CN102652046B - 焊接方法和焊接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于在两个边缘部分(54a，54b)之间形成焊缝的焊接装置和焊接方法，其中边缘部分(54a，54b)形成具有根部(58)和坡口部(60)的Y形接头，所述根部(58)通过包括将激光束(10)和电弧(22)引导到等离子体和熔融金属的单个相互作用区域(24)中的混合激光电弧焊接过程被焊接。混合激光电弧焊接头(2)和埋弧焊头(4)布置在共用的托架结构(46，50)上以焊接Y形接头。

Description

焊接方法和焊接装置
技术领域
本发明涉及一种用于在两个边缘部分之间形成斜接焊缝的焊接方法。具体地，本发明涉及一种用于在要被连接的一个或多个工件的两个边缘部分之间形成斜接焊缝的焊接方法，其中一个或多个工件相对较厚，即，所述一个或多个工件的厚度超过20mm。本发明还涉及一种被布置成执行这种焊接方法的焊接装置。
背景技术
混合激光电弧焊接过程被广泛地用在工业制造中。混合激光电弧焊是激光焊接方法和电弧焊接方法地组合，其中激光束和电弧被引导到要被焊接地一个或多个工件处的单个相互作用区域。激光束可以产生达到大约1MW/cm2的高密度。激光束产生被称作小孔的具有高深宽比的气穴。电弧通常产生相当低的大约1kW/cm2的密度。然而，电弧的焦点却相当大。因此，来自电弧焊接方法的焊缝较宽。为此，当使用电弧焊接方法时间隙的桥接相当好。在混合激光电弧焊接方法中，两个焊接过程的益处组合，从而与每一种单独的焊接方法相比较，产生具有高焊接速度和焊接深度的焊接方法。来自各个方法的功率输入的比值将确定哪一种焊接方法主导混合激光电弧焊接方法。混合激光电弧焊接方法在其中激光束和电弧在基本上相同的位置处作用在工件上的情况下在保护气体下发生。
US 7288737中公开了一种混合激光电弧焊接方法的示例，涉及一种用于通过将熔融材料沉积到要被焊合的边缘之间形成的坡口的至少一部分中来进行激光/MIG混合焊接的方法。提出的是US 7288737中公开的方法适于在具有达到60mm的厚度工件的两个边缘部分之间形成焊缝。
然而，已经显示的是使用现有技术方法难以形成高质量的接头。可能发生的问题包括当在较厚的一个或多个工件的边缘部分之间形成焊缝时难以获得稳定的焊接过程。在不稳定的焊接过程中，到工件中的渗透可能变化，使得具有填充有蒸汽的空腔破裂并且熔融金属渗透到工件的后侧中的风险。衬垫(即，一种防止熔融材料从边缘之间的间隙流出来并可能会被损失的公知的方法)的使用则变得必要。然而，在一些情况下，由于限制接近工件的后侧，衬垫的使用可能实体上被阻止。
当在厚工件之间形成焊缝时可能会发生如下另一个问题，即，由于接头周围的硬脆性区的形成，焊缝可能会恶化。硬脆性区在焊缝处的快速冷却期间被形成。已经显示当增加要被连接的工件的厚度时，局部硬脆性区的形成的问题可能会增加。此外，当焊接高强度钢(即，具有超过355MPa的屈服强度的钢)时，局部硬脆性区的形成的问题也增加。当使用这种材料时，包围接头的区域中的材料硬度的最大值变得甚至高于低强度材料中的同等焊缝。
发明内容
本发明的目的是减轻上述问题。
该目的通过根据权利要求1所述的焊接方法实现。本发明涉及一种用于在两个边缘部分之间形成焊缝的焊接方法。边缘部分被形成为具有根部和坡口部的Y形接头。在根据本发明的焊接方法中，根部通过混合激光电弧焊接过程被焊接。混合激光电弧焊接过程包括将激光束和电弧引导到等离子体和熔融金属的单个相互作用区域中，且单个相互作用区域位于所述根部处。混合方法的特征在于高温度和低热量输入，并且混合激光电弧焊接过程的使用因此产生相对较窄并包括接头具有增加的硬度的过热区的热影响区。为了减小受混合激光电弧焊接过程影响的区域中的硬度，坡口部在根据本发明的方法中通过埋弧焊接过程被焊接。此外，混合激光电弧焊头和埋弧焊头布置在共用的托架结构上。因此，能够实现单次焊接Y形接头。埋弧焊接方法的特征在于高热量输入，同时功率输入的密度相当低。在埋弧焊接过程中传递到工件的热量将对混合激光焊接过程中的热影响区进行热处理，使得在混合激光电弧焊接期间形成的硬脆性区中的硬度的最大值减小。
