且进一步利用在该混 合激光弧焊接技术之前的第二激光束焊接技术以增加焊接深度和/或促进所得的焊接接 头中的孔隙和气囊的消除。
背景技术
[0002] 低热输入焊接工艺和特别地在狭窄焊接条件范围上操作的例如激光束和电子束 焊接(分别LBW和EBW)等高能束焊接工艺已经成功用于在包括但不限于涡轮机中使用的 合金的很多种材料中生产无裂缝焊接接头。高能束焊接工艺的优势是聚焦激光或电子束的 高能量密度能够生产最小焊接金属体积的深且窄的焊接,实现结构对接焊接的形成,其增 加极少另外重量并且与例如弧焊接工艺等其他焊接技术相比引起较少部件畸变。特别与激 光束焊接关联的另外优势包括能够在没有真空腔或辐射屏蔽的情况下进行,该真空腔或辐 射屏蔽是电子束焊接通常需要的。因此,激光束焊接可以是与电子束焊接比较的更低成本 和更多产的焊接工艺。
[0003] 尽管填充物材料已经用于某些应用和焊接条件,激光束和电子束焊接工艺典型地 自熔接地进行(没有添加另外的填充物金属)。高能束聚焦在要焊接的表面上,例如要焊接 的两个部件之间的界面(焊缝)上。在焊接期间,表面被充分加热以将金属的一部分汽化, 形成随后由环绕空腔的熔化材料填充的空腔("锁孔")。在激光束焊接中相对新近的突破 性进展是高功率固态激光器的发展,其如本文限定的那样包括大于四千瓦并且尤其十千瓦 或更大的功率水平。特别的示例是使用采用圆盘形式(Yb:YAG圆盘激光器)的或作为纤维 中的内部涂层(Yb纤维激光器)的氧化镱(Yb 2O3)的固态激光器。这些激光器已知能够大 大增加效率和功率水平,例如从近似四千瓦到高于二十千瓦。
[0004] 混合激光弧焊接(HLAW)(也称为激光混合焊接)是结合激光束和弧焊接技术的工 艺,使得两个焊接工艺在相同的焊接池中同时发生。激光束典型地取向为垂直于要焊接的 表面,而弧焊接工艺(例如,气体金属弧焊接(GMAW,也称为金属惰性气体(MIG)焊接)或 气体钨弧焊接(GTAW,也称为钨惰性气体(TIG)焊接))的电弧和填充物金属典型地安置在 激光束在焊接接头表面上的焦点后面并且朝该焦点向前倾斜放置。弧焊接工艺的该位置称 为"正手"技术。HLAW工艺的益处是能够增加焊接穿透的深度和/或通过增加焊接工艺移 动速度而增加生产率,例如比常规弧焊接工艺的四倍那么快。
[0005] 即使激光束焊接已知具有上文提到的各种益处,深穿透性激光束焊接技术已知倾 向为俘获的孔隙。该倾向可以归因于与典型的熔化弧工艺相比与激光束焊接关联的低热输 入。结果,由激光束焊接产生的焊接池趋于非常快地凝固,俘获在焊接工艺期间产生的气 体-金属反应产物。尽管HLAW工艺中包括弧工艺帮助减少浅焊接(例如小于一半英寸(大 约一厘米)的焊接深度)中的孔隙,当尝试达到更大的焊接深度时,产生于俘获的气泡的孔 隙是个问题。
[0006] 从达到受到循环操作的部件的更长寿命的观点来看,减少或消除深激光焊接中的 孔隙将是特别有利的。一个商业示例是风力涡轮机塔的制造。因为在由激光束焊接产生的 深焊件中发现的大量细小尺寸的内部孔隙的倾向,当前利用激光束焊接技术的焊接工艺的 使用遇到挫折。孔隙的存在可以显著减小焊接接头的疲劳寿命,并且因此降低包含该焊接 接头的结构的疲劳寿命。因此,例如埋弧焊接(SAW)工艺等其他焊接技术更典型地在受到 循环操作的结构、例如风力涡轮机塔等的制造中采用。然而,当用于焊接在风力涡轮机塔的 建造中需要的大且厚的部分时,SAW工艺的显著缺陷是低生产率,例如由于必须以例如大约 二十至四十英寸(大约50至100cm)每分钟的相对低的速度进行多道所造成的。尽管刚好 在焊接之前将部件预加热可能获得较低的冷却速度以允许气泡逸出焊接池,实际上部件可 需要加热到差不多它的熔化温度的四分之三,其是昂贵的并且可以对部件的基材性质具有 有害影响。在激光束焊接后接着有第二激光束焊接处理以释放气泡也已经证明是无效的, 因为由该第二处理产生的焊接池也趋于过快凝固而不允许气泡浮出焊接池。
发明内容
[0007] 本发明提供利用与激光束焊接工艺结合的混合激光弧焊接工艺的焊接方法和设 备,该激光束焊接工艺在该混合激光弧焊接工艺之前以增加焊接深度和/或促进最终的焊 接接头中的孔隙和气囊的消除。该方法特别好地适合于焊接相对厚的部分,例如大于一厘 米,其否则使用常规混合激光弧焊接技术在不导致过度焊件孔隙水平的情况下难以焊接。
[0008] 根据本发明的一个方面,焊接方法牵涉将工件放在一起使得其的搭接面面对彼此 并且限定接头区域,该接头区域包括由该搭接面限定并且在其之间的表面间部分。该工件 然后通过沿该接头区域进行多级焊接工艺焊接在一起。该多级焊接工艺包括在该接头区域 上执行激光束焊接工艺并且然后在该接头区域上执行混合激光弧焊接工艺。该激光束焊接 工艺包括将第一激光束投射到该接头区域上并且使该第一激光束在该接头区域上的投影 沿该接头区域移动,穿透该接头区域的该表面间部分,并且在该接头区域中形成初步焊件。 该混合激光弧焊接工艺沿接头区域执行并且使该初步焊件再熔化。该混合激光弧焊接工艺 包括当用该电弧使填充物材料熔化时,同时使电弧和第二激光束沿该接头区域移动,其中 该电弧和该第二激光束在该接头区域上的投影重叠以在该初步焊件中同时形成焊接池。工 件然后冷却以产生焊接组件,其包括在该接头区域内并且通过其表面间部分的焊接接头。
