CN103801833A - 一种厚板窄间隙激光填丝焊接方法 - Google Patents

一种厚板窄间隙激光填丝焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种厚板的窄间隙激光填丝焊接方法，属于激光材料加工技术领域。本发明的特征在于，采用正离焦激光束，激光束进入待焊工件窄间隙坡口，同时作用于坡口底部及侧壁，以热导焊模式形成焊接熔池。填充焊丝以前送丝方式进入熔池，通过熔池加热熔化，填充间隙形成焊缝，采用单道多层焊接的方式实现厚板的连接。本发明采用热导焊模式及熔池加热熔化焊丝的方式，焊接过程稳定。同时，激光束作用于坡口侧壁，可有效避免侧壁未熔合等焊接缺陷的产生。

Description

一种厚板窄间隙激光填丝焊接方法
技术领域
一种厚板的窄间隙激光填丝焊接方法，属于材料加工技术领域。 
背景技术
厚板焊接结构在船舶制造、海洋工程、核电设备、航空航天等领域有着广泛应用，尤其在核电设备领域厚板应用最多，板厚范围也最大，比如反应堆压力容器多采用大厚度不锈钢板焊接而成，而有些容器壁厚最高可达250mm。目前厚板焊接的方法主要是氩弧焊(TIG)、窄间隙埋弧焊和窄间隙熔化极气体保护焊。由于这些焊接方法的热输入量大，焊接接头组织较粗大，接头残余应力及变形大。 
相比常规焊接方法，窄间隙激光填丝焊接方法结合了激光焊和窄间隙焊的双重优势，具有热输入小、焊接热影响区及焊接变形小等优点，作为一种高效的厚板焊接方法，越来越受到重视。已有的厚板的窄间隙激光填丝焊接技术多采用聚焦光斑作用于焊丝，通过深熔焊接模式将焊丝熔化填充间隙形成焊缝。此方法可焊接的板厚范围较小，且易出现焊接气孔及底部未熔合等缺陷。这是由于激光光束发散角的存在，间隙宽度必须要足够大才能保证光束不被坡口上端表面或侧面阻挡而作用于坡口底部。随着所焊板厚的增加间隙宽度随之增大。但当间隙较大时，由于激光能量高度集中，激光焊的熔宽有限，所以会出现侧壁未熔合缺陷。这种光的可达性和侧壁未熔合问题的矛盾限制了窄间隙激光焊可焊板厚的范围。另外由于采用深熔焊接模式的多层焊，深熔小孔的不稳定闭合会产生大量焊接气孔影响焊接质量稳定性。 
对于厚板大于40mm的厚板，在已有的窄间隙激光填丝焊接研究中，多采用6mm～10mm的间隙，聚焦光斑并配合多光斑组合或光束在间隙中摆动的方式完成焊接，通过多光斑组合及光束的摆动增加熔宽来解决侧壁未熔合缺陷。由于采用聚焦光斑在间隙中的适应性较差，导致焊接间隙较宽，虽然可通过以上方式解决，但操作难度较大，成本较高，且可焊的板厚范围仍然 受到限制，目前单面窄间隙激光焊的最大板厚仅为60mm。清华大学的温鹏等人在论文《填充热丝激光窄间隙焊接的实验研究》中公布了一种填充热丝的窄间隙激光热导模式焊接方法，其原理是利用正离焦光束作用于坡口底部形成熔池，焊丝从后方送入熔池，侧壁不被熔化，利用电流加热的焊丝熔化后与侧壁作用形成结合。该方法在一定程度上抑制了侧壁未熔合的产生也增大了窄间隙激光焊可焊板厚的范围，但由于侧壁处接收能量仍较小，熔化量小，当出现坡口直角或焊丝送入不稳定情况时，易出现侧壁及底部未熔合缺陷。 
发明内容
本发明的目的是在于避免上述大厚板窄间隙焊中出现的侧壁未熔合及气孔缺陷，而提供一种稳定高效的厚板窄间隙激光焊接方法。 
本发明的目的是通过如下措施来达到的：采用正离焦激光束，激光束进入待焊工件窄间隙坡口，同时作用于坡口底部及侧壁，以热导焊模式形成焊接熔池，填充焊丝以前送丝方式进入熔池，通过熔池加热熔化，填充间隙形成焊缝，采用单道多层焊的方式实现厚板的连接。 
以上所述的厚板的窄间隙激光填丝焊方法，其特征在于：坡口形式可为I型、U型或V型坡口。 
以上所述的厚板的窄间隙激光填丝焊方法，其特征在于：所述的窄间隙宽度范围为2mm～10mm。 
本发明的原理是利用正离焦光束作用于坡口底部及底部侧壁，利用激光照射及反射能量熔化侧壁，从而减少侧壁未熔合的产生。采用的热导焊模式避免了焊接中小孔型气孔的产生，而利用焊丝距光斑一定距离，焊丝被熔池熔化的方式，不涉及光直接作用于焊丝引起不规则反射及飞溅，故熔池平稳，避免了焊接气孔和飞溅的产生，保证了焊接质量稳定性。同时由于离焦光束比聚焦光束有良好的间隙适应性，从而可以适用更窄的间隙，利用超窄间隙来降低激光焊对侧壁未熔合的敏感性，另外也显著增大的窄间隙激光焊的可焊板厚范围。由于热导焊不涉及小孔中金属蒸气等微粒的喷发，保护气体更易达到的间隙底部，从而可以显著提高可保护的板厚范围为大厚度板的焊接 提供了条件，同时也提高了保护效果。 
本发明的优点是相比常规窄间隙激光焊技术，具有侧壁熔化更为充分，焊接气孔倾向更小，焊接变形小，热影响区小及焊接质量稳定性高的优点。 
附图说明
图1：适用于大厚板的超窄间隙激光填丝焊的方法示意图， 
图2：利用激光光束直接照射及反射促进侧壁熔化示意图。 
图中：1.激光光束，2.焊接坡口，3.大厚度板，4.焊接熔池，5.焊缝，6.焊丝，7.导丝嘴。 
本实例的实施方式参见附图1。激光束垂直于水平面，焊丝与激光束夹角为45°，采用前置送丝形式。 
具体实施方式
本实例中，工件为两件对接的60mm厚的304不锈钢板，坡口宽度为3.5mm，钝边厚度为2mm，坡口深度为58mm。采用不锈钢焊丝ER347直径为1mm。采用IPG公司YLS-6000光纤激光器。焊接参数为：焊接速度0.36m/min，焊接功率为4200W，送丝速度为3.1m/min，离焦距离为54mm，光斑直径为4mm。焊丝与光束的距离为2mm。采用侧吹的气体保护形式，保护气流量为25L/min，保护气体为纯度为99.9%的氩气，保护气喷嘴直径为7mm。本发明实例焊接接头成形良好，焊缝宽度为3.8mm，观察焊缝横截面未发现侧壁未熔合及焊接气孔等缺陷。 

Claims (3)

1.一种厚板的窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：采用正离焦激光束，激光束进入待焊工件窄间隙坡口，同时作用于坡口底部及侧壁，以热导焊模式形成焊接熔池，填充焊丝以前送丝方式进入熔池，通过熔池加热熔化，填充间隙形成焊缝，采用单道多层焊接的方式实现厚板的连接。
2.根据权利要求1所述的厚板的窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：坡口形式为I型、U型或V型坡口。
3.根据权利要求1所述的厚板的窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：所述的窄间隙宽度范围为2mm～10mm。
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