根据本发明的方法尤其适于焊接根部具有超过8mm，优选地超过10mm的厚度的接头。为了在形成厚根部焊缝时使激光良好地穿透到工件中，激光的功率应该优选地在1m/分钟的焊接速度下达到1kw/mm的根厚度，即，对于8mm接头，激光的功率应该在1m/分钟的焊接速度下优选地等于8kW。相应地，对于10mm接头，激光的功率应该在1m/分钟的焊接速度下优选地等于10kW。该要求可以应用于具有在7-30mm之间的厚度的根部。
为了保持焊接过程稳定，使得气穴中的蒸气压力可以维持熔融金属熔池并为了提供充分的桥接能力，由电弧焊接过程提供的功率应该与激光的功率平衡，即，在混合方法中电弧焊接过程的功率应该基本上等于由激光供应的功率。因此，混合方法中来自激光的功率除以来自电弧焊接过程的功率的比值优选地在0.9与1.1之间。
激光束和电弧的除以根部的厚度和焊接速度的各个效能因此应该优选地等于1Ws/m2。
当焊接超过8mm根部时来自激光的功率输入处，来自电弧焊接过程的功率输入不能被形成为足够高以提供充分高的热量输入，从而充分地减小接头中的硬度的峰值水平。借助于在混合过程之后的埋弧焊接过程，可以获得足够大的热量输入以充分平衡硬度峰值。
所需的热量输入的量将取决于坡口部的深度，这是因为热量输入与坡口部的体积成比例。用于厚根部的适当热量输入将被提供给具有超过15mm，优选地超过20mm的深度的坡口部。尤其优选的是根部的厚度与坡口部的深度之间的比值在0.4与0.6之间。
对于厚度超过15mm的工件，优选地对于具有在30mm与60mm之间的工件来说，以上限定的焊接方法能够在单次焊接中在两个边缘部分之间形成焊缝，其中所述边缘部分形成具有根部和坡口部的Y形接头。因此，根据本发明的焊接方法能够有效地在厚物品中制造焊缝，其中由于硬脆性区处的硬度的峰值水平被充分降低，因此可以保持焊缝的质量。
根据本发明的焊接方法尤其适于形成其中边缘中的至少一个是具有超过355MPa的屈服强度的高强度钢的工件的一部分的焊缝。
用于埋弧焊接过程的焊接参数可以被选择，使得埋弧焊接过程的热影响区包围混合激光电弧焊接过程的热影响区。
本发明的方法涉及在限定Y形接头的边缘部分之间形成焊缝。Y形接头具有根部和坡口部。坡口部被定位在要被连接的一个或多个工件的第一侧上，并且根部延伸到被连接的一个或多个工件的第二相对侧。在本发明的焊接方法中，用于埋弧焊接过程的焊接参数被选择，使得埋弧焊接过程的热影响区向下延伸到所述第二相对侧。
本发明还涉及一种用于焊接具有根部和坡口部的Y形接头的焊接装置。在操作中，坡口部被定位在要被连接的一个或多个工件的第一侧上，并且根部延伸到被连接的一个或多个工件的第二相对侧。焊接装置包括被布置成焊接所述根部的混合焊头。混合焊头被安装成在操作中面对所述第一侧。焊接装置还包括被安装成在操作中面对所述第一侧的埋弧焊头。混合焊头和埋弧焊头两者安装在共用的托架结构上。混合焊头和埋弧焊头因此从被连接的一个或多个工件的同一侧操作。因此，焊接装置能够在单次焊接中焊接厚工件中的焊缝，其中通过单次焊接，根部通过混合激光电弧焊接过程被焊接，而坡口部通过埋弧焊接过程被焊接。共用的托架结构可以是固定托架结构或可移动托架结构。共用的托架结构的目的是能够在与焊接坡口部的埋弧焊接过程结合的焊接根部的混合激光电弧焊接过程的单次焊接中焊接Y形接头，其中用于混合激光电弧焊接过程的两个焊头都位于工件的坡口侧上。为此目的，共用的托架结构可以适当地是支承两个焊头的诸如单个支架、框架、臂、托架等的一体式托架结构，可选地，共用的托架结构可以由诸如多个托架、框架、臂部、托架的多个元件构成，其中一个焊头由一个元件支承，并另一个焊头由另一个元件支承，只要共用的托架结构实现能够在与焊接坡口部的埋弧焊接过程结合的焊接根部的混合激光电弧焊接过程的单次焊接中焊接Y形接头的目的即可，其中用于混合激光电弧焊接过程的两个焊头位于工件的坡口侧上，并且其中多个元件允许焊头相对于焊缝一致地移动。