[0009] 根据本发明的另一个方面,焊接设备包括用于通过沿接头区域进行多级焊接工艺 将工件焊接在一起的工具。该焊接工具包括用于在该接头区域上执行激光束焊接工艺的工 具和用于在该接头区域上执行混合激光弧焊接工艺的工具。该激光束焊接工艺工具适合于 将第一激光束投射到该接头区域上并且使该第一激光束在该接头区域上的投影沿该接头 区域移动,穿透由搭接面限定并且在其之间的该接头区域的表面间部分,并且在该接头区 域中形成初步焊件。该混合激光弧焊接工艺工具适合于沿接头区域执行该混合激光弧焊接 工艺并且通过当用电弧使填充物材料熔化时以及当使该电弧和该第二激光束在该接头区 域上的投影重叠以在该初步焊件中同时形成焊接池时,同时使该电弧和第二激光束沿该接 头区域移动从而使该初步焊件再熔化以形成焊接接头。
[0010] 根据本发明的优选方面,在进行混合激光弧焊接工艺之前用第一激光束对焊接接 头区域预处理实现相对深的焊接接头的形成,例如一厘米以及更多,该相对深的焊接接头 包含很少或没有孔隙,孔隙可归因于焊接工艺期间气泡的俘获。采用这样做,激光束焊接的 优势对多种产品变得可用,包括但不限于发电、航空航天、基础设施、医学和工业应用,其的 示例是风力涡轮机塔的建造。
[0011] 本发明的其他方面和优势将从下列详细说明更好地意识到。
附图说明
[0012] 图1是毗连在一起并且经受根据本发明的实施例的多级焊接工艺的两个工件的 不意表不。
具体实施方式
[0013] 图1表示用于执行多级焊接工艺的焊接设备10,该工艺利用可以是一般常规的混 合激光弧焊接工艺的工艺但通过在混合激光弧焊接工艺之前包括投射到计划的焊接接头 上的第二激光束而修改的工艺。该多级焊接工艺优选地产生相对深穿透的焊件,其能够没 有孔隙产生于气泡(其在激光束焊接期间发展而来)。该焊接工艺特别好地适合于制造要 求在相对厚的部分焊接的部件,例如一厘米或更大,如用于制造在包括风力涡轮机塔的建 造的发电应用中使用的各种部件的情况,以及计划用于包括航空航天、基础设施、医学和工 业应用等很多种其他应用的部件的情况。
[0014] 图1表示经历本发明的多级焊接工艺的一对工件12和14。该工件12和14可是 铸件、锻造的或粉末冶金形式,并且可用多种材料形成,该材料非限制性示例包括镍基、铁 基合金、钴基、铜基、铝基和钛基合金。工件12和14具有要由焊接接头30冶金连接的搭接 面16。该搭接面16与工件12和14的相对设置的第一和第二表面18和20 (在其之间限定 每个工件12和14的全厚度)邻接。
[0015] 在图1中,工件12和14示出放置在一起使得它们的搭接面16面对彼此。接头区 域22识别为由搭接面16以及由每个工件表面18的紧密邻近表面部分24限定。这些表面 部分24由于工件12和14已经配合的方式而并置。图1示出该表面部分24限定在采用 大小可以容纳在混合激光弧焊接工艺期间沉积的填充物金属的凹槽26的形式的焊接坡口 (prep)内,如下文论述的。该焊接坡口凹槽26表示为具有U形横截面,但其他横截面形状 也在本发明的范围内。此外,可预见到可以消除该焊接坡口凹槽26。图1进一步示出放置 在工件12和14的搭接面16之间的填片28。该填片28可以用来提供焊接接头30的填充 金属,和/或提供如在美国专利申请序列号12/415, 305中描述的另外的益处,即稳定焊接 锁孔以减小在高功率激光束焊接期间的飞溅和不连续性。为了该目的,该填片28示为比搭 接面16大,使得该填片28的上边缘从工件12和14之间伸出。填片28的适合和优选的组 成将取决于工件12和14的组成。
[0016] 根据本发明的特别方面,接头区域22( -般垂直于表面部分24)的全厚度可以是 一厘米(大约0.5英寸)或更大。尽管这样的厚度之前已经证明是阻碍了对于使用高功率 激光束和常规的混合激光弧焊接工艺的使用(由于前者的气体俘获倾向和后者无力避免 在深焊接接头中的气体俘获造成的),本发明通过混合激光弧焊接和激光束焊接的结合克 服现有技术的问题,其使由激光束焊接工艺俘获的气体能够在紧跟激光束焊接工艺之后的 混合激光弧焊接工艺期间释放。
[0017] 在图1中,用于执行激光束焊接工艺的工具表示为第一激光束32,其示为投射到 接头区域22和填片28上以限定在接头区域22的表面部分24上的投影38。使该投影38 在方向"D"上沿接头区域22移动。图1表示第一激光束32为基本穿透整个焊缝,其一般 由搭接面16之间的接头区域22的表面间区域限定。如此,第一激光束32优选地基本穿透 工件12和14与它们的接头区域22的整个全厚度。
[0018] 图1表示用于执行混合激光弧焊接工艺的工具为包括第二激光束34和电弧36。 该第二激光束34示为投射到由第一激光束32形成的焊件40上并且限定在该焊件40的表 面上的投影42,但不穿透接头区域22的全厚度。该电弧36也移动到该焊件40,限定在该 焊件40的表面上的焊接区46。如在图1中示意表示的,弧36的投射焊接区46和第二激光 束34的投影42互相重叠。更特别地,弧36的焊接区46优选地大于并且完全环绕束34的 投影42。图1进一步表示弧36为从电极发出,电极表示为从例如卷盘等送丝装置44馈送 进入弧36的填充物金属丝48。使弧36的焊接区46和第二激光束34的投影42两者在方 向"D"上沿接头区域22优选一致地同时移动。
