CN104551403A - 一种厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其步骤是：先在两待焊厚板之间设I型坡口或带厚钝边的深U型或深V型坡口，然后采用扫描振镜将激光束传输到焊缝，通过激光自熔焊进行打底，再进行激光扫描填丝焊接。在填丝焊接过程中，采用视觉检测系统实时检测坡口宽度，进而控制扫描振镜偏转的角度，使得激光束在焊缝两侧来回扫描，焊丝从激光束前方伸入坡口间隙，来回扫描的激光熔化焊丝；采用平面行动小车或环形导轨带动扫描振镜沿着焊缝移动，随着焊道的增加，调节扫描振镜，使得激光束能够在焊缝平面聚焦熔化焊丝。本发明能降低焊接热输入、减小焊接变形，从而获得焊接变形小、间隙侧壁熔合良好的厚板焊接接头，极大地提高了厚板焊接效率和焊接质量。

Description

一种厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法

技术领域

本发明属于先进制造的窄间隙焊接技术领域，具体是涉及一种厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，适合厚板的高效率高质量焊接。

背景技术

随着核电、海工、石化等行业的发展，大厚板（≥30mm）结构应用范围越来越多，对厚板的焊接接头变形、机械性能等提出了更高的要求。

窄间隙焊接技术是一种先进、高效的焊接技术，适合大厚板的焊接，在重型构件制造中大量应用。目前，应用于工业生产的窄间隙焊接技术主要是窄间隙电弧焊接技术，包括窄间隙TIG、窄间隙MIG/MAG、窄间隙埋弧焊技术。窄间隙电弧焊接在进行厚板焊接时需要开较大的坡口，由于较大的热量输入，焊接热影响区宽，焊接残余应力较大。与传统的电弧焊接相比较，激光焊接技术可将能量高度集中，热影响区较小，同时焊接速度高、焊接变形小。国内众多学者将窄间隙焊接技术与激光焊接技术结合起来，获得了窄间隙激光焊接技术。但是，目前的窄间隙激光焊接技术限于激光聚焦头的尺寸，无法在坡口较深的焊缝进行焊接，可焊接厚度局限在20mm以内，甚至需要开大坡口，失去窄间隙焊接的意义；而且激光聚焦斑点很小，桥接能力小，对焊缝两侧的坡口没有办法进行熔化，因此，在窄间隙激光焊接技术中，根部熔透、侧壁熔合依然是需要解决的关键问题，同时，光束如何能够准确熔化焊丝也是重点。

随着激光器制造技术的进步，高光束质量的光纤激光器、碟片激光器输出功率达到万瓦级，在单道焊接时能够获得较大的熔深。近年来，随着扫描振镜技术的兴起，YAG、光纤、碟片激光等可经过光纤传输，再采用扫描振镜进行偏转传输，使得激光束能够到达指定位置的速度、便捷性有了大大的提高，因此，产生了激光扫描焊接技术。然而，激光扫描焊接限于激光束从聚焦到工件的距离较长，只适合于薄板的高速焊接，但是由于在激光扫描焊接过程中，不需要摆动准直、聚焦单元，依靠振镜就可以快速、精确地偏转光束，将光束传输到指定的位置，在窄间隙坡中，能够简单快速地将激光传输到达焊缝侧壁，因此，将振镜扫描技术引入到窄间隙激光焊接技术能够解决侧壁熔合问题，同时，快速扫描能够降低热输入，减小焊接变形。

发明内容

本发明的目的在于针对厚板焊接中存在的问题和不足，提供一种将激光扫描焊接技术与窄间隙焊接技术巧妙结合，能够降低焊接热输入、减小焊接变形，极大提高厚板焊接效率和焊接质量的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特点是包括以下步骤：

A）在两待焊厚板之间设置I型坡口或带厚钝边的深U型或深V型坡口；

B）采用扫描振镜将激光器产生的激光束传输到坡口内，通过激光自熔焊进行打底；

C）完成打底后，进行激光扫描填丝焊接：

在填丝焊接过程中，采用视觉检测系统实时检测坡口宽度，进而控制扫描振镜偏转的角度，并采用小车或环形导轨带动扫描振镜沿着坡口来回移动，使得激光束在坡口两侧来回扫描，焊丝从激光束前方伸入坡口内，通过来回扫描的激光束熔化焊丝，随着焊道的增加，需调节扫描振镜，使得激光束能够在坡口平面聚焦熔化焊丝。