焊接装置还包括致动器，所述致动器被布置成驱动共用的托架结构与要被连接的一个或多个工件之间的相对移动。
混合焊头和埋弧焊头可以安装在共用的托架结构上，所述共用的托架结构可以在要被连接的一个或多个工件上被推进或被推进经过要被连接的一个或多个工件。可选地，混合焊头和埋弧焊头可以安装在固定的共用托架结构上，并且所述致动器被布置成推进要被连接的一个或多个工件。
附图说明
以下结合附图说明本发明的实施例，其中：
图1显示了通过包括混合焊头和埋弧焊头的焊接装置的横截面；
图2显示了根据本发明的安装在共用固定托架结构上的焊接装置的示意图；
图3显示了根据本发明的安装在共用可移动托架结构上的焊接装置的示意图；
图4显示用于在第一工件的边缘部分与第二工件的边缘部分之间形成焊缝的焊接方法的示意图；
图5显示了其边缘形成具有根部和斜面部的Y形接头的两个工件的边缘部分的几何形状；
图6显示了由组合的混合激光电弧焊接和埋弧焊接方法形成的焊缝中的热影响区的几何形状；
图7a显示了在混合激光电弧焊接过程和埋弧焊接过程已经完成之后接头的材料硬度的分布；
图7b显示了在混合激光电弧焊接过程已经完成且埋弧焊接过程已经被开始之前接头的材料硬度的分布；和图8显示根据本发明的焊接过程的温度图。
具体实施方式
在图1中，显示了通过焊接装置1的横截面，其中上述焊接装置1包括混合焊头2和埋弧焊头4。焊接装置正在要被连接的一组工件6的两个边缘部分之间形成焊缝。
混合焊头包括光学系统8，上述光学系统产生聚焦在Y形接头的根部中的激光束10。激光束可以通过YAG激光器或CO2激光器产生。混合焊头还包括电弧焊头12，所述电弧焊头12包括突出电极14。电弧焊头12可以是气体保护金属极电弧焊头、钨极隋性气体保护电弧焊头或等离子体电弧焊头。保护气体16被施加到焊接区域18。在所示的实施例中，通过位于电弧焊头12中的喷嘴20施加保护气体16。电弧22和激光束10在由保护气体16覆盖的单个相互作用区域24中工作。混合焊头的各种变形是公知的。这些变形可以包括被定位成引导和/或延迟激光束的电弧焊头。在所示的实施例中，单个电弧焊头被定位成使延迟激光束。在操作中，激光束产生通常被称为小孔的深窄空腔26，在该处存在汽化金属。小孔26被熔融金属28包围。混合焊头可以是本领域技术人员公知的任意常规类型的焊头，并因此不再更详细地说明。
埋弧焊头4相对于由箭头30所示的焊接方向被定位在混合焊头2的后面。埋弧焊头4包括焊剂粉敷料器32、供应穿透到覆盖要被焊接的区域的焊剂粉层38中的熔化电极36a、36b的一个或多个电极头34a、34b。埋弧焊头4还包括在过程结束时收集焊剂粉用于进一步的使用的焊剂粉收集器40。各种类型的埋弧焊头是已知的，包括一个或多个电极头。在所示的实施例中，使用两个电极头。每一个电极头产生焊接熔池42a、42b，熔融金属在所述焊接熔池42a、42b处从熔化电极36a、36b被供应。各个电极36a、36b产生电弧37a、37b。熔融金属44的区域在焊接过程期间形成焊缝。埋弧焊头可以为本领域技术人员所公知的任意常规类型的焊头，并因此不再详细地说明。