[0019] 鉴于上文,可以意识到用电弧36进行的弧焊接工艺一般与气体屏蔽熔化弧工艺 一致,该气体屏蔽熔化弧工艺包括但不限于气体金属弧焊接(GMAW,也称为金属惰性气体 (MIG)焊接)、气体钨弧焊接(GTAW,也称为钨惰性气体(TIG)焊接)、药芯焊丝弧焊(FCAW) 和气体钨弧焊接-热丝(GTAW-HW)。各种材料可以用于填充物金属丝48,其中优选材料取决 于工件12和14的组成和计划的应用。例如,韧性填充物可是优选的以减小在焊接接头30 中开裂的趋势,或可使用其化学性紧密匹配工件12和14的基体金属以更接近地维持基体 金属的期望性质的填充物。丝48可以具有任何适合的直径,其的典型示例在从大约0. 030 至大约0. 062英寸(大约0. 76至大约I. 6mm)的范围中。丝48可是固体、用金属粉末装芯 或用金属和适当的焊剂两者装芯以提供用于清洁所得的焊接池的焊剂/熔渣反应。
[0020] 焊件40和最终的焊接接头30的穿透深度可以通过使用至少一个高功率激光器50 作为一个或两个激光束32和34的源来提升。认为优选的高功率激光器包括固态激光器,其 使用采用圆盘形式(Yb:YAG圆盘激光器)的或作为纤维中的内部涂层(Yb纤维激光器)的 氧化镱(Yb 2O3)。该高功率激光焊接工艺的典型参数包括大于四千瓦,例如十千瓦或更大的 功率水平,和大约0. 5至大约1毫米的激光束直径(例如,在投影38和42处)。例如脉冲 或连续操作模式和移动速度等其他适合的操作参数可以在没有过度的试验的情况下确定。 激光器50的控制可以用任何适合的机器人机械实现。激光束焊接工艺可以在例如惰性屏 蔽气体、活性屏蔽气体或其的组合以形成混合屏蔽气体的任何适合的气氛中进行。与本领 域内已知的激光束焊接工艺和设备一致,该激光束焊接工艺不需要在真空或惰性气氛中进 行。
[0021] 在优选实施例中,单个高功率激光器50用于产生初级激光束52,其然后由棱镜54 分裂以形成第一和第二激光束32和34,沿接头区域22对准和分隔开束32和34,并且使束 32和34取向为彼此平行并且垂直于工件12和14的表面18并且局部垂直于紧密邻近接头 区域22的表面部分24。如上文描述的,第二激光束34与弧焊接工艺配成对以产生可以是 标准混合激光弧焊接工艺的工艺,而第一激光束32在第二激光束34之前并且直接在接头 区域22上投射以生产焊件40。第一激光束32优选地深穿透并且紧挨在混合激光弧焊接 工艺前面将材料预热。因为该原因,激光束32和34的投影38和42应该相对紧密地分隔 开,例如相隔小于一英寸(大约2. 5cm),例如沿接头区域22分开大约四分之一至大约四分 之三英寸(大约0.5至大约2厘米)的距离(在图1中的"d")。在一些情况下,对于第一 激光束32处于比第二激光束34更高的功率水平,和/或更强地被聚焦以具有比第二激光 束34更小的直径可是优选的。
[0022] 第一激光束32在接头区域22的表面部分24上并且在搭接面16之间的焊缝内形 成熔化焊接池,其与激光焊接技术一致地相对快速地冷却并且因此具有俘获由在焊接期间 演变的气体-金属反应产生的气体的趋势。该俘获的气泡导致焊件40内孔隙的存在。尽 管现有技术激光束焊接方法的严重限制,孔隙和它的俘获的气体可以在很大程度上(如果 不是完全地)由混合激光弧焊接工艺消除,混合激光弧焊接工艺将在焊接坡口凹槽26内的 焊件40的至少部分再熔化。有利地,由混合激光弧焊接工艺的第二激光束34和电弧36形 成的熔化焊接池比由第一激光束32形成的熔化焊接池更缓慢地固化,其允许气泡浮出混 合激光弧焊接工艺的熔化焊接池以减少并且可能消除最终的焊接接头30中的孔隙。
[0023] 鉴于上文,本发明的多级焊接工艺的优选实施例能够至少部分消除会另外地产生 于由第一激光束32进行的激光束焊接工艺的孔隙,同时使第一激光束32能够提供若干显 著的益处。首先,激光束32优选地用于深深地穿透进入接头区域22的焊缝,其在没有堆焊 存在的情况下使激光束32能够最大化焊件40的深度使得它可完全延伸通过焊缝。激光束 32还能够向接着的混合激光弧焊接工艺提供非常高的预热温度,提升后面的工艺的穿透。 另外,混合激光弧焊接工艺的较大穿透导致较慢的冷却速率,其具有减小焊接接头30中的 残余应力的能力。
[0024] 因为产生于第一激光束32并且由混合激光弧焊接工艺遇到的残余热取决于激光 束32和34之间的间隔(距离"d")以及束32和34沿接头区域22的移动速率,鉴于用两 个单独的激光束发生器紧密放置两个平行束32和34的难度,优选将初级激光束52分裂以 形成两个单独的激光束32和34。尽管第一激光束32可以朝第二激光束34向后倾斜以减 小它们的分开距离,这样做可干扰混合激光弧焊接工艺从由激光束焊接工艺和它的第一激 光束32产生的焊件40消除孔隙的期望能力。
[0025] 在使用中,操作在图1中表示的焊接设备10以通过将第一激光束32投射到接头 区域22上将填片28熔化,穿透在工件12和14的搭接面16之间的焊缝,并且形成熔池(其 固化以形成其中可存在孔隙的焊件40)而将工件12和14焊接。随后,焊件40由混合激光 弧焊接工艺的第二激光束34和电弧36再熔化,形成包含来自焊件40的熔化基体金属以及 来自填充物金属丝48的熔化填充物金属的第二熔化焊接池。在该焊接池固化以形成焊接 接头30之前,起初俘获在焊件40内的气泡优选地通过焊接池向上浮动并且释放。在冷却 时,工件12和14由焊接接头30冶金连接,焊接接头30优选地完全延伸通过所得的焊接组 件的全厚度。尽管在图1中描绘的焊接接头30是方形凹槽对接接头,应该理解其他接头类 型是可预见的,包括角接接头、搭接接头、端接接头和T型接头。