其中，上述激光束通过柔性光纤传输到扫描振镜，再经过扫描振镜中X、Y轴振镜片的偏转传输到坡口指定位置，激光束与焊丝之间的夹角为15°～75°，且激光束与焊丝的距离为0～1mm，扫描振镜的护镜至坡口表面的距离为0～150mm。

上述两待焊厚板之间的I型坡口的坡口宽度为9～12mm。

上述两待焊厚板之间的带厚钝边的深U型或深V型坡口的坡口宽度为9～12mm，坡口角度为1°～2°，钝边厚度为6～10mm。

上述激光束扫描的范围大于坡口宽度，使得坡口侧壁能够完全熔合。

上述激光束的扫描间距为0～2mm，扫描速度为0～1000mm/s。

上述扫描振镜能够实时调节Z轴的范围，确保激光束能够在坡口表面聚焦。

上述激光器的输出功率为1000W～10000W。

上述激光束在坡口内来回扫描的路径可以设置成直线或曲线。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）采用高功率高光束质量的激光，能够一次熔透0～10mm的根部，提高了焊接效率，减小了填充金属量，同时激光能量密度较高，相比较于电弧焊接，能够减小热输入及热影响区；

2）采用扫描振镜进行光束传导，焊缝表面与振镜之间的最大距离可达150mm，使得能够焊接厚板的厚度大大提高了，对于30mm以上的厚板能够开深U型或深V型坡口焊接；

3）采用扫描振镜，振镜高速偏转使得激光束在焊缝表面扫描速度最大可达到1000mm/s，而坡口的宽度为9～12mm，因此，激光束能够在坡口内高速来回振荡，能够起到搅拌熔池的作用，减少气孔；

4）采用视觉检测系统实时检测坡口宽度，再控制扫描振镜偏转的角度，使得激光束能够很好地到达坡口侧壁，而且激光束功率较高，确保熔透侧壁；

5）本发明适用于平板焊接和环缝焊接。采用的激光可以通过光纤进行传输，将扫描振镜及送丝机构搭载于平面行动小车，就可以实现平板的窄间隙激光扫描焊接；将扫描振镜及送丝机构固定于环形导轨就能够实现环缝窄间隙激光扫描焊接；

6）将窄间隙焊接技术、激光自熔焊技术、激光扫描焊技术有机地结合在一起，整合了各自的优点，应用于厚板的焊接，降低热输入，同时提高焊接效率和焊接质量、减小焊接变形。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明采用的窄间隙激光扫描填丝焊接系统的结构示意图。

图2为本发明所述两待焊厚板之间的I型坡口结构示意图。

图3为本发明所述两待焊厚板之间的带厚钝边的深U型坡口结构示意图。

图4为本发明所述两待焊厚板之间的的带厚钝边的深V型坡口结构示意图。

图5和图6为本发明的窄间隙激光扫描填丝焊接原理图。

图7、图8和图9为本发明焊接过程中的激光扫描轨迹示意图。

附图中标号：1为扫描振镜、2为激光束、3为焊丝、4为待焊厚板、5为送丝机、6为激光器、7为光纤、8为控制装置、9为保护气送气管、10为坡口一侧、11为激光扫描轨迹、12为坡口另一侧、13为焊缝中心、e为激光扫描间距、a为坡口宽度、t为钝边厚度、α和β为窄间隙不同坡口倾角、R为圆角半径、S为母材厚度。

具体实施方式

如图1-图9所示，本发明所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，包括以下步骤：

首先，在两待焊厚板之间设置I型坡口或带厚钝边的深U型或深V型坡口；其中，I型坡口的坡口宽度为9～12mm，带厚钝边的深U型或深V型坡口的坡口宽度为9～12mm，坡口角度为1°～2°，钝边厚度为6～10mm；

