CN103394815B - 一种环缝激光-gma复合焊接的方法 - Google Patents

Abstract

一种环缝激光-GMA复合焊接的方法，它涉及材料加工工程领域。它要解决现有环缝激光-GMA电弧复合焊接存在的焊缝背面成形不连续，表面有液态金属下趟和未焊透的问题。方法：一、坡口加工；二、点固；三、焊接，即完成环缝激光-GMA复合焊接。本发明激光束从11点钟角度入射起弧，具有自动化程度高，稳定性高，熔深大，热输入低和较好的间隙适应能力等优势，取消预热和重新装配环节，提高焊接生产效率。本发明环缝激光-GMA复合焊接，焊缝背面成形连续，表面不存在下趟和未熔透的缺陷。

Description

一种环缝激光-GMA复合焊接的方法

技术领域

本发明涉及一种封闭式罐体环焊缝的激光-GMA复合焊接方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

环焊缝接头是一种非常普遍的接头形式，被广泛应用于石油管道、压力容器储罐以及飞机、导弹、船舶等储气、储液罐体的焊接等方面。我国管道环焊缝主要焊接工艺有：纤维素焊条和自保护药芯焊丝半自动焊的组合工艺(SMAW+FCAW，通常称为半自动焊)、富氩混合气体保护自动焊工艺(GMAW，通常称为自动焊)和纤维素焊条和低氢焊条的组合工艺(SMAW，通常称为手工焊)。其中西气东输工程主要应用了自保护药芯焊丝半自动焊和全位置自动焊为主，焊条电弧焊为辅的焊接方法。一重集团采用了窄间隙埋弧自动焊的方法焊接了300MW核反应堆压力容器球形顶盖向心环缝，获得了达到产品设计要求的焊接产品。我国环焊缝的焊接方法主要集中在电弧自动焊为主，手工电弧焊为辅的阶段。采用传统的电弧自动焊和手工电弧焊的环焊缝焊接方法在获得满足质量要求的焊缝的同时也存在诸多问题：焊缝坡口较大，焊缝的熔覆金属多，焊接工作量大；而且焊接时，需要焊前预热，碳弧气刨清根，刨槽，打磨，焊后热处理，焊后矫正等，焊接工序多，工人劳动强度大，焊接变形和应力大，焊接效率低，焊接质量也受到影响。

总之，采用上述传统焊接方法进行焊接虽然其工艺成熟、生产成本低，但是存在焊接工序多，热输入大，变形大，易产生缺陷，应力变形不易控制，生产效率低等问题。激光-GMA复合焊以其稳定性高，熔深大，热输入低和较好的间隙适应能力，能够有效减少上述问题，非常适合于环焊缝的焊接。

目前，激光-GMA电弧复合焊接已经应用于环焊缝焊接领域。2000年，德国FraunhoferILT研究所首次将世界上第一个激光-GMA电弧复合焊接技术成功地应用到了5～8mm厚储油罐壁焊接的批量生产当中，并且焊缝质量经鉴定符合德国TUV标准。2002年，ILT研制的复合焊接壁厚在2.4mm到14.4mm之间的不锈钢管的纵缝连接技术也通过了Lloyd’sRegister中心的鉴定(根据ASMESectionIXEdition2001标准)，投入到了实际生产之中。与传统焊接相比，焊接速度提高10倍以上。2007年，美国加州GeneralDynamicsNASSCO造船厂将激光-电弧复合焊接技术应用到了船体AH-36钢管的焊接应用之中。对于壁厚为0.5英寸、直径分别为4、6、8英寸的钢管，采用4.5kW的YAG激光和Miller脉冲GMA电弧复合焊接即可一次性熔透，焊缝质量满足美国ABS(AmericanBureauofShipping)标准，而且焊接过程中焊缝边缘也不需要清理，大大节省了焊前准备时间。

由以上实例可见，激光-GMA复合焊接已经成功应用于环焊缝焊接领域，并且在获得满足要求的焊缝质量的同时较大程度地提高了焊接效率。但是，现有的激光-GMA复合焊接技术在焊接环焊缝时，施焊位置一般情况下都是作用于环型焊缝的最高点12点位或者1点位，且激光束垂直于水平面设置，然后通过工件的转动完成整个环焊缝的焊接。在此位置进行的激光-GMA复合焊接在一定程度上存在焊缝背面成形不连续，表面有液态金属下趟，未熔透或焊瘤等缺陷。

