CN104384717A - 一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法 - Google Patents

一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法，包含导电嘴(4)的设计、打底焊道(6)的焊接、填充焊道(7)的数道叠加焊接以及盖面焊道的焊接，导电嘴的有效长度L=[H/cosθ]+5mm，填充焊丝(5)的有效伸出长度为K，被焊工件(3)的坡口间隙(2)控制在D=6～10mm，打底焊道焊接时激光束(1)与焊接方向之间的夹角控制在80～85°且激光束焦点取负值，填充焊道焊接时激光束与焊接方向之间的夹角控制在85～90°且激光束焦点取正值，填充焊丝与打底焊道之间的倾角θ控制在20～60°，每道填充焊道焊接后要对其焊缝表面进行清理并清除被焊工件侧壁上产生的焊渣，最后完成盖面焊道的焊接，消除未熔合缺陷。

Description

一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法
技术领域
本发明属于焊接加工技术领域，尤其涉及到一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法。
背景技术
厚板焊接技术在船舶制造、海洋工程、核电设备等领域有着广泛的应用，将壁厚≥30mm且坡口间隙为5～10mm的焊接称其为窄间隙焊接，将坡口间隙≤5mm的焊接称其为超窄间隙焊接。
对于上述窄间隙焊接主要包括有NG-MAW、NG-SAW和NG-TIG，这些窄间隙电弧焊接方法虽能大幅度提高焊接制造效率，但由于焊接缺陷难以控制、焊接热输入高等不足因素，并未获得广泛应用。
与窄间隙电弧焊接方法相比，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，可进一步减小热输入、焊接热影响区宽度及焊接变形，具有良好的发展前景，但是窄间隙激光填丝焊接方法多采用聚焦激光束直接做用于焊丝末端，通过深熔焊接模式将焊丝熔化填充窄间隙形成焊缝，其不足之处在于熔池尺寸小，可适用窄间隙和板厚的范围有限，易产生坡口侧壁未熔合和气孔缺陷。
尽管国内外研究者先后发明了基于双光束如US5155323、三光束如CN102059452B和旋转双光束如US4088865的窄间隙激光填丝焊接方法，但均存在各自的局限性：
采用双光束焊接时，激光束作用在焊缝熔池两侧，熔池中心没有激光束的作用，熔池中心搅拌不充分，容易产生焊缝气孔及层间未熔合缺陷；
采用三光束焊接时，虽然消除了双光束焊接过程中焊缝中心热量不足导致的缺陷，但三光束要求较大的间隙宽度且坡口间隙适用性较差，制约了该方法的可焊板厚范围和填充效率低；
采用旋转双光束焊接时，光束对焊缝熔池的搅拌作用强，减少了焊缝气孔，但是光束的旋转降低了焊丝填充稳定性，易产生焊接飞溅。
将摆动激光和热丝相结合用于厚板窄间隙的焊接方法还尚未见到相关报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法，该方法将摆动激光与热丝技术相结合并应用于厚板窄间隙焊接，激光束沿窄间隙两侧往复摆动可以增大熔池尺寸，抑制侧壁未熔合缺陷并提高间隙及板厚适用范围，且摆动光束对焊接熔池的搅拌作用强，可抑制焊缝气孔，再结合焊丝预热可提高填充效率，是实现厚板窄间隙优质高效焊接的可行途径。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法，设定厚板的厚度为H，摆动激光形成的焊缝宽度为d，设定坡口间隙宽度为D，d﹥D且D=6～10mm；设定激光束焦点与被焊工件待焊面之间的偏距为Def而其单位为mm，当激光束焦点位于被焊工件待焊面以下时Def取负值，当激光束焦点位于被焊工件待焊面以上时Def取正值，当激光束焦点与被焊工件待焊面重合时Def取0；该方法使用到激光器、光纤、导电嘴、填充焊丝、可编程一维扫描振镜及焊接电源；该方法包含导电嘴的设计、打底焊道的焊接、填充焊道的数道叠加焊接以及盖面焊道的焊接，其它未述部分按常规焊接执行，其中填充焊丝与打底焊道之间的倾角为θ，本发明的特征如下：