然后，采用扫描振镜将激光器产生的激光束传输到坡口内，激光器的输出功率为1000W～10000W，通过激光自熔焊进行根部打底；

最后，完成打底后，进行激光扫描填丝焊接：

在填丝焊接过程中，采用视觉检测系统实时检测坡口宽度，进而控制扫描振镜偏转的角度，激光束是通过柔性光纤传输到扫描振镜，再经过扫描振镜中X、Y轴振镜片的偏转传输到坡口指定位置，激光束与焊丝之间的夹角为15°～75°，激光束与焊丝的距离为0～1mm，扫描振镜的护镜至坡口表面的距离为0～150mm，并采用小车或环形导轨带动扫描振镜沿着坡口来回移动，使得激光束在坡口两侧来回扫描，扫描间距为0～2mm，扫描速度为0～1000mm/s，且扫描的范围大于坡口实时宽度（如图5所示），使得坡口侧壁能够完全熔合，且激光束在坡口内来回扫描的路径可以设置成直线或曲线，将焊丝从激光束前方伸入坡口内，通过来回扫描的激光束熔化焊丝，随着焊道的增加，需实时调节扫描振镜Z轴的范围，使得激光束能够在坡口平面聚焦熔化焊丝。

上述激光扫描填丝焊接，如果将扫描振镜及送丝机构搭载于平面行动小车，就可以实现平板的窄间隙激光扫描焊接；如果将扫描振镜及送丝机构固定于环形导轨就能够实现环缝窄间隙激光扫描焊接。

如图1所示，本发明采用的窄间隙激光扫描填丝焊接系统，包括扫描振镜1、送丝机构5、激光器6和控制装置8，其中激光器6产生的激光束2通过光纤7传输到扫描振镜1，扫描振镜1再将激光束2传输到待焊厚板4的焊缝内，送丝机构5将焊丝3从激光束2前方送入焊缝内。

实施例一：

焊接厚板为厚60mm的Q235碳钢板，如图2所示，两待焊厚板4之间设I型坡口，坡口宽度a为12mm。

将两待焊厚板4固定于工作台上，同时将由扫描振镜1、送丝管、保护气送气管9等组成的焊接头（如图6所示）固定于环形导轨上，调整扫描振镜与焊缝表面之间的距离。

在两待焊厚板4及焊接系统准备完成后，采用ER50-6焊丝，进行第一道焊接。设置激光功率为5000W，离焦量0，送丝速度500mm/min，振镜扫描速度100mm/s，扫描方式采用图7中的形式，扫描间距为0.4mm，焊接头在环形导轨上的行走速度为10mm/s。采用高纯氩保护，流量30Lmin。

在第一道焊缝完成后，将扫描振镜、送丝管、保护气送气管组成的焊接头复位，同时调整扫描振镜护镜与焊缝表面的距离，激光功率为4500W，扫描间距0.5mm，在其余参数不变的条件下进行第二道焊接。焊接过程中，与扫描振镜同轴的CCD检测装置实时检测焊缝宽度，控制振镜的偏转角度，确保坡口两侧熔透。如此重复进行，直至焊缝填满。焊接完成后检测试件，接缝底部焊透，两侧熔透，超声检测无缺陷。

实施例二：

焊接厚板为外径457mm、壁厚40mm的304L不锈钢，如图3所示，对两待焊厚板4开带厚钝边的深U型坡口，钝边厚度t为8mm，坡口宽度a为12mm，圆弧半径R为4.5mm。

将两待焊厚板4固定于夹紧机构，同时将由扫描振镜、送丝管、保护气送气管等组成的焊接头（如图6所示）固定于环形导轨上，调整扫描振镜与焊缝表面之间的距离。

在两待焊厚板4及焊接系统准备完成后，进行打底焊接。设置激光功率为5500W，离焦量0，焊接头在环形导轨上的行走速度为10mm/s。采用高纯氩保护，流量30Lmin。打底焊接过程中，扫描振镜不偏转，只起传导激光的作用。

在打底焊接完成后，进行第一道激光填丝焊接，采用ER308L焊丝，依据全位置焊接特点，将焊缝分为四个区域，分别为：平焊区、下坡焊区、仰焊区、上坡焊区，这四个区的激光功率分别为4000W、4000W、3800W、4300W，离焦量0，送丝速度为500mm/min，振镜扫描速度为100mm/s，扫描方式采用图8中的形式，扫描间距为0.5mm。采用高纯氩保护，流量30Lmin。焊接过程中，与扫描振镜同轴的CCD检测装置实时检测焊缝宽度，控制振镜的偏转角度，确保坡口两侧熔透。在第一道焊缝完成后，将扫描振镜、送丝管、保护气送气管组成的焊接头复位，同时调整扫描振镜护镜与焊缝表面的距离，在其余参数不变的条件下进行第二道焊接。如此重复进行，直至焊缝填满。焊接完成后检测试件，接缝底部焊透，两侧熔透，超声检测无缺陷。