30CrMnSi激光-GMA复合焊接工艺参数对焊缝成形的影响”，胡佩佩等，应用激光，第33卷第2期，第164～168页，2013年4月15日，公开了一种对接焊缝激光-GMA复合焊接的方法，但该方法存在表面有液态金属下趟的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有环缝激光-GMA电弧复合焊接存在的焊缝背面成形不连续，表面有液态金属下趟和未焊透的问题，而提供一种环缝激光-GMA复合焊接的方法。

一种环缝激光-GMA复合焊接的方法，按以下步骤实现：

一、坡口加工：采用机加工方法将待焊件的对接接口加工出Y型坡口，坡口角度为30～70°，钝边尺寸为3～8mm，然后采用机械打磨除去坡口表面的氧化层，再用丙酮清洗坡口表面的油污；

二、点固：在环焊缝的相距180°的两个位置用单激光对焊缝坡口钝边进行点固，点固激光功率为500～2000W，出光时间1～2s；

三、焊接：设定工艺参数，激光束和GMA焊枪呈45°夹角，激光束入射点定位于环缝的11点钟位置上，激光束与电弧热源间距D_LA为1mm～3mm，对接间隙为0.2mm～1.0mm，然后打开激光器和电弧电源，启动激光-电弧复合焊接的控制系统，进行焊接，即完成环缝激光-GMA复合焊接。

本发明环缝激光-GMA复合焊接，激光束从11点钟角度入射起弧，具有自动化程度高，稳定性高，熔深大，热输入低和较好的间隙适应能力等优势，取消预热和重新装配环节，提高焊接生产效率。

本发明在环缝激光-GMA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。

本发明环缝激光-GMA复合焊接，焊缝背面成形连续，不存在下趟和未熔透的缺陷，接头在复合热源共同作用下形成一个熔池，使熔池的流动更加充分，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。与传统电弧焊相比，采用激光-GMA复合焊从11点位进行环缝焊接，不仅焊缝坡口尺寸减小，钝边增加；而且减少了碳弧气刨清根，刨槽，打磨等工序，缩短工作周期，提高了焊接效率。同时，传统电弧焊接速度一般为0.12m/min～0.30m/min，而采用激光-电弧复合焊接的速度一般0.6m/min-1.5m/min之间，焊接速度提高5倍以上，在较低的线能量情况下一次焊接的熔深可达6mm以上，极大的提高了焊接效率，减少了焊缝金属熔覆量，节省焊材，从而降低成本。

附图说明

图1为实施例中环缝激光-GMA复合焊接环焊缝起弧点位置示意图；

图2为实施例中环缝激光-GMA复合焊接环焊缝起弧点实际位置图；

图3为实施例中环缝激光-GMA复合焊接的焊缝成形的内视图；

图4为实施例中环缝激光-GMA复合焊接的焊缝成形外视图；

图5为实施例中环缝激光-GMA复合焊接的焊缝成形剖视图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式环缝激光-GMA复合焊接的方法，按以下步骤实现：

一、坡口加工：采用机加工方法将待焊件的对接接口加工出Y型坡口，坡口角度为30～70°，钝边尺寸为3～8mm，然后采用机械打磨除去坡口表面的氧化层，再用丙酮清洗坡口表面的油污；

二、点固：在环焊缝的相距180°的两个位置用单激光对焊缝坡口钝边进行点固，点固激光功率为500～2000W，出光时间1～2s；

三、焊接：设定工艺参数，激光束和GMA焊枪呈45°夹角，激光束入射点定位于环缝的11点钟位置上，激光束与电弧热源间距D_LA为1mm～3mm，对接间隙为0.2mm～1.0mm，然后打开激光器和电弧电源，启动激光-电弧复合焊接的控制系统，进行焊接，即完成环缝激光-GMA复合焊接。

本实施方式中针对的是大于5mm厚的焊缝。

本实施方式中进行点固以防止焊接过程中环缝装配发生变化。

本实施方式中待焊件为同种类的金属或合金，实施焊接所采用的焊丝采用与待焊件相对应的焊丝。

本实施方式中设定工艺参数由本领域技术人员根据具体的待焊件类型，依据公知常识做出调整。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中坡口角度为45°，钝边尺寸为4mm。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中点固激光功率为1000W，出光时间1.5s。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中激光束与电弧热源间距D_LA为1.5mm，对接间隙为0.3mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中激光器为YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中电弧为熔化极惰性气体保护焊(MIG)或熔化极活性气体保护焊(MAG)。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

