CN103008895A

CN103008895A - 一种面向厚板的窄间隙多道激光焊接方法

Info

Publication number: CN103008895A
Application number: CN2012105490135A
Authority: CN
Inventors: 王春明; 李若杨; 王天骄; 胡席远; 王军
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-15
Filing date: 2012-12-15
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-12-15
Also published as: CN103008895B

Abstract

本发明公开了一种面向厚板的激光焊接方法，在厚板上预留间隙或者预开一个带钝边的坡口，采用激光自熔焊在焊缝处焊一道进行打底，再进行激光填丝焊，焊丝与激光束保持15°～75°夹角，焊丝从激光束前方伸入坡口间隙中，当填丝焊无法填充满坡口间隙时，最后进行激光-GMAW复合焊，完成厚板的焊接；所述预留间隙值均小于等于0.5mm，用于填丝焊的预开坡口宽度小于等于2.5mm，用于复合焊的预开坡口宽度小于等于10mm。本发明要解决厚板高效率高质量焊接问题，从而获得焊接变形小，间隙桥接能力强的优质和高效的厚板焊接接头。

Description

一种面向厚板的窄间隙多道激光焊接方法

技术领域

本发明属于激光材料加工技术领域，涉及一种面向厚板的窄间隙多道激光焊接方法，该方法对激光自熔焊、激光填丝焊和激光-GMAW(熔化极气体保护焊)复合焊进行了优化组合，实现了厚板的高效率高质量焊接。

背景技术

厚板的焊接是舰船和核设施制造、石油和天然气管道铺设、电站建设以及各种大型钢结构工程建造过程中必不可少的关键工艺。这些设施部件的厚度一般都在20mm以上，并且结构尺寸大，只能通过分段加工后连接成形。

鉴于目前的焊接方式，(1)当采用弧焊进行厚板的焊接时，通常需要开坡口，并进行多层多道的方式进行焊接。但由于坡口面积的急剧增大导致了焊接工程量和焊材消耗量成倍增加，生产效率低下，而且厚板的大拘束度和弧焊的大热输入量使得焊接接头存在较大的残余应力和残余变形，并带来较大的塑性、韧性损失，导致焊接接头的力学性能恶化。虽然窄间隙弧焊可以在一定程度上解决厚板焊接的上述问题，但工艺实现难度大、适应性差以及对焊接设备要求高等问题使得窄间隙弧焊在厚板焊接领域的推广应用受到较大限制。(2)采用电子束焊进行焊接时，实现厚板的焊接虽然具有高深宽比、线能量和热变形小、焊缝纯净度好和接头质量高等突出优点，然而其焊接过程必须在真空或低真空环境下进行，其所焊构件尺寸和作业的灵活性受到极大限制，应用范围难以拓展到造船、舰艇和管道建设等领域。

因此，业界一直在努力探讨寻找一种可以实现厚板连接的高效率、高精度、高质量并且作业灵活的焊接方法。

发明内容

针对技术背景中的不足之处，本发明的目的在于提供一种面向厚板的窄间隙多道激光焊接方法，本发明要解决厚板高效率高质量焊接问题，能够获得焊接变形小，间隙桥接能力强的优质和高效的厚板焊接接头。

本发明提供的一种面向厚板的激光焊接方法，在厚板上预留间隙或者预开一个带钝边的坡口，采用激光自熔焊在焊缝处焊一道进行打底，再进行激光填丝焊，焊丝与激光束保持15°～75°夹角，焊丝从激光束前方伸入坡口间隙中，当填丝焊无法填充满坡口间隙时，最后进行激光-GMAW复合焊，完成厚板的焊接；所述预留间隙值均小于等于0.5mm，用于填丝焊的预开坡口宽度小于等于2.5mm，用于复合焊的预开坡口宽度小于等于10mm。

作为上述技术方案的改进，在进行激光填丝焊时，焊丝与激光束保持15°～75°夹角，焊丝从激光束前方伸入坡口间隙中，光丝间距为W_X，W_X＝焊丝半径±光斑半径；复合焊时激光在前，焊丝在后，激光与焊丝的间距为0～5mm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述坡口的形状为“Y型”。

作为上述技术方案的更进一步改进，填丝焊的坡口角度为1.5～6°。激光-GMAW的坡口角度为6～30°。

本发明要解决厚板高效率高质量焊接问题，从而获得焊接变形小，间隙桥接能力强的优质和高效的厚板焊接接头。本发明主要是指：工件在焊接前预留极小间隙或加工极窄的坡口，采用工业中成熟应用的千瓦级激光器，首先采用激光自熔焊打底，然后采用具有桥接能力的激光填丝焊或激光-GMAW(熔化极气体保护焊)复合焊接的方式进行后续焊道的熔合，实现厚板优质高效连接。

