CN104400226B - 一种双面激光-tig电弧复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，它涉及一种复合焊接方法。本发明的方法如下：一、将待焊工件坡口加工，清洗装夹具；二、将两套相对独立的激光-TIG电弧系统置于待焊工件两侧，调整位置；三、设置焊接工艺参数；四、启动系统进行焊接。本发明的双面激光-电弧复合焊接新方法主要是在焊接中厚板的时候采用双面开坡口，然后在板的两面同时采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接。其中，采用焊枪与激光工作头的一体化设计，保证了焊接的精度性，钨极端部和激光束延长线共同交于焊缝中心一点，双面的激光-电弧焊接过程沿同一方向同步进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法。
背景技术
众所周知，激光-电弧复合焊接作为一种新的现代激光焊接新方法，如图1所示，利用两种不同作用的热源相互作用，发挥其各自的优势，同时弥补了对方的不足，具有独特的优势：①高效节能；②增加焊缝熔深，稳定焊接电弧；③提高了焊接适应性，可进行高速焊接；④通过调节两种热源能量的匹配，改善焊缝成型。复合焊接过程中，激光热源主要有CO2激光，YAG激光，光纤激光等；电弧热源主要有：TIG，GMA,Plasma电弧等；其复合方式有同轴复合，旁轴复合，甚至是多电极与单激光复合。
目前，激光-TIG电弧主要应用于薄板和不等厚板焊接；激光-GMA电弧复合焊接主要应用于中厚板或者厚板焊接。但是，由于航天焊接对焊缝质量要求高，尤其是铝合金作为航天领域应用的一种主要材料，无论是采用激光-TIG复合焊接，还是激光-GMA复合焊接方法，焊缝过程的稳定性及焊缝成形较差，尤其是铝合金焊缝中存在明显的气孔缺陷，严重影响其在航天领域的应用。现有的方法中激光与TIG电弧双面焊接方法，焊缝过程等离子体稳定，焊缝成形良好，且焊缝并没有明显的气孔缺陷。
但是，在激光-TIG双面焊接方法中，如图2所示，存在以下问题，尤其是中厚板铝合金更为严重：
1、焊接件两侧受到两种不同性质热源的作用，两侧母材受热不对称，产生的工件变形也不对称，相互抵消作用不明显，使得焊缝变形较大，增加了焊后矫形的工作量；
2、由于激光和TIG电弧在工件的两侧，焊接件装夹时的预留间隙降低了激光的适应性，且激光和电弧的对中精度难度增加，易出现激光或电弧偏置现象，如图3所示。这些都增加了工件的装配难度，降低了工作效率；
3、在焊接铝合金等高反射率材料时，由于一侧为激光束作用，激光能量反射明显，导致能量浪费严重，利用率不高，提高了焊接成本。
这些缺点都限制了激光-TIG复合焊接和激光-TIG双面焊接方法的普及和应用，针对上述问题，本发明提出了一种针对中厚板焊接新的激光-电弧复合焊接新方法：双面激光-TIG电弧复合焊接新方法。
发明内容
本发明的目的是为了在针对激光-TIG双面焊接存在的上述问题，而提供了一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法。
本发明的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，具体操作如下：
步骤一：焊接前，将待焊工件的待焊接部位加工成双V型坡口，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二：将两套相对独立的激光-TIG电弧系统分别置于待焊工件两侧，保持两套激光器在一条轴线上，轴线与工件的夹角为60°～90°，调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为25°～55°；
步骤三：设置焊接工艺参数：激光功率为500～10000W，光斑直径为-4～+4mm；电弧电流为50～500A，焊接速度为50～500mm/min；
步骤四：在设置完成焊接工艺参数后，先通入保护气体，再将待焊接工件两侧的电弧同时起弧，在电弧稳定1～2s后，然后使待焊接工件两侧的激光器同时发出激光束，采用激光在前、电弧在后的焊缝方式，通过机器人控制激光头和焊枪，使得工件两侧的两套激光-TIG电弧系统共同运动完成双面激光-TIG电弧复合焊接。
本发明包含以下有益效果：
本发明的双面激光-电弧复合焊接新方法主要是在焊接中厚板的时候采用双面开坡口，然后在板的两面同时采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接，如图6所示。其中，采用焊枪与激光工作头的一体化设计，保证了焊接的精度性，钨极端部和激光束延长线共同交于焊缝中心一点，双面的激光-电弧焊接过程沿同一方向同步进行。
双面激光-电弧复合焊接新方法相比于激光-TIG复合焊的优点表现为以下几点：
1、双面激光-电弧复合焊接相对于激光-TIG双面复合焊的坡口钝边尺寸较小，在相同板厚的情况下提高了焊枪的可达性，保证了焊接过程定位精度和稳定性，提高焊缝质量；
2、由于激光-电弧复合热源同时在工件的两侧同步焊接，两侧热循环产生的应力场有相互抵消的作用，可以大幅度降低由于焊接应力产生的变形，相应地减少了焊后矫形的工作量，提高了焊接效率；
3、双面激光-电弧复合焊接在相同情况下减少了焊接道数，提高了焊接效率，降低了焊接成本；
4、焊接道数的减少降低了热输入，减少了焊缝组织经历的热循环的次数，有利于降低晶粒尺寸，同时还可以减少层间夹渣、气孔等焊接缺陷的产生，提高了焊缝质量。
附图说明
图1激光-电弧复合焊接示意图；
