CN105108340B - 一种管道全位置激光‑mag复合焊接熔滴过渡控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种管道全位置激光‑MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，它涉及一种管道全位置激光‑MAG复合焊接熔滴过渡控制方法。本发明要解决管道全位置激光‑MAG复合焊接中熔滴过渡不稳的问题。本发明的方法为：一、对待焊接件进行加工装夹；二、将激光头与MAG焊枪刚性固定；三、设置焊接工艺参数；四、采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先MAG电弧起弧，在电弧稳定1～2S后，激光器发出激光，实现激光‑MAG复合焊接，最后控制机器人使得激光工作头和MAG焊枪共同运动完成全位置焊接过程。本发明应用于材料加工工程领域。

Description

一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法
技术领域
本发明涉及一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，属于材料加工工程领域。
背景技术
近年来，世界经济高速发展，石油及天然气用量日趋加大，作为一种经济、安全、快速的石油和天然气的长距离输送工具，油气输送管道在国民经济中占据了重要的地位。目前，国内外油气输送管道建设有两大趋势，一是采用大口径高压输送，采用高压输送可提高单位时间内的输送量，提高了输送效率。为了满足管道输送压力的不断提高，一方面需要管壁不断变厚，另一方面输送钢管也相应地迅速向高钢级发展。二是施工上追求高效、安全、低成本，焊接是管道施工中的重要一环，对焊接技术也提出了更高的要求。
目前比较常用的管道焊接方法是先打底焊接，再填充焊接，最后盖面焊接的管道焊接工艺。其中，打底焊的质量对于整个管道焊接效果至关重要，目前常用的打底焊方法有采用内衬垫、TIG、半自动焊。但这些焊接方法存在热输入的问题，而另一方面，其很难提高焊接速度和单层焊接厚度，因此管道焊接时间长，焊接效率仍然不高，且多层焊接消耗了大量的焊接材料与焊接人力。
激光-MAG复合热源焊接技术由提出至今已经发展了几十年时间，其在很多领域已有了相关的应用。在管道上，能提高焊接质量、效率；降低成本；无需焊工，施工过程全自动化，若能将激光-MAG用于打底焊，则能够提高焊接质量、效率；降低成本；施工过程全自动化。
但是，无论是MAG还是激光MAG，熔滴过渡行为会影响焊接稳定性，进而影响焊接质量。一般而言，在激光-MAG复合焊接中，我们希望得到射滴过渡或射流过渡的熔滴过渡模式，此时焊接过程稳定，飞溅小，焊缝成型良好，而不希望得到短路过渡或大滴过渡的熔滴过渡模式。而在全位置焊接中，重力的作用效果不断变化，熔滴过渡行为进一步复杂化，可能会造成焊缝成型缺陷，因此，控制全位置激光-MAG熔滴过渡行为就显得尤为重要。
发明内容
本发明旨在针对管道全位置激光-MAG复合焊接中熔滴过渡不稳的问题，从在管道全位置焊接中得到射滴或射流过渡模式的角度，提出了一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法。
本发明的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，它是按照以下步骤进行的：
一、焊接前，将待焊工件的待焊接部位加工成双v型坡口、双u型坡口、双Y型坡口或带钝边双U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；
二、将激光头与MAG焊枪刚性固定；
三、设置焊接工艺参数：焊接工艺参数分为焊接过程中不变工艺参数和实时变化工艺参数；
不变工艺参数：激光方向为垂直于管道的切线方向，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，焊接速度为50～500mm/min，保护气采用Ar气；
实时变化工艺参数：激光功率为2500～4500W，激光功率从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率逐渐减小300W～500W；
电弧电流为120～250A，电弧电流从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流逐渐减小10～20A；
保护气流量为20～30L/min，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量逐渐增大2～5L/min；
MAG焊枪角度为50°～70°，MAG焊枪角度从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度逐渐增大5～10°；
四、采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先MAG电弧起弧，在电弧稳定1～2S后，激光器发出激光，实现激光-MAG复合焊接，最后控制机器人使得激光工作头和MAG焊枪共同运动完成全位置焊接过程。
本发明的管道全位置激光-MAG复合焊接方法是指将激光-MAG复合焊接技术应用于管道全位置焊接中，其示意图如图1所示，本发明通过实时变化全位置焊接中的激光功率P，电弧电流I，焊枪角度以及保护气流量L，来实现激光-MAG全位置复合焊接过程中的全过程射流或射滴过渡已解决焊接过程不稳定现象。
附图说明
图1为本发明全位置激光-MAG复合焊接示意图；
图2为实施例1的全位置激光-MAG复合焊接的装置图；
图3为实施例1进行管道全位置焊接的12点位高速摄像图片；
图4为实施例1进行管道全位置焊接的3点位高速摄像图片；
图5为实施例1进行管道全位置焊接的6点位高速摄像图片；
图6为实施例1进行管道全位置焊接的12点位焊缝正反面宏观形貌电镜图；
图7为实施例1进行管道全位置焊接的3点位焊缝正反面宏观形貌电镜图；
图8为实施例1进行管道全位置焊接的6点位焊缝正反面宏观形貌电镜图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，它是按照以下步骤进行的：
一、焊接前，将待焊工件的待焊接部位加工成双v型坡口、双u型坡口、双Y型坡口或带钝边双U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；
二、将激光头与MAG焊枪刚性固定；
三、设置焊接工艺参数：焊接工艺参数分为焊接过程中不变工艺参数和实时变化工艺参数；
不变工艺参数：激光方向为垂直于管道的切线方向，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，焊接速度为50～500mm/min，保护气采用Ar气；
实时变化工艺参数：激光功率为2500～4500W，激光功率从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率逐渐减小300W～500W；
电弧电流为120～250A，电弧电流从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流逐渐减小10～20A；
保护气流量为20～30L/min，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量逐渐增大2～5L/min；