[0026] 减少或消除深焊接接头30中的孔隙提升焊接金属性质,其能够实现对于受到由 于循环操作条件而造成的疲劳的部件的更长寿命。如之前提到的,商业示例是在发电中使 用的风力涡轮机塔的制造。当前,某些风力涡轮机塔用通过埋弧焊接(SAW)形成的焊接接 头制造,需要以大约二十至四十英寸每分钟(大约50至IOOcm/分钟)的速度的六至十二 个焊接道。利用本发明,认为可以在以大约100至200英寸每分钟(大约2500至5000cm/ 分钟)的速度的单道中生产等同和潜在较优的焊接接头。在本发明之前,因为当对具有大 于大约半英寸(大约一厘米)的厚度的激光束焊接段尝试激光束焊接时形成的大量细小内 部孔隙,这样的结构的激光束焊接遇到挫折。
[0027] 尽管本发明已经从优选实施例方面描述,其他形式可以由本领域内技术人员采用 是明显的。因此,本发明的范围将仅由下列权利要求限制。
[0028] 部件列表
[0029]
Figure CN102310289BD00091

Claims (10)

1. 一种通过冶金连接工件(12、14)的搭接面(16)将至少两个工件(12、14)焊接在一 起的方法,所述方法特征在于: 将所述工件(12、14)放在一起使得其搭接面(16)面对彼此并且限定接头区域(22), 所述接头区域(22)包括由所述搭接面(16)限定并且在所述搭接面(16)之间的表面间部 分; 通过沿所述接头区域(22)进行多级焊接工艺将所述工件(12、14)焊接在一起,所述多 级焊接工艺包括:在所述接头区域(22)上执行激光束焊接工艺,并且然后在所述接头区域 (22)上执行混合激光弧焊接工艺, 所述激光束焊接工艺包括将第一激光束(32)投射到所述接头区域(22)上并且使所述 第一激光束(32)在所述接头区域(22)上的投影沿所述接头区域(22)移动、穿透所述接头 区域(22)的所述表面间部分并且在所述接头区域(22)中形成初步焊件(40), 所述混合激光弧焊接工艺沿所述接头区域(22)执行并且使所述初步焊件(40)再熔 化,所述混合激光弧焊接工艺包括当用电弧(36)使填充物材料(48)熔化时同时使所述电 弧(36)和第二激光束(34)沿所述接头区域(22)移动,其中所述第二激光束(34)和所述 电弧(36)在所述接头区域(22)上的投影(42、46)重叠以在所述初步焊件(40)中同时形 成焊接池;并且然后 冷却所述工件(12、14)以产生包括处于所述接头区域(22)内并且通过其表面间部分 的焊接接头(30)的焊接组件。
2. 如权利要求1所述的方法,特征在于,所述第一和第二激光束(32、34)通过分裂初级 激光束(52)形成。
3. 如权利要求1或2所述的方法,特征在于,所述第一激光束(32)处于比所述第二激 光束(34)更大的功率水平。
4. 如权利要求1至2中任一项所述的方法,特征在于,所述第一和第二激光束(32、34) 沿所述接头区域(22)分开小于2. 5厘米的距离。
5. 如权利要求1至2中任一项所述的方法,特征在于,所述第一和第二激光束(32、34) 彼此平行。
6. 如权利要求1至2中任一项所述的方法,特征在于,所述第一激光束(32)在所述接 头区域(22)上的投影(38)具有小于所述第二激光束(34)在所述接头区域(22)上的投影 (42)的直径的直径。
7. 如权利要求1至2中任一项所述的方法,特征在于,由所述激光束焊接工艺形成的所 述初步焊件(40)比由所述混合激光弧焊接工艺形成的焊接接头(30)更快地固化。
8. 如权利要求1至2中任一项所述的方法,特征在于,所述初步焊件(40)固化并且 在其中俘获气泡,并且所述泡内的气体由于所述混合激光弧焊接工艺使所述初步焊件(40) 再熔化而从所述初步焊件(40)释放。
9. 如权利要求1至2中任一项所述的方法,特征在于,所述焊接组件是风力涡轮机塔的 部件。
10. -种用于通过冶金连接工件(12、14)的面对彼此以限定接头区域(22)的搭接面 (16)将至少两个工件(12、14)焊接在一起的设备(10),所述设备(10)特征在于: 用于通过沿所述接头区域(22)进行多级焊接工艺将所述工件(12、14)焊接在一起的 工具(32、34、36),所述焊接工具(32、34、36)包括用于在所述接头区域(22)上执行激光束 焊接工艺的工具(32)和用于在所述接头区域(22)上执行混合激光弧焊接工艺的工具(34、 36); 所述激光束焊接工艺工具(32)适合于将第一激光束(32)投射到所述接头区域(22) 上并且使所述第一激光束(32)在所述接头区域(22)上的投影(38)沿所述接头区域(22) 移动、穿透由所述搭接面(16)限定并且在所述搭接面(16)之间的所述接头区域(22)的表 面间部分,并且在所述接头区域(22)中形成初步焊件(40);以及 所述混合激光弧焊接工艺工具(34、36)适合于沿所述接头区域(22)执行所述混合激 光弧焊接工艺并且通过当用电弧(36)使填充物材料(48)熔化时以及当使第二激光束(34) 和所述电弧(36)在所述接头区域(22)上的投影(42、46)重叠以在所述初步焊件(40)中 同时形成焊接池时,同时使所述电弧(36)和第二激光束(34)沿所述接头区域(22)移动来 使所述初步焊件(40)再熔化以形成焊接接头(30)。
CN201110189923.2A 2010-06-30 2011-06-30 混合激光弧焊接工艺和设备 Active CN102310289B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/826800 2010-06-30