导电嘴的设计：
导电嘴的有效长度L=[H/cosθ]+5mm，导电嘴的前段厚度T=3mm，导电嘴的前段宽度W=6mm，导电嘴的内孔根据填充焊丝的直径而定，填充焊丝装在导电嘴内的有效伸出长度为K；
打底焊道的焊接：
将两被焊工件放在水平操作台上并使两被焊工件的坡口间隙控制在所述D，设定焊接方向沿坡口间隙中心线自右至左并平行于水平操作台，激光束与所述焊接方向之间的夹角控制在80～85°，激光束的功率控制在6.2～6.8kW，激光束的所述Def取负值，激光束的焊接速度控制在0.4～1.0m/min，在上述参数控制下对两被焊工件实施一次打底焊道的熔透焊接；
填充焊道的数道叠加焊接：
将激光束聚焦辐照在打底焊道表面，激光束与所述焊接方向之间的夹角控制在85～90°，激光束的所述Def取正值，激光束辐照在打底焊道表面的激光光斑直径控制在1～2mm，填充焊丝位于激光束的左侧，填充焊丝与打底焊道之间的倾角θ控制在20～60°，填充焊丝的末端需伸入所述激光光斑直径范围内，通过施加在导电嘴的电流和电压对填充焊丝进行预热，预热电流控制在80～200A，预热电压控制在6～10V；激光束相对坡口间隙宽度中心线的摆动倾角ψ控制在1～3°并满足d/D=1.1～1.2，在激光束的功率3～5kW下其激光束和填充焊丝的焊接速度控制在0.3～0.8m/min，填充焊丝的送丝速度控制在3.0～8.0m/min，填充焊道的单道填充焊缝厚度控制在1.0～4.0mm，通过填充焊道的数道叠加焊接使得焊缝接近被焊工件的上表面并预留盖面焊道；在每道填充焊道焊接后要对其焊缝表面进行清理并清除被焊工件侧壁上产生的焊渣；
盖面焊道的焊接：
根据上述填充焊道的焊接程序对预留盖面焊道实施摆动激光-热丝焊接直至坡口间隙被完全填充。
上述填充焊丝装在导电嘴内的有效伸出长度K≤15mm。
对每道填充焊道焊接后的焊缝表面采用不锈钢丝刷和丙酮进行清理。
由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：
1、本发明首先通过摆动激光焊接使得被焊工件侧壁根部处于激光束的直接辐射范围内，打底焊道焊接消除了厚板窄间隙激光填丝焊接过程中易产生的侧壁未熔合缺陷。
2、通过采用摆动激光-热丝焊接相结合的方式，解决了填充焊道的焊接和盖面焊道的焊接，降低了激光熔池深宽比且对熔池金属进行了充分搅拌，消除了焊缝气孔及层间未熔合缺陷。
3、通过采用本发明的导电嘴使将填充焊丝的有效伸出长度得到控制，提高了焊丝末端的刚度，降低了激光束摆动时对焊丝末端和焊丝金属熔滴过渡稳定性的不利影响。
4、通过对填充焊丝进行预热，提高了填充焊丝的熔化效率。
5、本发明中激光束的摆动宽度可根据被焊工件的坡口间隙宽度进行灵活调节，适应能力较强。
6、本发明所采用激光束焦点位于焊道表面以上，有利于提高板厚范围。
附图说明
图1是厚板窄间隙摆动激光-热丝焊接方法的原理示意简图。
图2是间隙宽度与焊缝宽度关系示意简图。
图3是焊丝与激光束光斑重叠系数示意简图。
图4是导电嘴结构示意简图。
图5是图4的俯视图。
上述图中：1-激光束；2-坡口间隙；3-被焊工件；4-导电嘴；5-填充焊丝；6-打底焊道；7-填充焊道。
具体实施方式
本发明是一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法，本发明采用高功率激光束对钝边进行熔透焊接，实现打底焊道的单面焊双面成形，然后对坡口间隙实施数道叠加的摆动激光-热丝焊接，最终采用摆动激光-热丝焊接进行盖面焊道的焊接，所有焊缝均采用单层单道焊接方法。
