CN104551391A - 一种激光增强水下gmaw熔滴过渡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法，该方法包括：将熔化极焊炬置于水下焊接装置内部，激光器置于水下焊接装置外部或内部；将激光器射出的激光束引入到水下焊接装置内部的GMAW焊接熔滴过渡缩颈处，且该激光束与熔化极焊炬呈一定夹角并沿焊接方向排列在一条直线上。通过采用本发明公开的方法，可实现低焊接电流条件下的电弧稳定、熔滴大小统一、定向的喷射过渡状态，并对水下焊接熔滴过渡时机进行精确控制，并可在更宽泛的条件下自由选择电流来控制焊缝熔透和熔池形貌，在不明显增强额外热输入的前提下获得良好的焊缝成型。

Description

一种激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法

技术领域

本发明涉及水下焊接工程技术领域，尤其涉及一种激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法。

背景技术

海洋油气开发及核电建设是目前中国能源发展的主要方向，海底管道及核电站内部设施的修复急需先进的水下焊接技术作为支撑。GMAW(熔化极气体保护焊)焊接具有高效率和便于实现自动化等优点，对于情况紧急、环境复杂、作业费用昂贵的水下修复而言是非常有利的，但其受水下环境影响显著，焊接过程稳定性差，因此目前研究和应用受到较大限制。

熔滴过渡是GMAW的基本物理现象，稳定的熔滴过渡是获得优质焊缝的前提，喷射过渡电弧稳定，熔滴大小统一，可以实现无飞溅的定向熔滴过渡，是过渡模式的首选。控制熔滴过渡意味着在可控热量输入的情况下改善焊接质量。但对于连续电流而言，电流值需要高于形成喷射过渡所需的临界值才能实现喷射过渡，而这个临界电流值通常很大。即使使用脉冲电流，脉冲电流的峰值电流也必须高于临界电流值。高峰值电流的主要作用是产生电磁力来分离熔滴，但高峰值电流会产生不良的副作用，由于电弧压力与电流的平方成正比，高电弧压力可能将液态金属吹离熔池。对于全熔透焊缝，高弧压很容易导致焊穿。使用大电流还会导致高的热输入、高的焊接变形及残余应力，而焊接残余应力是核电站内部构件发生应力腐蚀裂纹(SCC)的首要诱因。即使对于脉冲GMAW焊接而言，产生喷射过渡的电流范围一般也非常狭窄，并随许多焊接条件而改变，这将导致与喷射过渡相关的电流和热输入太高以至于不能适用于超薄或热敏感材料，同时由于狭窄的焊接条件范围，可能无法保证使用预先选定的焊接参数，这在核电站等重要结构件的水下焊接中会受到限制。

由于熔滴过渡在GMAW焊接中的重要作用，国内外研究人员对熔滴过渡控制进行了大量研究。Elliott K等人利用波形控制方法，在熔滴的短路初期降低输出电流，使熔滴在熔池里平稳铺展形成液桥，随后提高短路电流，在电磁收缩力的作用下使熔滴产生缩颈，当小桥即将破断时，再次降低电流，使熔滴在表面张力作用下过渡。美国肯塔基大学张裕明教授研究团队通过电流从峰值到基值的切换激发熔滴振荡，利用熔滴振荡的向下动能，降低分离熔滴所需的电流值，从而激活熔滴主动分离过程并监测液滴振荡；当液滴向下移动时，电流切换到峰值电流产生喷射行为并形成分离液滴；通过熔滴向下动能和电磁力使得熔滴分离，可以不需要传统脉冲GMAW焊接那样高的焊接电流。

虽然上述各种方法均可以实现一定程度的GMAW焊接熔滴过渡控制，但其控制都局限在一定的电流范围内，电流仍然是熔滴过渡的主要影响因素，水下焊接过程的稳定性和焊缝质量仍有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法，实现低焊接电流条件下的电弧稳定、熔滴大小统一、定向的喷射过渡状态，并对水下焊接熔滴过渡时机进行精确控制，并可在更宽泛的条件下自由选择电流来控制焊缝熔透和熔池形貌，在不明显增强额外热输入的前提下获得良好的焊缝成型。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法，该方法包括：