US12/826,800 US8253060B2 (en) 2010-06-30 2010-06-30 Hybrid laser arc welding process and apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102310289A CN102310289A (zh) 2012-01-11
CN102310289B true CN102310289B (zh) 2015-10-07

Family

ID=44719156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110189923.2A Active CN102310289B (zh) 2010-06-30 2011-06-30 混合激光弧焊接工艺和设备

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8253060B2 (zh)
EP (1) EP2402107B1 (zh)
JP (1) JP5941252B2 (zh)
CN (1) CN102310289B (zh)
RU (1) RU2011126556A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106493471A (zh) * 2016-12-19 2017-03-15 中国矿业大学 一种激光‑mig复合焊减少高碳钢焊接裂纹的方法
CN111590199A (zh) * 2019-02-20 2020-08-28 株式会社东芝 压铸部件的激光焊接方法、压铸产品的制造方法、压铸产品

Families Citing this family (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8253060B2 (en) * 2010-06-30 2012-08-28 General Electric Company Hybrid laser arc welding process and apparatus
US8895886B2 (en) * 2011-03-15 2014-11-25 General Electric Company Cladding application method and apparatus using hybrid laser process
US20130136940A1 (en) * 2011-11-28 2013-05-30 General Electric Company Welding system, welding process, and welded article
JP6031227B2 (ja) * 2011-12-22 2016-11-24 株式会社Ihi検査計測 溶接方法
US20130309000A1 (en) * 2012-05-21 2013-11-21 General Electric Comapny Hybrid laser arc welding process and apparatus
CN102922135B (zh) * 2012-11-20 2014-12-10 哈尔滨工业大学 十字型接头激光同步双光束焊接方法
CN103831531B (zh) * 2012-11-23 2016-09-14 通用汽车环球科技运作有限责任公司 焊接接头
EP2818272B1 (de) * 2013-06-28 2018-12-26 TI Automotive (Heidelberg) GmbH Schweissverfahren zur Vermeidung von Rissen
US10981248B2 (en) * 2013-11-22 2021-04-20 General Electric Company Hybrid welding apparatuses, systems and methods for spatially offset components
US10613342B2 (en) * 2013-12-11 2020-04-07 Asahi Kasei Microdevices Corporation Image stabilizer and adjustment method thereof, image stabilizing circuit, image stabilizing method, and camera module and position control method of optical component thereof
US20150202718A1 (en) * 2014-01-23 2015-07-23 GM Global Technology Operations LLC Suppressing laser-induced plume for laser edge welding of zinc coated steels
WO2015162445A1 (fr) * 2014-04-25 2015-10-29 Arcelormittal Investigación Y Desarrollo Sl Procede et dispositif de preparation de toles d'acier aluminiees destinees a etre soudees puis durcies sous presse; flan soude correspondant