厚板的厚度≥30mm，如厚板的厚度H=35mm，摆动激光形成的焊缝宽度为d=7mm，设定坡口间隙宽度为D=6。本发明的厚板材料不限，填充焊丝根据厚板材料而定，比如选用10CrNi3MoV钢，其填充焊丝选用WM960S。
设定激光束焦点与被焊工件待焊面之间的偏距为Def而其单位为mm，当激光束焦点位于被焊工件待焊面以下时Def取负值，当激光束焦点位于被焊工件待焊面以上时Def取正值，当激光束焦点与被焊工件待焊面重合时Def取0。
本发明使用到激光器、光纤、导电嘴、填充焊丝、可编程一维扫描振镜及焊接电源。激光器产生的激光束通过光纤传输至可编程一维扫描振镜，再由可编程一维扫描振镜聚焦后辐照在被焊工件待焊面。焊接电源与导电嘴联接。比如激光器选用IPG YLS10000型光纤激光器，可编程一维扫描振镜选用HIGHYAG BIMO可编程一维扫描振镜，焊接电源选用Fronuis TPS5000型焊接电源。
本发明的方法包含导电嘴的设计、打底焊道的焊接、填充焊道的数道叠加焊接以及盖面焊道的焊接，其它未述部分按常规焊接执行，其中填充焊丝与打底焊道之间的倾角为θ，本发明的特征如下：
结合图4-5，导电嘴4的有效长度L=25mm，导电嘴4的前段厚度T=3mm，导电嘴的前段宽度W=6mm，导电嘴4的内孔根据填充焊丝5的直径而定，填充焊丝5装在导电嘴4内的有效伸出长度为K=15mm。
结合图1-2，将两被焊工件3放在水平操作台上并使两被焊工件的坡口间隙2控制在所述D=6mm，设定焊接方向沿坡口间隙中心线自右至左并平行于水平操作台，激光束1与所述焊接方向之间的夹角控制在83°，通过扫描振镜可以控制激光束在焊缝中心线两侧且以上述参数往复运动的过程称之为摆动激光，激光束1的功率控制在6.5kW，激光束1的所述Def=-2mm，激光束1的焊接速度控制在1.0m/min，在上述参数控制下对两被焊工件3实施一次打底焊道6的熔透焊接，熔透焊接的结果是全熔透焊缝，可以提高激光小孔的稳定性，降低焊接气孔，其次熔透焊接时不填充焊丝5，最后由于激光束与所述焊接方向之间的夹角是83°，可以有效避免反射激光对激光头产生不利影响。
结合图1-3，将激光束1聚焦辐照在打底焊道6表面，激光束与所述焊接方向之间的夹角控制在85°，激光束的所述Def=10mm，激光束辐照在打底焊道表面的激光光斑直径控制在2mm，填充焊丝5位于激光束1的左侧，填充焊丝5装在导电嘴4内的有效伸出长度K=15mm，填充焊丝5与打底焊道5之间的倾角θ控制在45°，填充焊丝的末端需伸入所述激光光斑直径范围内，通过施加在导电嘴的电流和电压对填充焊丝进行预热，预热电流控制在100A，预热电压控制在8V；激光束相对坡口间隙宽度中心线的摆动倾角ψ控制在1.5°并满足d/D=1.2，坡口间隙按长度方向如图1所示是横向的则摆动倾角ψ沿坡口间隙宽度是纵向的；在激光束的功率3.5kW下其激光束和填充焊丝的焊接速度控制在0.5m/min，填充焊丝的送丝速度控制在7.0m/min，填充焊道的单道填充焊缝厚度控制在3.0mm，通过填充焊道7的数道叠加焊接使得焊缝接近被焊工件的上表面并预留盖面焊道；在每道填充焊道7焊接后要对其焊缝表面进行清理并清除被焊工件侧壁上产生的焊渣，对每道填充焊道7焊接后的焊缝表面采用不锈钢丝刷和丙酮进行清理。
根据上述填充焊道的焊接程序对预留盖面焊道实施摆动激光-热丝焊接直至坡口间隙被完全填充。
焊后对被焊工件的焊缝进行宏观金相分析，焊缝横截面上未出现侧壁未熔合现象和焊缝气孔缺陷，且焊缝X射线探伤未发现焊接气孔，焊缝质量满足《GB/T 22085.1 电子束和激光束焊接接头缺陷质量分级指南（第1部分 钢）》 标准B级要求。