MAG焊枪角度为50°～70°，MAG焊枪角度从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度逐渐增大5～10°；
四、采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先MAG电弧起弧，在电弧稳定1～2S后，激光器发出激光，实现激光-MAG复合焊接，最后控制机器人使得激光工作头和MAG焊枪共同运动完成全位置焊接过程。
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：MAG采用FroniusTPS4000型MAG电弧焊机或光纤激光-MAG复合焊接头。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：步骤二中将激光头与MAG焊枪刚性固定是采用复合方式进行固定的，固定条件为保证MAG焊丝端点距离激光焦平面的距离为5mm，两热源作用点相距2～3mm。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：不变工艺参数：激光方向为垂直于管道的切线方向，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，焊接速度为100～500mm/min，保护气采用Ar气。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：不变工艺参数：激光方向为垂直于管道的切线方向，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，焊接速度为200～500mm/min，保护气采用Ar气。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：不变工艺参数：激光方向为垂直于管道的切线方向，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，焊接速度为300～500mm/min，保护气采用Ar气。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：实时变化工艺参数：激光功率为3000～4500W，激光功率从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率逐渐减小400W～500W；
电弧电流为150～250A，电弧电流从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流逐渐减小10～20A；
保护气流量为25～30L/min，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量逐渐增大3～5L/min；
MAG焊枪角度为60°～70°，MAG焊枪角度从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度逐渐增大5～10°。
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：实时变化工艺参数：激光功率为3500～4500W，激光功率从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率逐渐减小450W～500W；
电弧电流为200～250A，电弧电流从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流逐渐减小10～20A；
保护气流量为25～30L/min，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量逐渐增大4～5L/min；
MAG焊枪角度为65°～70°，MAG焊枪角度从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度逐渐增大5～10°。
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：实时变化工艺参数：激光功率为4000～4500W，激光功率从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率逐渐减小450W～500W；
电弧电流为220～250A，电弧电流从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流逐渐减小10～20A；
保护气流量为25～30L/min，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量逐渐增大4～5L/min；
MAG焊枪角度为65°～70°，MAG焊枪角度从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度逐渐增大5～10°。
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
采用本实施例管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法来焊接15.8mm厚X70钢管道。具体实验方法如下：
步骤一:焊接前，根据管道厚度，将待焊工件的待焊接部位加工成带钝边V型坡口，钝边厚度为5mm，钝边角度45°，并对加工后的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:利用特制夹具将激光头与MAG焊枪刚性固定。采用复合方式，保证MAG焊丝端点距离激光焦平面的距离为5mm，两热源作用点相距2mm。
步骤三:设置焊接工艺参数：
不变工艺参数：激光方向为始终垂直于管道的切线方向，实验用光纤激光器时，光斑直径在0.3mm，离焦量为-1mm，焊接速度为200mm/min，保护气采用Ar气；
实时变化工艺参数：见表1所示，激光功率根据焊接点位不同在4500～3800W之间实时变化，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率均匀减小300W，电弧电流根据焊接点位不同在160～120A之间实时变化，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流均匀减小20A，保护气流量根据焊接点位不同在20～30L/min之间变化，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量均匀增大5L/min，MAG焊枪角度根据焊接点位不同在50°-70度之间变化，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度均匀增大10°。
表1全位置激光-MAG复合焊接参数
焊接位置 激光功率(W) 焊接电流(A) 保护气流量(L/min) 焊枪角度(°)
12点位 4500 160 20 50
3点位 4200 140 25 60
6点位 3800 120 30 70
9点位 4200 140 25 60