JP6391412B2 (ja) * 2014-10-16 2018-09-19 株式会社Ihi検査計測 レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置
EP3012057B1 (en) * 2014-10-24 2019-04-24 General Electric Technology GmbH Method of welding in deep joints
CN104384718B (zh) * 2014-11-25 2019-03-22 北京航星机器制造有限公司 一种Ti2AlNb基金属间化合物双光束脉冲激光焊接方法
JP2016132007A (ja) * 2015-01-20 2016-07-25 三井造船株式会社 レーザ・アークハイブリッド溶接方法及びレーザ・アークハイブリッド溶接構造体
FR3039444B1 (fr) * 2015-07-30 2017-09-15 Inst De Rech Tech Jules Verne Procede optimise de soudage hybride laser-arc
ES2730939T3 (es) * 2015-12-18 2019-11-13 Autotech Eng Sl Procedimientos para unir dos piezas en bruto y piezas en bruto y productos obtenidos
EP3238871B1 (de) * 2016-04-29 2018-06-06 Nexans Verfahren zur herstellung eines rohres aus metall durch laserschweissen
CN105772944B (zh) * 2016-05-28 2018-01-19 长春理工大学 解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法
JP6720853B2 (ja) * 2016-12-22 2020-07-08 トヨタ自動車株式会社 回転電機のコイル接合方法
CN106513997B (zh) * 2017-01-05 2020-10-27 机械科学研究总院青岛分院有限公司 一种万瓦级高铁电瓶箱激光-电弧复合焊接方法
RU2637039C1 (ru) * 2017-01-16 2017-11-29 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Способ изготовления труб сваркой
RU2637035C1 (ru) * 2017-02-06 2017-11-29 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Способ гибридной лазерно-дуговой сварки продольного шва трубы
JP6852588B2 (ja) * 2017-06-20 2021-03-31 トヨタ自動車株式会社 レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置
CN109093259A (zh) * 2017-06-21 2018-12-28 深圳市联赢激光股份有限公司 一种双波长复合送丝焊接方法
RU2660541C1 (ru) * 2017-07-04 2018-07-06 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Способ лазерно-дуговой сварки стыка сформованной трубной заготовки
RU2660791C1 (ru) * 2017-07-04 2018-07-09 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Способ лазерно-дуговой сварки стыка заготовок из углеродистой стали с толщиной стенок 10-45 мм
JP6919783B2 (ja) * 2017-07-06 2021-08-18 株式会社Ihi 溶接部欠陥の補修方法
CN107363407B (zh) * 2017-08-16 2019-03-29 温州大学 一种多焦点激光加强电弧复合焊的方法
CN107363399B (zh) * 2017-08-16 2019-05-31 温州大学 一种电弧辅助激光焊的方法
KR102410518B1 (ko) * 2017-12-01 2022-06-20 현대자동차주식회사 테일러 웰디드 블랭크 제조방법
RU2678110C1 (ru) * 2018-03-19 2019-01-23 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Способ гибридной лазерно-дуговой сварки толстостенных труб большого диаметра из высокопрочных марок стали