本发明的方法同样适用于超窄间隙焊接，为了公开本发明而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是：本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的所有变化和改进。

Claims (3)

1.一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法，设定厚板的厚度为H，摆动激光形成的焊缝宽度为d，设定坡口间隙(2)宽度为D，d﹥D且D=6～10mm；设定激光束(1)焦点与被焊工件(3)待焊面之间的偏距为Def而其单位为mm，当激光束(1)焦点位于被焊工件(3)待焊面以下时Def取负值，当激光束(1)焦点位于被焊工件(3)待焊面以上时Def取正值，当激光束(1)焦点与被焊工件(3)待焊面重合时Def取0；该方法使用到激光器、光纤、导电嘴(4)、填充焊丝(5)、可编程一维扫描振镜及焊接电源；该方法包含导电嘴(4)的设计、打底焊道(6)的焊接、填充焊道(7)的数道叠加焊接以及盖面焊道的焊接，其它未述部分按常规焊接执行，其中填充焊丝(5)与打底焊道(6)之间的倾角为θ，其特征是：
导电嘴(4)的设计：
导电嘴(4)的有效长度L=[H/cosθ]+5mm，导电嘴(4)的前段厚度T=3mm，导电嘴(4)的前段宽度W=6mm，导电嘴(4)的内孔根据填充焊丝(5)的直径而定，填充焊丝(5)装在导电嘴(4)内的有效伸出长度为K；
打底焊道(6)的焊接：
将两被焊工件(3)放在水平操作台上并使两被焊工件(3)的坡口间隙(2)控制在所述D，设定焊接方向沿坡口间隙(2)中心线自右至左并平行于水平操作台，激光束(1)与所述焊接方向之间的夹角控制在80～85°，激光束(1)的功率控制在6.2～6.8kW，激光束(1)的所述Def取负值，激光束(1)的焊接速度控制在0.4～1.0m/min，在上述参数控制下对两被焊工件(3)实施一次打底焊道(6)的熔透焊接；
填充焊道(7)的数道叠加焊接：
将激光束(1)聚焦辐照在打底焊道(6)表面，激光束(1)与所述焊接方向之间的夹角控制在85～90°，激光束(1)的所述Def取正值，激光束(1)辐照在打底焊道(6)表面的激光光斑直径控制在1～2mm，填充焊丝(5)位于激光束(1)的左侧，填充焊丝(5)与打底焊道(6)之间的倾角θ控制在20～60°，填充焊丝(5)的末端需伸入所述激光光斑直径范围内，通过施加在导电嘴(4)的电流和电压对填充焊丝(5)进行预热，预热电流控制在80～200A，预热电压控制在6～10V；激光束(1)相对坡口间隙(2)宽度中心线的摆动倾角ψ控制在1～3°并满足d/D=1.1～1.2，在激光束(1)的功率3～5kW下其激光束(1)和填充焊丝(5)的焊接速度控制在0.3～0.8m/min，填充焊丝(5)的送丝速度控制在3.0～8.0m/min，填充焊道(7)的单道填充焊缝厚度控制在1.0～4.0mm，通过填充焊道(7)的数道叠加焊接使得焊缝接近被焊工件(3)的上表面并预留盖面焊道；在每道填充焊道(7)焊接后要对其焊缝表面进行清理并清除被焊工件(3)侧壁上产生的焊渣；
盖面焊道的焊接：
根据上述填充焊道(7)的焊接程序对预留盖面焊道实施摆动激光-热丝焊接直至坡口间隙(2)被完全填充。
2.根据权利要求所述一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法，其特征是：填充焊丝(5)装在导电嘴(4)内的有效伸出长度K≤15mm。
3.根据权利要求所述一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法，其特征是：对每道填充焊道(7)焊接后的焊缝表面采用不锈钢丝刷和丙酮进行清理。
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