图2激光-TIG双面焊接主视图的示意图；
图3激光-TIG双面焊接截面图的示意图；
图4激光-TIG双面焊接过程电弧偏移时的焊缝成型电镜图；
图5激光-TIG双面焊接过程电弧和激光同时偏移时的焊缝成型电镜图；
图6双面激光-电弧复合焊接示意图；
图7双面激光-电弧复合焊接双V型坡口示意图；
图8双面激光-电弧复合焊接双U型坡口示意图；
图9双面激光-电弧复合焊接双Y型坡口示意图；
图10双面激光-电弧复合焊接带钝边双U型坡口示意图；
图11激光-TIG复合焊接的焊接接头成型示意图；
图12激光-TIG双面焊接的焊接接头成型示意图；
图13双面激光-TIG复合焊接的焊接接头成型示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，具体操作如下：
步骤一：焊接前，将待焊工件的待焊接部位加工成双V型坡口，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二：将两套相对独立的激光-TIG电弧系统分别置于待焊工件两侧，保持两套激光器在一条轴线上，轴线与工件的夹角为60°～90°，调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为25°～55°；
步骤三：设置焊接工艺参数：激光功率为500～10000W，光斑直径为-4～+4mm；电弧电流为50～500A，焊接速度为50～500mm/min；
步骤四：在设置完成焊接工艺参数后，先通入保护气体，再将待焊接工件两侧的电弧同时起弧，在电弧稳定1～2s后，然后使待焊接工件两侧的激光器同时发出激光束，采用激光在前、电弧在后的焊缝方式，通过机器人控制激光头和焊枪，使得工件两侧的两套激光-TIG电弧系统共同运动完成双面激光-TIG电弧复合焊接。
采用机器人集成系统控制本实施方式的焊接工艺参数。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不相同的是：所述的电弧焊接是采用钨极氩弧焊焊机进行的。其它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相同的是：电弧焊接方式为直流焊接或交流焊接。其它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相同的是：直流焊接方式为直流反极性焊接或直流正极性焊接。其它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相同的是：若待焊接工件为铝合金或镁合金，则采用直流反极性焊接。其它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相同的是：待焊接工件为中厚板，厚度为4-10mm；若为对接焊缝时，两板之间间隙为0～2mm。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不相同的是：激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不相同的是：保护气为惰性气体；所述的惰性气体为Ar气或He气。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不相同的是：保护气的流量为10～30L/min。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不相同的是：保护气的流量为10～20L/min。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不相同的是：保护气的流量为10～15L/min。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不相同的是：调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为30°～50°。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不相同的是：调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为35°～45°。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不相同的是：步骤三中设置焊接工艺参数：激光功率为1000～10000W，光斑直径为-4～+4mm；电弧电流为100～400A，焊接速度为100～400mm/min。其它与具体实施方式一至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不相同的是：步骤三中设置焊接工艺参数：激光功率为2000～10000W，光斑直径为-4～+4mm；电弧电流为200～400A，焊接速度为200～400mm/min。其它与具体实施方式一至十四之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不相同的是：步骤三中设置焊接工艺参数：激光功率为3000～10000W，光斑直径为-4～+4mm；电弧电流为300～400A，焊接速度为300～400mm/min。其它与具体实施方式一至十五之一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至四之一不相同的是：若待焊接工件表面不存在高熔点的氧化物，则采用直流正极性焊接；所述的高熔点的熔点温度为1200℃～3000℃。其它与具体实施方式一至四之一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，具体操作如下：