将熔化极焊炬置于水下焊接装置内部，激光器置于水下焊接装置外部或内部；

将激光器射出的激光束引入到水下焊接装置内部的GMAW焊接熔滴过渡缩颈处，且该激光束与熔化极焊炬呈一定夹角并沿焊接方向排列在一条直线上。

进一步的，所述激光束与熔化极焊炬分别位于母材垂直线两侧，熔化极焊炬与母材垂直线夹角β为0°～30°，激光束与熔化极焊炬夹角α为30°～60°。

进一步的，所述GMAW焊接熔滴过渡缩颈的位置由焊接电流、焊接电压、干伸长度、环境压力与焊接速度参数共同确定。

进一步的，GMAW焊接的保护气为纯氩气或氩气与二氧化碳的混合气。

进一步的，当激光器置于水下焊接装置内部时，根据周围环境压力的大小对激光头做相应耐压防护处理；

当激光器置于水下焊接装置外部时，使用水下密闭装置将激光器与周围水环境隔离，并将激光束垂直通过高纯度石英玻璃后导入水下焊接装置内并作用于GMAW焊接熔滴过渡缩颈处。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，可使水下环境GMAW熔滴过渡摆脱对焊接电流的主导性依赖，在传统GMAW焊接熔滴过渡方式为短路过渡、大滴过渡的参数范围内，实现低焊接电流、小热输入条件下的电弧稳定、熔滴大小统一并且定向的喷射过渡，并可以对水下焊接熔滴过渡时机进行精确控制，提高了水下焊接过程的稳定性和焊缝质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法的原理图；

图2为本发明实施例提供的用于实现激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

本发明实施例提供一种激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法，该方法主要包括如下步骤：

将熔化极焊炬置于水下焊接装置内部，激光器置于水下焊接装置外部或内部；

将激光器射出的激光束引入到水下焊接装置内部的GMAW焊接熔滴过渡缩颈处，且该激光束与熔化极焊炬呈一定夹角并沿焊接方向排列在一条直线上。

焊接过程中，激光束产生的反冲作用力减弱了周围压力环境对熔滴过渡的不利影响，促进熔滴过渡的形成，并可以通过激光束的入射角度、激光功率、脉冲频率、离焦量与光斑直径等参数的调节，控制熔滴的过渡形式、过渡轨迹和熔滴尺寸大小，使水下GMAW焊接熔滴过渡克服了水下压力环境带来的负面影响，摆脱了对焊接电流的主导性依赖，在传统水下GMAW焊接熔滴过渡方式为短路过渡、大滴过渡的焊接参数范围内，实现了电弧稳定、熔滴大小统一、定向的喷射过渡状态，降低了焊接电流和焊接热输入，并可以对水下焊接熔滴过渡时机进行“一脉一滴”的精确控制，提高了水下焊接过程的稳定性和焊缝质量。

进一步的，所述激光束与熔化极焊炬分别位于母材垂直线两侧，熔化极焊炬与母材垂直线夹角β为0°～30°，激光束与熔化极焊炬夹角α为30°～60°。

进一步的，所述GMAW焊接熔滴过渡缩颈的位置由焊接电流、焊接电压、干伸长度、环境压力与焊接速度参数共同确定。在所述焊接参数范围内，即环境压力低于0.6MPa，焊接电流低于160A，随着焊接电压减小、焊接电流增大、环境压力增大，电弧弧长会减小，焊丝缩颈位置下移；在导电嘴与焊接工件距离不变的条件下，干伸长度变化影响着焊丝熔化速率与焊接电流，干伸长越大，焊接电流越大，弧长越短；在导电嘴与焊接工件距离不变的条件下，弧长变短，焊丝缩颈位置向下偏移。焊接速度的变化影响着焊接熔池的余高，焊接速度低时，熔池余高大，在导电嘴与焊接试件距离不变以及其他焊接参数不变的条件下，电弧区向上移动，焊丝缩颈向上偏移。