JP7086773B2 (ja) * 2018-07-25 2022-06-20 株式会社東芝 溶接方法、溶接物の製造方法、及び溶接物
RU187501U1 (ru) * 2018-08-30 2019-03-11 Акционерное общество "Центр технологии судостроения и судоремонта" (АО "ЦТСС") Автомат для двухсторонней лазерно-дуговой сварки тавровых балок
TWI677398B (zh) * 2018-10-24 2019-11-21 葉均蔚 以合金粉末作為焊接填料的焊接方法
CN111168241B (zh) * 2020-01-09 2021-05-07 上海电机学院 一种双束脉冲激光分时诱导mag电弧定向摆动堆焊的方法
CN111805087B (zh) * 2020-05-20 2022-02-15 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 双光束激光焊接方法及焊接装置
CN111843210B (zh) * 2020-08-14 2021-06-04 福建祥鑫股份有限公司 一种厚度大于40mm的7系铝合金板材的激光焊接方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4507540A (en) * 1982-10-06 1985-03-26 Agency Of Industrial Science & Technology Welding method combining laser welding and MIG welding
DE19608074A1 (de) * 1996-03-02 1997-09-04 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zum Schweißen von relativbewegten Werkstücken

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5939491A (en) * 1982-08-30 1984-03-03 Matsushita Electric Works Ltd Laser welding method of thin metallic sheet
JP2836498B2 (ja) * 1994-09-19 1998-12-14 住友金属工業株式会社 レーザ溶接製管方法
DE4434409C1 (de) * 1994-09-26 1996-04-04 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Vorrichtung zum Materialbearbeiten mit Plasma induzierender Laserstrahlung
JPH10216973A (ja) * 1996-12-06 1998-08-18 Nippon Light Metal Co Ltd アルミニウム及びアルミニウム合金のレーザー溶接方法
JP3591630B2 (ja) * 2000-01-20 2004-11-24 日産自動車株式会社 レーザ−アーク複合溶接方法および溶接装置
JP2002137075A (ja) * 2000-10-31 2002-05-14 Babcock Hitachi Kk 高速レーザ溶接方法
JP2002331373A (ja) * 2001-05-10 2002-11-19 Daihen Corp アルミニウムの溶接方法
JP2003001452A (ja) * 2001-06-15 2003-01-08 Furukawa Electric Co Ltd:The レーザ溶接方法およびその方法を用いて製造された半導体レーザモジュール
US7253377B2 (en) * 2005-02-08 2007-08-07 General Motors Corporation System and method of joining overlapping workpieces
JP5191648B2 (ja) * 2006-11-07 2013-05-08 東京特殊電線株式会社 レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法
CN102015193B (zh) * 2008-11-27 2013-07-24 松下电器产业株式会社 复合焊接方法和复合焊接装置
US20100139092A1 (en) * 2009-01-22 2010-06-10 Sujith Sathian Shaft for wind turbine generator and method for assembling wind turbine generator
US20100243621A1 (en) 2009-03-31 2010-09-30 General Electric Company High-powered laser beam welding and assembly therefor