步骤一：焊接前，将待焊工件(待焊工件为8mm厚铝合金)的待焊接部位加工成双V型坡口，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二：将两套相对独立的激光-TIG电弧系统分别置于待焊工件两侧，保持两套激光器在一条轴线上，轴线与工件的夹角为85°，调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为25°～55°；
步骤三：设置焊接工艺参数：激光功率为2000W，光斑直径为-1mm；电弧电流为80A，焊接速度为600mm/min；
步骤四：在设置完成焊接工艺参数后，同时启动两套激光-TIG电弧系统，首先将待焊接工件两侧的电弧同时起弧，在电弧稳定1～2s后，待焊接工件两侧的激光器同时发出激光束，采用激光在前、电弧在后的焊缝方式，通过机器人控制激光头和焊枪，使得工件两侧的两套激光-TIG电弧系统共同运动完成双面激光-TIG电弧复合焊接。
本实施例的激光器采用光纤传输的YAG固体激光器；
本实施例的电弧焊接采用的是为满足自动化焊接的钨极氩弧焊焊机；
本实施例的钨极氩弧焊的焊接方式为交流焊；
本实施例的保护气体为氦气，流量为20L/min。
本实施例的焊接结果如图13所示，图11至13分别显示了采用不同焊接方法下对接接头成型示意图。可以看出，图11中激光-TIG复合焊焊缝成型为典型的“高脚杯”状，由于激光的能量密度较高，可以把能量传输到焊缝底部，而电弧能量密度较小，主要作用区域为焊缝上部，增加焊缝的熔宽，因此焊缝可以分为上部的电弧区和下部的激光区。图12中激光-TIG双面焊焊接成形为明显不对称的“束腰”状，即在激光和电弧相互作用的结合处出现母材熔化宽度比较小的情况，接头中部的最小熔宽直接影响焊缝性能。图13中双面激光-TIG复合焊接接头成型为明显的对称“束腰”状。这是因为焊接件两侧受到对称热源的同步作用，使得焊缝受到的温度场也是对称的，从而形成对称的焊接接头，保证了焊接质量。
Claims (11)
1.一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将待焊工件的待焊接部位加工成双V型坡口，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二：将两套相对独立的激光-TIG电弧系统分别置于待焊工件两侧，保持两套激光器在一条轴线上，轴线与工件的夹角为60°～90°，调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为25°～55°；
步骤三：设置焊接工艺参数：激光功率为500～10000W，光斑直径为-4～+4mm；电弧电流为50～500A，焊接速度为50～500mm/min；
步骤四：在设置完成焊接工艺参数后，先通入保护气体，再将待焊接工件两侧的电弧同时起弧，在电弧稳定1～2s后，然后使待焊接工件两侧的激光器同时发出激光束，采用激光在前、电弧在后的焊缝方式，通过机器人控制激光头和焊枪，使得工件两侧的两套激光-TIG电弧系统共同运动完成双面激光-TIG电弧复合焊接。
2.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于所述的电弧焊接是采用钨极氩弧焊焊机进行的。
3.根据权利要求1或2所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于电弧焊接方式为直流焊接或交流焊接。
4.根据权利要求3所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于直流焊接方式为直流反极性焊接或直流正极性焊接。
5.根据权利要求4所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于若待焊接工件为铝合金或镁合金，则采用直流反极性焊接。
6.根据权利要求4所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于若待焊接工件表面不存在高熔点的氧化物，则采用直流正极性焊接；所述的高熔点氧化物的熔点温度为1200℃～3000℃。
7.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于待焊接工件为中厚板，厚度为4～10mm。
8.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。
9.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于保护气为惰性气体。
10.根据权利要求1或9所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于保护气的流量为10～30L/min。
11.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于步骤三中设置焊接工艺参数：激光功率为1000～10000W，光斑直径为-4～+4mm；电弧电流为100～400A，焊接速度为100～400mm/min。
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