在图2中显示了安装在共用固定托架结构46上的焊接装置1的示意图。混合焊头2和埋弧焊头4两者都作用在工件6的同一侧。共用固定托架结构46支承混合焊头2和埋弧焊头4。混合焊头2和埋弧焊头4彼此相隔距离D被安装，其中距离D从激光束到埋弧焊头中的第一电极36a的位置被测量。距离D优选地被选择为在Xmm-Ymm的范围内，以允许在Y形接头的根部处形成的焊缝充分冷却，且不会允许从工件耗散掉过多的热能量，导致放慢埋弧焊接过程。在图中所示的实施例中，致动器48被布置成能够通过使一个或多个工件6移动通过固定共用托架结构46而在共用固定托架结构46与要被连接的一个或多个工件6之间进行相对移动。在图3中所示的实施例中，通过将焊头2、4定位在共用可移动托架结构50上来实现相对移动，所述托架结构50通过致动机构可相对于一个或多个工件6移动，所述致动机构适当地包括将托架结构50支承在一个或多个工件6上的一组轮子。
在图4中显示了用于在第一工件6a的边缘部分54a与第二工件6b的边缘部分54b之间形成焊缝52的焊接过程的示意图。边缘部分54a、54b形成Y形接头56，所述Y形接头56具有根部58和坡口部60。根部58通过混合激光电弧焊接过程被焊接，所述混合激光电弧焊接过程包括在等离子体和熔融金属的单个相互作用区域24中引导激光束10和电弧22。在图4中的位置A处，通过将激光束10引导到形成在工件6a、6b之间的根部中来进行根部焊接。小孔26形成在根部58中。小孔26应该优选地被允许穿过根部。小孔因此在全焊透气焊激光焊接过程中产生。
电弧焊头12被定位成在激光束附近产生电弧。电弧焊头可以是气体保护金属弧焊头、钨极隋性气体保护焊头或等离子体电弧焊头。电弧焊头供应可以渗入根部58中以形成焊缝的熔融金属。在图4中的位置B处，根部填充有熔融金属，而在位置C处，根部处的金属被凝固。在位置C与D之间，施加焊剂粉。因此在根部58已经凝固之后适当地施加焊剂粉。焊剂粉作为覆盖坡口部60的层38存在。在埋弧焊接过程中第一电弧形成在位置D处。电弧通过第一电极36a形成。第一电极36a熔化大量金属，在坡口部60中形成熔池62。在所示的实施例中，位于位置E处的第二电极增加熔池56，使得坡口部62填充熔融材料。如位置E中所示，坡口部填充熔融金属以在焊接装置的单次焊接中形成完整的接头。埋弧焊接过程中使用的电极的数量因此可以基于坡口部的尺寸而被适当选择。
在图5中显示了两个工件6a、6b的边缘部分54a、54b的几何形状，其中所述两个工件6a、6b的边缘形成具有根部58和坡口部60的Y形接头。工件6a、6b具有超过15mm的厚度T，优选地厚度在30-60mm之间。根部具有超过8mm的厚度R，优选地超过10mm。坡口部60具有超过15mm的深度，优选地20mm。
根部的厚度与坡口部的深度之间的比值被适当地选择为在0.4与0.6之间。
选择Y形接头的几何形状，使得焊缝可以在单次焊接中形成，同时允许从埋弧焊接过程输入充分的热量以减小在混合激光电弧焊接过程中根部周围产生的硬度峰值。
在混合激光电弧焊接过程中，激光束提供超过7kW的效能，并且电弧提供超过7kW的效能。激光束和电弧提供大致相同的效能。根据根部的厚度选择激光束和电弧的各个效能。适当地，激光束和电弧的各个效能除以根部的厚度和焊接速度基本上等于1Ws/m2。
在图6中显示了通过组合的混合激光电弧焊接过程和埋弧焊接过程形成的焊缝68中的热影响区64、66的几何形状。坡口部60被定位在工件6a、6b的第一侧70上，并且根部58延伸到工件6a、6b的第二相对侧72。优选地选择埋弧焊接过程的焊接参数，使得埋弧焊接过程的热影响区66向下延伸到第二相对侧72。来自混合激光电弧焊接过程的热影响区64在根部58周围延伸，优选地一直向下延伸到第二相对侧72。
选择埋弧焊接过程的焊接参数，使得如图中所示埋弧焊接过程的热影响区66包围混合激光电弧焊接过程的热影响区。
在图7a中显示了在混合激光电弧焊接过程和埋弧焊接过程已经完成之后接头的材料硬度的分布。
在图7b中显示了在混合激光电弧焊接过程已经完成且埋弧焊接过程被开始之前接头的材料硬度的分布。