相对厚板的传统弧焊或窄间隙弧焊方式而言，本发明提出的厚板焊接方法具有以下诸多技术与经济的优越性：

(1)可以大量减少焊接材料与能量消耗，在大幅度提高焊接生产率的同时，也大幅度降低了焊接生产成本；

(2)单道焊缝熔深大大提高，相同厚度的工件可用更少的道数实现连接，生产效率大大提高的同时，总热输入量也大大减少；

(3)热压缩塑性变形量大幅度减小，且沿板厚方向上更趋均匀化，从而带来接头的残余应力、残余变形减小；

(4)极高的熔池冷却速度和极低的焊接线能量使焊缝组织更加细小，同时可以获得较小的热影响区，接头韧性提高。

与单道自熔性激光焊接相比，窄间隙非自熔性激光多道焊接的最大优势在于可以用千瓦级的激光光源通过多层多道焊的方式实现厚板的连接，焊丝的添加对焊前装配精度的要求大大降低，同时可以进一步实现焊缝成分和接头性能的调控。另外，相对厚板的电子束焊接而言，其最大优势在于不需要真空环境，所焊构件的尺寸与作业的灵活性得到大大拓展，在舰船制造、管道作业、核设施制造以及电站建设等各种大型结构工程中的适用性大大增强。

附图说明

图1为本发明焊接方法的坡口截面图，三个区域分别表示三种焊接方法焊接的范围；

图2表示激光自熔焊的焊接方法示意图；

图3表示激光填丝焊的焊接方法示意图；

图4表示激光-GMAW复合焊的焊接方法示意图；

图中，1—激光光束，2—激光自熔焊熔池，3—保护气管，4—保护气体，5—工件，6—激光自熔焊焊缝，7—自熔焊间隙，8—焊丝，9—激光填丝焊熔池，10—激光填丝焊坡口，11—气咀，12—同轴装置，13—激光-GMAW复合焊熔池，14—电弧，15—激光填丝焊焊缝，16—激光-GMAW复合焊坡口。

具体实施方式

本发明提出了一种优化组合激光自熔焊、激光填丝焊、激光-GMAW复合焊的焊接方式。该方式首先利用自熔焊热输入量小，焊接变形小、焊缝成型好的特点进行打底。利用了填丝焊对工件加工装配要求不高，调整焊丝成分从而可以控制焊缝区域组织性能，且间隙桥接能力较强的特点和复合焊热输入量大、熔深大、间隙桥接能力强的优点进行后续填充。简而言之，本发明是在一个厚板多层多道接头中优化组合此三种方法，建立基于分层焊缝形貌控制与协调的厚板接头成形控制模型，从而实现厚板的优质高效焊接。

图1表示本焊接方法的坡口截面图。基于对激光自熔焊，激光填丝焊以及激光-GMAW复合焊三种焊接方法热输入量大小，间隙桥接能力强弱和焊缝成形好坏的综合考虑。该方法并不限定于某一种具体材料，无论对于何种材料，激光自熔焊都只焊一道进行打底。之后便用激光填丝焊进行填充，当填丝焊无法填充满坡口间隙时便改用复合焊。

本发明的基本原理是：在两块待焊厚板之间预留极小间隙(由于首先要进行自熔焊打底，间隙太大激光束容易露下去，所以无论对于何种材料，何种厚度，预留间隙值均小于等于0.5mm)或预开带钝边的极窄坡口(坡口形式多样，根据厚度和材料的不同灵活选择，如“Y型”。坡口的尺寸也随板厚而变。一般来说，预开的填丝焊坡口的宽度小于等于2.5mm，预开的复合焊坡口的宽度则小于等于10mm)

本发明方法中，填丝焊的坡口角度为1.5～6°，激光-GMAW的坡口角度为6～30°。

焊接时，首先采用激光自熔焊焊一道进行打底；然后进行激光填丝焊，焊丝与激光束保持15°～75°夹角，焊丝从激光束前方伸入坡口间隙中。由于焊丝从光束前方送入，就算焊丝与光束稍有偏离，激光束在后方也可以及时熔化焊丝，使焊丝连续熔化铺展，避免了焊接过程的不稳定。最后，再进行激光-GMAW复合焊。复合焊时激光在前，焊丝在后，激光与焊丝的间距为0～5mm，由于前置的激光束首先在前一道焊形成的焊缝表面上形成熔池，故此时坡口根部温度较高，而且激光的热源有引导熔融填充金属流向焊缝底部的作用，从而使焊丝熔化形成的熔融金属流动性明显改善，可以充满整个坡口间隙。同时加热面积较大也改善了工件的间隙适应性。

为了使本焊接方法的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本方法，并不用于限定本方法。

一种涉及优化组合激光自熔焊、激光填丝焊、激光-GMAW复合焊的焊接方法：焊接前，工件预留极小间隙或加工极窄坡口。焊接时，如图2所示。首先采用激光自熔焊打底，激光束1与工件5表面法线夹角不超过15°。打底完成后，在激光自熔焊焊缝6的表面，如图3所示，运用激光填丝焊填充。此时，保护气4与焊丝8分布在激光光束9两侧并且三者在同一平面内。激光束1与工件5法线夹角不超过15°，保护气4与工件5表面夹角为45°～50°，焊丝8与工件5表面保持15°～75°夹角。采用前置送丝方法，焊丝8与激光束1保持光丝间距W_X(焊丝半径±光斑半径)，光丝间距在此范围内，熔滴才可以平稳过渡。焊丝8从光束1前方伸入坡口10间隙中，由激光束1热源熔化焊丝后填充间隙。