采用下述实验验证本发明效果：

实施例：

环缝激光-GMA复合焊接的方法，按以下步骤实现：

一、坡口加工：采用机加工方法将待焊件的对接接口加工出Y型坡口，坡口角度为60°，钝边尺寸为4mm，然后采用机械打磨除去坡口表面的氧化层，再用丙酮清洗坡口表面的油污；

二、点固：在环焊缝的相距180°的两个位置用单激光进行点固，激光功率为1200W，出光时间1s；

三、焊接：设定工艺参数，激光束和GMA焊枪呈45°夹角，激光束入射点定位于环缝的11点钟位置上，激光束与电弧热源间距D_LA为1.5mm，对接间隙为0.4mm，然后打开激光器和电弧电源，启动双面激光-电弧复合焊接的控制系统，进行焊接，即完成环缝激光-GMA复合焊接。

本实施例步骤三中激光器为YAG固体激光器；电弧为熔化极活性气体保护焊(MAG)。

本实施例中待焊件为30CrMnSiA，采用的焊丝为H18CrMoA，获得8mm厚度的环焊缝的焊接，工艺参数如表1所示。

表1

本实施例工艺参数中打底层焊接的主要任务是熔透钝边，所以激光热源起主要作用，应选用较大功率，而电弧电流不宜过大。

本实施例工艺参数中填充层焊接的主要任务为填满坡口，实现连接，所以电弧热源起主要作用，应选用较大规范；而激光热源只起引导电弧作用，应选用较小的功率。

对比实验：对于材料为30CrMnSiA的8mm厚度的环焊缝的焊接，其目前采用的焊接工艺为钨极氩弧填丝焊，虽然其工艺成熟，但是该工艺焊接速度为120～150mm/min，且为了避免焊接裂纹的产生，其预热和重新装配环节较大地限制了30CrMnSi的焊接生产效率。由于其焊接过程为手工操作，所以存在焊接质量不稳定的问题。工人在工件预热250～300℃的条件下进行焊接作业，劳动条件恶劣。

本实施例中复合焊接环焊缝起弧点位置参见图1和图2，焊缝成形如图3、4和5所示，可见一方面接头在复合热源共同作用下形成一个熔池，使熔池的流动更加充分，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；另一方面接头采用两层焊，相较于之前手工TIG四层焊，降低了焊接接头的焊接应力和变形，提高了焊接质量。

与传统电弧焊相比(即对比实验)，采用本实施例中环缝激光-GMA复合焊接，不仅焊缝坡口尺寸减小，钝边增加；而且减少了碳弧气刨清根，刨槽，打磨等工序，缩短工作周期，提高了焊接效率。同时，传统电弧焊接速度一般为0.12m/min～0.30m/min，而采用激光-电弧复合焊接的速度一般0.6m/min-1.5m/min之间，焊接速度提高3倍以上，在较低的线能量情况下一次焊接的熔深可达6mm以上，极大的提高了焊接效率，减少了焊缝金属熔覆量，节省焊材，从而降低成本。

Claims (1)

1.一种环缝激光-GMA复合焊接的方法，其特征在于它按以下步骤实现：

一、坡口加工：采用机加工方法将待焊件的对接接口加工出Y型坡口，坡口角度为60°，钝边尺寸为4mm，然后采用机械打磨除去坡口表面的氧化层，再用丙酮清洗坡口表面的油污；

二、点固：在环焊缝的相距180°的两个位置用单激光进行点固，激光功率为1200W，出光时间1s；

三、焊接：设定工艺参数，激光束和GMA焊枪呈45°夹角，激光束入射点定位于环缝的11点钟位置上，激光束与电弧热源间距D_LA为1.5mm，对接间隙为0.4mm，然后打开激光器和电弧电源，启动激光-GMA复合焊接的控制系统，进行焊接，即完成环缝激光-GMA复合焊接；

步骤三中所述的激光器为YAG固体激光器；步骤三中所述的电弧为熔化极活性气体保护焊电弧；步骤三中采用H18CrMoA焊丝进行焊接；

步骤三中设定工艺参数具体如下：打底层的激光功率为3000W～3500W，电弧电流为120A～150A，光丝间距为1.5mm，离焦量为-1mm，焊接速度为1000mm/min，保护气成分为Ar+5％～10％CO₂，保护气体流量为25L/min～30L/min；填充层的激光功率为1000W，电弧电流为200A～220A，光丝间距为1.5mm，离焦量为-1mm，焊接速度为1000mm/min，保护气成份为Ar+5％～10％CO₂，保护气体流量为25L/min～30L/min；

步骤一中所述的待焊件为30CrMnSiA。