CN104985326A

CN104985326A - 一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法

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Publication number: CN104985326A
Application number: CN201510446174.5A
Authority: CN
Inventors: 杨雨禾; 雷正龙; 陈彦宾; 陈曦; 李鹏; 张可召
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2015-10-21

Abstract

一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，它涉及一种焊接方法。本发明的方法为：一、待焊接部位加工，夹具固定；二、保持InFocus焊枪与T型接头面板纵向面之间的夹角α为30°～45°，与T型底板的夹角β为30°；三、设定两侧激光功率均为1000W～3000W；两侧电弧电流均为200A～900A；电弧焊枪气体流量为15L/min～30L/min，焊接速度为1.0m/min～5.0m/min；四、实施焊接。相对于传统的TIG电弧400A的峰值，电流作用力和能量密度较大，可实现匙孔焊接，熔深大，焊接速度快，提高了焊接效率，在焊接中厚板时，可通过增大焊接电流，降低激光功率，使焊接成本降低。

Description

一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法

技术领域

本发明涉及一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

T型结构在船舶、航天航空和车辆等工业应用广泛，随着船舶、航天航空和车辆向大吨位和大运载能力的发展，对厚板T型结构的需求越来越多，因此，提高厚板T型接头的焊接效率和焊接质量具有十分重要的意义。目前对于T型接头，广泛采用的焊接工艺都是先将一面焊缝焊好后，用碳弧气刨在其另一面作清根工作或刨出坡口，再焊接另外一面焊缝的方法。其缺点是焊接效率低、焊接周期长，焊接变形大，单侧依次顺序双面焊焊接第一道焊缝后，立板容易弯曲及向焊缝倾斜；此外第一道焊缝的微小缺陷将导致第二道焊缝出现焊接过程不稳定，出现气孔和裂纹；T型接头在焊接区域的传导方式是三维的，与平面相比，冷却速度更快且存在差异，裂纹倾向性更大，因此传统的T型接头焊接质量也受到很大影响，满足不了重要结构件的质量要求。

美国的EWI等研究机构利用两台激光器提供双光束，虽然解决了焊接热源不对称问题，实现了T型接头的激光同步焊接，并成功用于飞机带筋壁板的焊接，但设备复杂，成本极高限制了其应用，而且激光形成的熔池较小，熔覆金属粉量较少，焊接效率低。将一台高功率激光器分成两束形成的双光束，可以克服一些困难，但受分光镜及空间限制，调焦装配困难，对位置精度要求高，所需激光器总功率在4000W(CO₂Laser)以上，成本也难以控制。

专利201110006606采用双面激光-电弧复合焊接技术，开发一种两束激光和两电弧焊枪分别在接头两侧形成激光-电弧复合并同步进行焊接的方法，这种方法虽然简化了焊接工序，也有良好的焊接效果，但是由于电弧焊熔深较小，焊缝熔深主要由激光产生，因此激光功率的大小显著影响了能焊透板的厚度，在焊接中厚板时，采用两侧同步InFocus焊接方法难以一次焊透，而采用激光同步焊接或激光-电弧复合并同步进行焊接需要的激光器功率较大，为了进一步降低焊接成本，本发明提出一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法。

发明内容

本发明旨在针对中厚板T型接头激光-电弧复合同步焊接中，电弧熔深小，激光功率要求大，成本高等问题存在的问题，提出一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法。

本发明的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤一：将工件的待焊接部位加工成坡口或不进行处理，焊接前，对双面对称焊接坡口及其两侧表面30mm范围内表面进行打磨，然后用丙酮清洗坡口及坡口两侧表面；

步骤二:将工件固定在夹具上待焊；

步骤三:保持激光束和电弧与T型接头面板纵向面之间的夹角均为α，α为10°～45°，激光束与电弧之间的夹角β为30°～45°，调整阴极端点与激光焦平面的距离至2～3mm，两热源作用点相距1～2mm；