实施例三：

焊接厚板为外径426mm、壁厚36mm的316L不锈钢，如图4所示，对两待焊厚板4开带厚钝边的深V型坡口，钝边厚度为10mm，坡口倾角α为20°、β为40°。

将两待焊厚板4固定于夹紧机构，同时将由扫描振镜、送丝管、保护气送气管等组成的焊接头（如图6所示）固定于环形导轨上，调整扫描振镜与焊缝表面之间的距离。

在两待焊厚板4及焊接系统准备完成后，进行打底焊接。采用设置激光功率为6000W，离焦量0，焊接头在环形导轨上的行走速度为12mm/s。采用高纯氩保护，流量30Lmin。打底焊接过程中，扫描振镜不偏转，只起传导激光的作用。

在打底焊接完成后，进行第一道激光填丝焊接，采用ER316L焊丝，将焊缝分为左右两个区域，采用上坡焊，激光功率设置为4500W，离焦量0，送丝速度为500mm/min，振镜扫描速度为110mm/s，扫描方式采用图9中的形式，扫描间距为0.6mm。采用高纯氩保护，流量30Lmin。焊接过程中，与扫描振镜同轴的CCD检测装置实时检测焊缝宽度，控制振镜的偏转角度，确保坡口两侧熔透。先对焊缝右边区域进行焊接，起弧点位置为焊缝最底部，收弧位置为焊缝顶部；在右边焊缝完成后再对左边区域进行焊接，参数不变，即完成第一道填丝焊接。在第一道焊缝完成后，将扫描振镜、送丝管、保护气管组成的焊接头复位，同时调整扫描振镜护镜与焊缝表面的距离，在其余参数不变的条件下进行第二道焊接。如此重复进行，直至焊缝填满。焊接完成后检测试件，接缝底部焊透，两侧熔透，X射线检测无缺陷。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特征在于包括以下步骤：

A）在两待焊厚板之间设置I型坡口或带厚钝边的深U型或深V型坡口；

B）采用扫描振镜将激光器产生的激光束传输到坡口内，通过激光自熔焊进行打底；

C）完成打底后，进行激光扫描填丝焊接：

在填丝焊接过程中，采用视觉检测系统实时检测坡口宽度，进而控制扫描振镜偏转的角度，并采用小车或环形导轨带动扫描振镜沿着坡口来回移动，使得激光束在坡口两侧来回扫描，焊丝从激光束前方伸入坡口内，通过来回扫描的激光束熔化焊丝，随着焊道的增加，需调节扫描振镜，使得激光束能够在坡口平面聚焦熔化焊丝。

2.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特征在于上述激光束通过柔性光纤传输到扫描振镜，再经过扫描振镜中X、Y轴振镜片的偏转传输到坡口指定位置，激光束与焊丝之间的夹角为15°～75°，且激光束与焊丝的距离为0～1mm，扫描振镜的护镜至坡口表面的距离为0～150mm。

3.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特征在于上述两待焊厚板之间的I型坡口的坡口宽度为9～12mm。

4.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特征在于上述两待焊厚板之间的带厚钝边的深U型或深V型坡口的坡口宽度为9～12mm，坡口角度为1°～2°，钝边厚度为6～10mm。

5.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特征在于上述激光束扫描的范围大于坡口宽度，使得坡口侧壁能够完全熔合。

6.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特征在于上述激光束的扫描间距为0～2mm，扫描速度为0～1000mm/s。

7.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特征在于上述扫描振镜能够实时调节Z轴的范围，确保激光束能够在坡口表面聚焦。

8.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特征在于上述激光器的输出功率为1000W～10000W。

9.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光扫描填丝焊接方法，其特征在于上述激光束在坡口内来回扫描的路径可以设置成直线或曲线。