图7a和图7b中的焊缝由实验焊接过程得到，其中在焊接根部的单次激光混合焊接过程中形成完整焊缝，其中所述焊接根部的单次激光混合焊接过程与焊接坡口部的单次埋弧焊接过程结合。
接头是12mm厚的CMn钢的Y形接头。材料级别St355，埋弧方法与混合激光电弧焊方法组合。作为示例使用4kW激光。因此，根部被选择为具有4mm厚度。坡口部具有60°的开口角度。板尺寸为150×400mm。板之间的预定角度为5°。
在执行焊接实验时所使用的方法中，使用与气体保护金属极电弧焊接方法结合的激光。用于GMAW方法的电源是AristoMIG500W。激光源是来自Trumpf的灯泵Nd:Yag谐振器，HL4006D，具有D70处理光学装置。
SAW方法通过具有SAW成对装置的焊车实现。电源是两个斯克特耦合LAF 635。
用于混合激光电弧焊接方法的热量输入为0.7kJ/mm，该0.7kJ/mm具有来自激光束的0.2kJ/mm的贡献。来自埋弧焊接方法的热量输入为2.4kJ/mm。
在具有完成图7a中所示的根部的混合激光电弧焊接过程之后以及在完成图7b中所示的坡口部的埋弧焊接过程之后执行硬度测量。
最佳结果是在焊接区中达到与母体材料(即，未受影响的材料)基本上相同的冶金特性。混合激光电弧焊接产生硬脆性接头，所述接头在碳钢中具有高含量的马氏体，并且在二联不锈钢中具有高含量的铁氧体。
图7a中所示的材料硬度显示在完成混合激光电弧焊接过程之后在热影响区中达到超过410HV硬度的焊缝。因此，与在热影响区外部的未受影响的材料相比，硬度在焊缝上急剧变化并具有基本上不同的冶金特性。硬度的导数的最大值在该区域中超过200HV。
在埋弧焊接过程已经完成焊缝之后，热影响区中的焊缝的硬度由于来自埋弧焊接过程的热量输入已经变平。该硬度在热影响区中达到100HV的最大值。硬度的导数的最大值在该区域中在50HV的范围内。
该测试显示了所提出的方法将在高强度钢中产生高质量焊缝，其热影响区上具有低的最大值和小的材料硬度变化。
在图8中显示了根据本发明的焊接过程的温度图。虚线80表示焊缝的中心位置处的温度。在混合激光电弧焊头82的位置处发生焊接。在焊接区中，基于所使用的材料，金属在大约1500℃的温度下被熔化。焊头82在由箭头84所示的方向上移动。当混合激光电弧焊头已经通过时，焊缝开始冷却并达到马氏体温度极限M，在所述马氏体温度极限M处发生马氏体的形成。这在激光焊头已经通过之后大约3秒发生。马氏体温度极限M基于焊接材料的碳当量的值大约为300-800℃。在焊缝已经达到马氏体温度之后，埋弧焊头86开始焊接过程以产生到焊缝的高热量输入。在埋弧焊接过程期间的热量输入优选地高达至少混合激光电弧焊接过程期间的热量输入的3倍。
假设焊接速度大约为1m/s，适当的是在相互在5-100cm之间，优选地在大约10-50cm之间的距离内将混合激光电弧焊头和埋弧焊头安装在共用焊车上。

Claims (18)

1.一种焊接方法，用于在两个边缘部分(54a，54b)之间形成焊缝(52)，其中所述边缘部分(54a，54b)形成具有根部(58)和坡口部(60)的Y形接头，所述根部(58)通过包括将激光束(10)和电弧(22)由混合激光电弧焊头(2)引导到等离子体和熔融金属的相互作用区域(24)中的混合激光电弧焊接过程被焊接，其特征在于，所述相互作用区域(24)位于所述根部(58)，并且所述坡口部(60)在埋弧焊接过程中通过埋弧焊头(4)被焊接，并且所述混合激光电弧焊头(2)和焊接埋弧焊头(4)布置在共用的托架结构(46，50)上。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，根部(58)具有超过8mm的厚度。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，根部(58)具有超过10mm的厚度。