步骤四：设定工艺参数，两侧激光功率均为1000W～3000W；两侧电弧电流均为200A～900A；电弧焊枪气体流量为15L/min～30L/min，焊接速度为1.0m/min～5.0m/min；

步骤五：打开激光焊机和电弧电源，启动双面激光-电弧复合焊接的控制系统，实施焊接。

InFocus技术是一种利用特殊材料设计制成的阴极，并且对阴极充分冷却，使电弧高度聚集于电极尖端，极大的提高了能量密度，电弧稳定性和电弧压力。InFocus技术具有传统的TIG焊的优点，尤其在于：(1)低投入，相比等离子弧焊、激光焊接，其设备成本大幅降低；(2)对装配要求低；(3)应用广泛，可适用于各种材料焊接，焊接参数可识别性好；(3)焊接烟尘小，飞溅小；(4)保护需求与TIG一致；(5)加工稳定性和可重复性好；

InFocus电弧受到机械压缩并优化了阴极冷却设计，这种新的InFocus技术解决了之前传统TIG电弧加工中的一些局限。使其具有一下优点：(1)电弧能量高度集中，能量利用率提高,电流峰值高达1000A，焊接效果类似激光匙孔焊接，焊接熔深显著增加，深宽比加大显著提高了生产效率；(2)电弧等离子体体积减小，气体保护效果更好；(3)无磁偏吹(4)InFocus焊枪设计科学，经久耐用，耗材更换简单，且更易实现机械化和自动化。

基于此，本发明提出一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法。

本发明包含以下有益效果：

T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法主要有以下几个优点：

(1)InFocus电弧电流峰值可以高达1000A，相对于传统的TIG电弧400A的峰值，电流作用力和能量密度较大，可实现匙孔焊接，熔深大，焊接速度快，极大的提高了焊接效率，在焊接中厚板时，可通过增大焊接电流，降低激光功率，使焊接成本降低；

(2)由于对阴极的强烈冷却，InFocus电弧受到外部约束大大降低等离子体体积，在焊接过程中，等离子体受到保护气的效果更好，电弧压力大大提高，无磁偏吹产生，提高焊接质量；

(3)InFocus焊枪设计小巧，激光-InFocus电弧复合焊接头端部体积尺寸可进一步缩小，减少了定位变量，可以提高定位精确度和稳定性，保证焊接精度和稳定性，提高焊缝质量。

附图说明

图1为双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法示意图；

图2为双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法焊接效果图；

图3为双侧激光-TIG电弧复合焊接方法焊接效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤二:将工件固定在夹具上待焊；

本实施方式的双侧激光-InFocus电弧复合焊接，InFocus焊枪采用Kjellberg公司生产的InFocus 1000A型号的焊机，在焊接时可根据板的厚度调节焊接电流的大小。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：激光束垂直于T型接头面板横向面法向，焊接是沿着T型接头面板横向面法向进行的。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不同的是：T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法是指在T型接头的两侧用两束激光和两InFocus焊枪分别在接头两侧形成激光-InFocus复合并同步进行焊接的方法。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：针对T型接头立板厚度大于15mm，面板厚度大于20mm的T型接头，先进行打底焊，再进行一次或者多次填充焊接。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：在打底焊和填充焊接过程中，InFocus焊枪与T型接头面板纵向面之间的夹角α介于30～45°，与T型底板的夹角β为30°。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的加工成坡口是指加工成Y型坡口。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的钝边为8mm～12mm，坡口角度为10°～30°。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的将工件的待焊接部位不进行处理是针对T型接头立板厚度小于或等于15mm，面板厚度小于或等于20mm的T型接头焊缝进行的。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：激光焊机所用的激光器为CO₂气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或者光纤激光器。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的设定工艺参数，两侧激光功率均为2000W～3000W；两侧电弧电流均为300A～900A；电弧焊枪气体流量为18L/min～30L/min，焊接速度为2.0m/min～5.0m/min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的设定工艺参数，两侧激光功率均为2000W～3000W；两侧电弧电流均为400A～900A；电弧焊枪气体流量为20L/min～30L/min，焊接速度为3.0m/min～5.0m/min。其它与具体实施方式一相同。