进一步的，GMAW焊接的保护气为纯氩气或氩气与二氧化碳的混合气。

进一步的，当激光器置于水下焊接装置内部时，根据周围环境压力的大小对激光头做相应耐压防护处理；

当激光器置于水下焊接装置外部时，使用水下密闭装置将激光器与周围水环境隔离，并将激光束垂直通过高纯度石英玻璃后导入水下焊接装置内并作用于GMAW焊接熔滴过渡缩颈处。

进一步的，所述激光器产生的激光可以为连续激光，也可以为脉冲激光；当产生脉冲激光时，激光的峰值持续时间、谷值持续时间、峰值功率密度、谷值功率密度、平均功率密度的大小与环境压力、焊接电流、焊接电压、焊接保护气体种类、焊接速度、干伸长度等参数有关，数值大小决定着熔滴过渡形式、过渡频率、熔滴尺寸与过渡时机。

另外，所述激光光斑直径与焊丝直径有关，光斑直径一般不大于焊丝直径的1.5倍。

示例性的，图2为用于实现激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法的装置结构示意图，该图中将激光器设置在水下焊接装置外部，图2中的附图标记含义如下：1、激光器；2、激光器与水下焊接装置连接装置；3、水下焊接装置；4、水下焊接操作平台；5、水下焊接运动平台；6、焊丝定位调节装置；7、熔化极焊炬；8、激光束。

基于图2所示的结构对焊件尺寸为600mm×200mm×10mm，材料为Q345的低碳钢进行平板堆焊试验。熔化极焊炬置于高压焊接试验舱(水下焊接装置)内部，激光器置于高压焊接试验舱外部。激光束与熔化极焊炬呈一定夹角，沿焊接方向排列在一条直线上。通过激光器与高压焊接试验舱的连接装置，将舱外的激光引入并作用于舱内熔化极焊炬的熔滴过渡缩颈处，通过选择合理的焊接参数与激光器参数，进行激光增强焊接试验。具体的焊接参数如表1所示。

焊接参数	值
		焊接速度v(m/min)	0.3
离焦量Δf/mm	0
		干伸长度度L/mm	15
焊丝直径d/mm	1.0
		脉冲激光峰值功率P/kw	4
脉冲激光谷值功率P/kw	0
		脉冲激光峰值持续时间(ms)	30
脉冲激光谷值持续时间(ms)	30
		GMAW电流I/A	150
GMAW电压U/V	32
		作用点光斑直径d1/mm	0.9
保护气流量L/min	20
		压力环境(表压)Pa	0.3
α(度)	60
		β(度)	10

表1焊接参数

本发明实施例的方案可使水下环境GMAW熔滴过渡摆脱对焊接电流的主导性依赖，在传统GMAW焊接熔滴过渡方式为短路过渡、大滴过渡的参数范围内，实现低焊接电流、小热输入条件下的电弧稳定、熔滴大小统一并且定向的喷射过渡，并可以对水下焊接熔滴过渡时机进行精确控制，提高了水下焊接过程的稳定性和焊缝质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种激光增强水下GMAW熔滴过渡控制方法，其特征在于，该方法包括：

将熔化极焊炬置于水下焊接装置内部，激光器置于水下焊接装置外部或内部；

将激光器射出的激光束引入到水下焊接装置内部的GMAW焊接熔滴过渡缩颈处，且该激光束与熔化极焊炬呈一定夹角并沿焊接方向排列在一条直线上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束与熔化极焊炬分别位于母材垂直线两侧，熔化极焊炬与母材垂直线夹角β为0°～30°，激光束与熔化极焊炬夹角α为30°～60°。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GMAW焊接熔滴过渡缩颈的位置由焊接电流、焊接电压、干伸长度、环境压力与焊接速度参数共同确定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，GMAW焊接的保护气为纯氩气或氩气与二氧化碳的混合气。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

当激光器置于水下焊接装置内部时，根据周围环境压力的大小对激光头做相应耐压防护处理；

当激光器置于水下焊接装置外部时，使用水下密闭装置将激光器与周围水环境隔离，并将激光束垂直通过高纯度石英玻璃后导入水下焊接装置内并作用于GMAW焊接熔滴过渡缩颈处。