激光-GMAW复合焊开始在激光填丝焊焊缝15的表面上进行时，如图4所示，设计一种使保护气体和焊丝同轴的装置12，该装置12与激光光束1在同一平面内，激光束1与工件5表面法线夹角为10°～20°，同轴装置12与工件5表面夹角为40°～50°左右，采用激光光束1在前，电弧14在后的复合热源形式，光丝间距W_X为0～5mm，采用电压20V、电流240A的电弧，激光功率为1KW。电弧在激光束的压缩作用下进入工件窄间隙坡口16，并稳定燃烧。

该方法所用的激光器为工业中成熟应用的千瓦级激光器，弧焊电源以及高精度送丝机，可以焊接多种材料，并且针对10mm以上厚板，具有很强的通用性。

填丝或复合焊接过程中，由于前面一道焊接的表面质量和坡口熔合情况时后道焊接表面质量都有重要影响。因此，在每道焊缝焊接完成以后，利用CCD(Charge-Coupled-Device)进行高速摄像，将光学影像转化为数字信号来对焊缝表面位置进行重新测量，并相应调整激光束的焦点位置和焊丝送进位置。为保证坡口尺寸可以填充完成，送丝速度与焊接速度、间隙的横截面面积、焊丝的横截面面积之间的关系如下方程式所示。

V_{F} = \frac{V_{W} \cdot A_{G}}{A_{F}}

在方程中：V_F为送丝速度，单位为m/min；A_G为间隙横截面面积，单位为mm²；V_W为焊接速度，单位为m/min；A_F为焊丝横截面面积，单位为mm²。

具体焊接规范参数如下：

实例1：

焊接材料：船用结构钢板(150*75*18mm³)

自熔焊时：V焊＝0.5m/min，p＝3kw

填丝焊时：V焊＝0.4m/min、V送＝4.2m/min、P＝4kw、Δf＝-1mm、

Δx＝-0.35mm、保护气体为Ar+CO₂、气流量＝1.0m³/h，坡口角度1.5°

复合焊时：V焊＝0.6m/min、V送＝4.2m/min、I＝230A、P＝1kw、

Δf＝-1mm、Δx＝3mm、保护气体为Ar+CO₂、气流量＝1.0m³/h，坡口角度10°。

实例2：

焊接材料：船用结构钢板(150*75*18mm³)

自熔焊时：V焊＝0.6m/min，p＝4kw

填丝焊时：V焊＝0.5m/min、V送＝4.3m/min、P＝4kw、Δf＝0mm、Δx＝0mm、保护气体为Ar+CO₂、气流量＝1.1m³/h，坡口角度3.5°

复合焊时：V焊＝0.7m/min、V送＝4.4m/min、I＝240A、P＝1.5kw、Δf＝0mm、Δx＝4mm、保护气体为Ar+CO₂、气流量＝1.1m³/h，坡口角度15°

实例3：

焊接材料：船用结构钢板(150*75*18mm³)

自熔焊时：V焊＝0.5m/min，p＝5kw

填丝焊时：V焊＝0.6m/min、V送＝4.5m/min、P＝4kw、Δf＝1mm、Δx＝0.65mm、保护气体为Ar+CO₂、气流量＝1.2m³/h，坡口角度6°

复合焊时：V焊＝0.8m/min、V送＝4.5m/min、I＝250A、P＝2.5kw、Δf＝1mm、Δx＝5mm、保护气体为Ar+CO₂、气流量＝1.2m³/h，坡口角度30°

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种面向厚板的激光焊接方法，在厚板上预留间隙或者预开一个带钝边的坡口，采用激光自熔焊在焊缝处焊一道进行打底，再进行激光填丝焊，焊丝与激光束保持15°～75°夹角，焊丝从激光束前方伸入坡口间隙中，当填丝焊无法填充满坡口间隙时，最后进行激光-GMAW复合焊，完成厚板的焊接；所述预留间隙值均小于等于0.5mm，用于填丝焊的预开坡口宽度小于等于2.5mm，用于复合焊的预开坡口宽度小于等于10mm。

2.根据权利要求1所述的面向厚板的激光焊接方法，其特征在于，在进行激光填丝焊时，焊丝与激光束保持15°～75°夹角，焊丝从激光束前方伸入坡口间隙中，光丝间距为W_X，W_X＝焊丝半径±光斑半径；复合焊时激光在前，焊丝在后，激光与焊丝的间距为0～5mm。

3.根据权利要求1或2所述的面向厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述坡口的形状为“Y型”。

4.根据权利要求1或2所述的面向厚板的激光焊接方法，其特征在于，填丝焊的坡口角度为1.5～6°。

5.根据权利要求1或2所述的面向厚板的激光焊接方法，其特征在于，激光-GMAW的坡口角度为6～30°。