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

分别采用T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法与T型接头双侧激光-TIG电弧复合焊接方法来焊接4mm厚的2219铝合金T型接头。具体实验方法如下：

T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法：

步骤一：工件可一次焊透，无需加工坡口，焊接前，对两侧表面30mm范围内进行打磨，并用丙酮清洗坡口坡口两侧表面。

步骤二：将工件固定在夹具上待焊；

步骤三：保持激光束和电弧与T型接头面板纵向面(即xy平面)之间的夹角都为30°，激光束与电弧之间的夹角为40°，保证阴极端点距离激光焦平面的距离为5mm，两热源作用点相距1～2mm，激光束垂直于T型接头面板横向面法向(x方向)，焊接沿着T型接头面板横向面法向(x方向)进行。

步骤四：设定工艺参数，两侧激光功率分别为1000W；两侧电弧电流分别选择在600A；电弧焊枪气体流量在20L/min之间；焊接速度2.5m/min。

T型接头双侧激光-TIG电弧复合焊接方法步骤一、二、三均与上述相同。设定工艺参数为，两侧激光功率分别为2500W；两侧电弧电流分别选择在1000A；电弧焊枪气体流量在20L/min之间；焊接速度在1m/min。

图2，图3分别为采用T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法、T型接头双侧激光-TIG电弧复合焊接方法时焊接效果图。

可以看出，采用两种方法焊接T型接头时，均能得到成型均匀美观、缺陷较少的焊缝，双侧激光-TIG电弧复合焊接焊缝略宽。

当采用激光-InFocus焊接方法时，电弧电流峰值可以高达700A，InFocus电弧能量密度集中，可以实现匙孔焊接，与激光复合后可以实现双焦点焊接，从而可以降低激光能量，降低生产成本。而传统的TIG电弧等离子体体积较大，能量密度低，使得焊缝熔深较浅，在焊接较厚板时则需要激光功率较大。此外，与激光—TIG同步焊接相比，采用双侧激光-InFocus焊接单次熔深达到15mm以上，焊接速度提高5倍以上，焊接效率提高3～5倍，解决了激光与TIG焊接速度不同步的问题。

综上所述，T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法是一种成本较低高效的中厚板T型接头焊接方法。

Claims

1.一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：

步骤二:将工件固定在夹具上待焊；

2.根据权利要求1所述的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于激光束垂直于T型接头面板横向面法向，焊接是沿着T型接头面板横向面法向进行的。

3.根据权利要求1所述的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法是指在T型接头的两侧用两束激光和两InFocus焊枪分别在接头两侧形成激光-InFocus复合并同步进行焊接的方法。

4.根据权利要求1所述的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于针对T型接头立板厚度大于15mm，面板厚度大于20mm的T型接头，先进行打底焊，再进行一次或者多次填充焊接。

5.根据权利要求4所述的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于在打底焊和填充焊接过程中，InFocus焊枪与T型接头面板纵向面之间的夹角α介于30～45°，与T型底板的夹角β为30°。

6.根据权利要求1所述的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于所述的加工成坡口是指加工成Y型坡口。

7.根据权利要求6所述的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于所述的钝边为8mm～12mm，坡口角度为10°～30°。

8.根据权利要求1所述的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于所述的将工件的待焊接部位不进行处理是针对T型接头立板厚度小于或等于15mm，面板厚度小于或等于20mm的T型接头焊缝进行的。

9.根据权利要求1所述的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于激光焊机所用的激光器为CO₂气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或者光纤激光器。

10.根据权利要求1所述的一种T型接头双侧激光-InFocus电弧复合焊接方法，其特征在于所述的设定工艺参数，两侧激光功率均为2000W～3000W；两侧电弧电流均为400A～900A；电弧焊枪气体流量为20L/min～30L/min，焊接速度为3.0m/min～5.0m/min。