4.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其特征在于，坡口部(60)具有超过15mm的深度。
5.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其特征在于，坡口部(60)具有超过20mm的深度。
6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，根部(58)的厚度与坡口部(60)的深度之间的比值在0.4与0.6之间。
7.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，激光束(10)提供超过7kW的效能，且电弧(22)提供超过7kW的效能。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，激光束(10)和电弧(22)提供相同的效能。
9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，激光束(10)和电弧(22)的除以根部(58)的厚度和焊接速度的单独效能对应于1Ws/m2。
10.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，根部(58)和坡口部(60)在单次焊接中被焊接。
11.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，边缘(54a，54b)中的至少一个是具有超过355MPa的屈服强度的高强度钢的工件(6)的一部分。
12.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，埋弧焊接过程的焊接参数被选择为使得埋弧焊接过程的热影响区(66)包围混合激光电弧焊接过程的热影响区(64)。
13.根据权利要求1所述的焊接方法，其中，坡口部(60)定位在要被连接的一个或多个工件(6)的第一侧(70)上，并且根部(58)延伸到要被连接的一个或多个工件(6)的第二相对侧(72)，其特征在于，埋弧焊接过程的焊接参数被选择为使得埋弧焊接过程的热影响区(66)向下延伸到所述第二相对侧(72)。
14.一种焊接装置(1)，用于焊接具有根部(58)和坡口部(60)的Y形接头，其中在操作中，坡口部(60)定位在要被连接的一个或多个工件(6)的第一侧(70)上，并且根部(58)延伸到要被连接的一个或多个工件(6)的第二相对侧(72)，所述焊接装置包括被布置成焊接所述根部(58)的混合激光电弧焊头(2)，所述混合激光电弧焊头(2)被安装成在操作中面对所述第一侧(70)，其特征在于焊接装置(1)还包括被安装成在操作中面对所述第一侧(70)的埋弧焊头(4)，并且所述混合激光电弧焊头(2)和所述埋弧焊头(4)布置在共用的托架结构(46，50)上。
15.根据权利要求14所述的焊接装置，其特征在于，焊接装置(1)还包括致动器(48)，所述致动器被布置成能够在共用托架结构与要被连接的一个或多个工件(6)之间进行相对移动。
16.根据权利要求14所述的焊接装置，其特征在于，混合激光电弧焊头(2)和埋弧焊头(4)安装在共用的可移动托架结构(50)上，所述托架结构在要被连接的一个或多个工件(6)上被推进或被推进通过所述一个或多个工件(6)。
17.根据权利要求14所述的焊接装置，其特征在于，混合激光电弧焊头(2)和埋弧焊头(4)安装在共用的固定托架结构(46)上，并且所述致动器(48)被布置以推进要被连接的一个或多个工件(6)。
18.根据权利要求14所述的焊接装置，其特征在于，所述焊头装置(1)被布置成执行根据权利要求1所述的焊接方法。
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