图2为本实验室利用本方法进行全位置激光-MAG复合焊接的装置图，图3～5分别为利用本方法进行管道全位置焊接时，12点位、3点位、6点位的高速摄像图片，可以发现，此时，在这三个点位激光-MAG熔滴过渡的模式均为射滴或射流过渡，过渡过程连续稳定，飞溅小。图6～8分别为利用本方法进行管道全位置焊接时，12点位、3点位、6点位的焊缝正反面宏观形貌，可以看到此时各点位焊缝成型良好，无咬边、内凹等焊接缺陷，焊接质量较好。

Claims (10)

1.一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、焊接前，将待焊工件的待焊接部位加工成双v型坡口、双u型坡口、双Y型坡口或带钝边双U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；
二、将激光头与MAG焊枪刚性固定；
三、设置焊接工艺参数：焊接工艺参数分为焊接过程中不变工艺参数和实时变化工艺参数；
不变工艺参数：激光方向为垂直于管道的切线方向，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，焊接速度为50～500mm/min，保护气采用Ar气；
实时变化工艺参数：激光功率为2500～4500W，激光功率从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率逐渐减小300W～500W；
电弧电流为120～250A，电弧电流从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流逐渐减小10～20A；
保护气流量为20～30L/min，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量逐渐增大2～5L/min；
MAG焊枪角度为50°～70°，MAG焊枪角度从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度逐渐增大5～10°；
四、采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先MAG电弧起弧，在电弧稳定1～2s后，激光器发出激光，实现激光-MAG复合焊接，最后控制机器人使得激光工作头和MAG焊枪共同运动完成全位置焊接过程。
2.根据权利要求1所述的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，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。
3.根据权利要求1所述的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，其特征在于所述的管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法采用光纤激光-MAG复合焊接头进行焊接。
4.根据权利要求1所述的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，其特征在于步骤二中将激光头与MAG焊枪刚性固定是采用复合方式进行固定的，固定条件为保证MAG焊丝端点距离激光焦平面的距离为5mm，两热源作用点相距2～3mm。
5.根据权利要求1所述的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，其特征在于不变工艺参数：激光方向为垂直于管道的切线方向，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，焊接速度为100～500mm/min，保护气采用Ar气。
6.根据权利要求5所述的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，其特征在于不变工艺参数：激光方向为垂直于管道的切线方向，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，焊接速度为200～500mm/min，保护气采用Ar气。
7.根据权利要求6所述的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，其特征在于不变工艺参数：激光方向为垂直于管道的切线方向，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，焊接速度为300～500mm/min，保护气采用Ar气。
8.根据权利要求1所述的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，其特征在于实时变化工艺参数：激光功率为3000～4500W，激光功率从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率逐渐减小400W～500W；
电弧电流为150～250A，电弧电流从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流逐渐减小10～20A；
保护气流量为25～30L/min，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量逐渐增大3～5L/min；
MAG焊枪角度为60°～70°，MAG焊枪角度从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度逐渐增大5～10°。
9.根据权利要求8所述的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，其特征在于实时变化工艺参数：激光功率为3500～4500W，激光功率从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率逐渐减小450W～500W；
电弧电流为200～250A，电弧电流从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流逐渐减小10～20A；
保护气流量为25～30L/min，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量逐渐增大4～5L/min；
MAG焊枪角度为65°～70°，MAG焊枪角度从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度逐渐增大5～10°。
10.根据权利要求9所述的一种管道全位置激光-MAG复合焊接熔滴过渡控制方法，其特征在于实时变化工艺参数：激光功率为4000～4500W，激光功率从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，激光功率逐渐减小450W～500W；
电弧电流为220～250A，电弧电流从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，焊接电流逐渐减小10～20A；
保护气流量为25～30L/min，从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，保护气流量逐渐增大4～5L/min；
MAG焊枪角度为65°～70°，MAG焊枪角度从12点位到6点位过程中，焊接角度每变化90度，MAG焊枪角度逐渐增大5～10°。
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