US8319148B2 (en) * 2009-08-20 2012-11-27 General Electric Company System and method of dual laser beam welding of first and second filler metals
US8253060B2 (en) * 2010-06-30 2012-08-28 General Electric Company Hybrid laser arc welding process and apparatus

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4507540A (en) * 1982-10-06 1985-03-26 Agency Of Industrial Science & Technology Welding method combining laser welding and MIG welding
DE19608074A1 (de) * 1996-03-02 1997-09-04 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zum Schweißen von relativbewegten Werkstücken

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106493471A (zh) * 2016-12-19 2017-03-15 中国矿业大学 一种激光‑mig复合焊减少高碳钢焊接裂纹的方法
CN111590199A (zh) * 2019-02-20 2020-08-28 株式会社东芝 压铸部件的激光焊接方法、压铸产品的制造方法、压铸产品

Also Published As

Publication number Publication date
CN102310289A (zh) 2012-01-11
US20120000892A1 (en) 2012-01-05
JP2012011465A (ja) 2012-01-19
RU2011126556A (ru) 2013-01-10
JP5941252B2 (ja) 2016-06-29
EP2402107B1 (en) 2015-10-07
EP2402107A1 (en) 2012-01-04
US8253060B2 (en) 2012-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102310289B (zh) 混合激光弧焊接工艺和设备
EP2404695B1 (en) Methof of welding at least two workpieces by double hybrid laser arc welding
EP2666579B1 (en) Hybrid laser arc welding process and apparatus
US7154065B2 (en) Laser-hybrid welding with beam oscillation
RU2136464C1 (ru) Способ соединения металлических деталей посредством электродуговой сварки плавлением
CN102126084B (zh) 钢板的激光焊接方法
CN102652046B (zh) 焊接方法和焊接装置
JP2006224130A (ja) レーザとマグアークによる複合溶接方法
CN104874919B (zh) 一种厚板窄间隙激光焊接方法
JP2004306084A (ja) レーザ溶接とア−ク溶接の複合溶接方法
RU2012139838A (ru) Способ и устройство для гибридной сварки с множеством источников теплоты
CN107309563A (zh) 一种高级别管线钢的激光‑电弧复合焊接方法
CN111673283B (zh) 一种铝合金厚板多层激光-tig复合焊接装置及方法
JP5153368B2 (ja) T型継手の貫通溶接方法及び貫通溶接構造物
CN103831533A (zh) 钛合金激光-mig复合焊接方法
JP2011005499A (ja) アルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法
JP2012223799A (ja) 溶接継手の製造方法
JP2012206145A (ja) ホットワイヤレーザ溶接方法と装置
Al-Quenaei Fusion Welding Techniques
Hirst Solid Materials: Joining Processes
CN113172306A (zh) 一种中空电极送丝电弧增材制造系统及方法
CN111822862A (zh) 使用氢保护气体的激光增材制造和焊接
JP2017042779A (ja) 溶接方法
JP2017042780A (ja) 溶接方法
Booth et al. Recent Developments in Welding Technology

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant