CN107717230A - 一种激光‑侧向cmt复合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光‑侧向CMT复合焊接方法，它涉及材料加工工程领域，本发明要解决焊接过程中产生的缺陷、熔深减小等问题，本发明在常规激光‑电弧复合焊接的基础上，将CMT焊枪横置，对待焊工件进行焊接。本发明采用CMT焊枪横置的复合方法，可以较为精确地控制光丝间距在1～2mm，保证激光匙孔稳定性，避免气孔缺陷产生。提高激光电弧耦合效果，采用本方法后，不论是电弧燃烧阶段还是过渡阶段，与激光的间距变化较小，可以保持良好的耦合效果，达到增大熔深、提高能量利用率的目的。

Description

一种激光-侧向CMT复合焊接方法
技术领域
本发明涉及一种激光-侧向CMT复合焊接方法，属于材料加工工程领域。
背景技术
激光-电弧复合热源焊接由于具有对焊缝装配适应性好、焊后变形小、焊接一致性和稳定性好等明显优点，同时相对于真空电子束焊接和钨极氩弧焊技术具有更高的可控性和可自动化实现程度。为解决薄板焊接成形较差及焊后变形量较大的问题，无论是从工艺角度，还是从经济角度来看，激光-电弧复合焊接技术，尤其是激光-CMT复合焊接技术可能是薄板焊接的首选方法之一。
CMT技术是由奥地利FRONIUS公司开发的，它将送丝与熔滴过渡过程进行数字化协调。CMT电弧焊接电流小、热输入小、飞溅小和焊后变形小，焊缝金属的冶金质量高，这种方法特别适合于薄板焊接。但是CMT电弧焊的熔池温度相对较低，液态焊缝金属在母材表面润湿性差、铺展性差、焊缝余高大。
而激光作为“二十一世纪最有发展潜力的焊接技术”之一，由于其具有能量密度高，焊缝质量好，深宽比大，热影响区小，焊接变形小，而且焊接速度快以及易于实现自动化等优点，已经在工业生产中得到广泛的应用，将二者复合后，可以有效解决CMT焊缝铺展性差、焊缝余高大、焊接效率较低以及单激光焊对焊缝装配精度要求较高、焊缝冷却过快等问题。
由于CMT过渡模式与普通MIG/MAG焊不同，因此其复合方式及复合效果也有所改变，目前，关于激光-CMT复合焊接的相关专利CN200910078404.1提出了一种激光-冷金属过渡电弧复合热源焊接方法，CN201410818119.X提出了一种铜合金激光-冷金属过渡复合热源增材制造的方法，但前者只是表明激光可以稳定电弧，而后者是针对铜合金提出了一种工艺规范，激光也只是起到稳定电弧的作用，二者针对激光-CMT复合焊接过程中，尤其是两种热源的复合效果、较高速度下焊接适应性等都没有详细说明。
在进行激光-CMT复合焊接工艺特性研究中发现，由于CMT过渡形式不同于普通的MIG/MAG焊，为短路过渡，因此当光丝间距过近时，易干扰激光作用效果，产生气孔等缺陷，如图1所示，为光丝间距0mm时的焊缝横截面，图2为光丝间距为1.5mm时的焊缝横截面，可以看到光丝间距对焊缝质量产生较大的影响。
由于采用的是旁轴复合方式，且受到激光作用位置限制，焊枪与母材之间的角度不大于50°，因此当焊丝回抽，而电弧能量较小时，激光与电弧完全分离，甚至失去复合效果，图3为光丝间距3mm时的高速摄像图片，图4为其焊缝横截面，可以看到电弧与激光间距较大，无法形成复合等离子体，对比图1与图4，可发现焊缝熔深降低，焊缝底部形貌尖锐，中部熔宽下降，复合效果消失。
发明内容
本发明提出了一种激光-侧向CMT复合焊接方法，用以抑制焊接过程中产生的缺陷、熔深减小等问题。
本发明的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成v型坡口、I型坡口或Y型坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，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:利用夹具将激光头与CMT焊枪刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为500～5000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为40～150A，弧长修正系数为-20％～+20％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为0.6～4m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，稳定0.5s后电弧起弧焊接，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。
本发明在激光-侧向CMT复合焊接方法中，激光器可以采用CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器，焊机可以采用型号CMT2700的福尼斯CMT焊机，最大焊接电流270A；1台KUKA机器人，焊接过程中工艺参数的调整通过KUKA机器人编程实现。
本发明在常规激光-电弧复合焊接的基础上，将CMT焊枪横置，熔池的俯视、正视、侧视示意图如图5所示，其中D为焊丝与母材交点和激光聚焦点在垂直焊缝方向上的距离，为了区别于常规激光电弧复合焊接的光丝间距(即沿焊缝方向上的光丝间距)，定义其名称为侧向光丝间距，取值与焊枪角度、电弧电流等相关联。另外视其具体焊接效果在焊缝后方添加额外的保护气装置，一般情况下则不需要增加。
本发明相比于常规的激光-电弧复合方式来说，对光丝间距控制较为容易、精确，主要有以下几点优势：
1、采用CMT焊枪横置的复合方法，可以较为精确地控制光丝间距在1～2mm，保证激光匙孔稳定性，避免气孔缺陷产生。
2、提高激光电弧耦合效果，采用本方法后，不论是电弧燃烧阶段还是过渡阶段，与激光的间距变化较小，可以保持良好的耦合效果，达到增大熔深、提高能量利用率的目的。
3、扩大工艺窗口、减小热输入，由于减少了光丝间距的限制，对于焊接电流(电压)、弧长修正系数、电感修正系数等参数的选取范围更大，可适应更多需求，还可有针对性的调整工艺参数减小热输入，满足薄板焊接变形要求。
附图说明
图1为光丝间距0mm时的焊缝横截面图；
图2为光丝间距为1.5mm时的焊缝横截面图；
图3为光丝间距3mm时的高速摄像图；
图4为光丝间距3mm时的焊缝横截面图；
图5为激光-侧向CMT复合焊接示意图；
图6为实施例1方法焊接背面成形图；
图7为实施例1方法焊接背面宏观金相图；
图8为实施例2方法焊接背面成形图；
图9为实施例2方法焊接背面宏观金相图；
图10为间隙为1.6mm装配情况下的焊缝宏观金相；
图11为错边为0.8mm装配情况下的焊缝宏观金相。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成v型坡口、I型坡口或Y型坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，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:利用夹具将激光头与CMT焊枪刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为500～5000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为40～150A，弧长修正系数为-20％～+20％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为0.6～4m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，稳定0.5s后电弧起弧焊接，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为1000～5000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为50～120A，弧长修正系数为-20％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～4m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
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点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为1000～4000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为60～120A，弧长修正系数为-20％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～3m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
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点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为1000～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为80～120A，弧长修正系数为-20％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
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点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为1000～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为80～100A，弧长修正系数为-20％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
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点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为2000～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为80～100A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
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点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为2500～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为80～100A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1.5～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
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点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为2500～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为90～100A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1.5～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
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点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为2700W，焊枪轴线与母材夹角为45°，侧向光丝间距为2mm，电弧电流为90A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1.6m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
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点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为0mm，激光功率为2700W，焊枪轴线与母材夹角为45°，侧向光丝间距为0mm，电弧电流为90A，弧长修正系数为+10％，电感修正系数为-5％，沿焊接方向光丝间距为1.5mm，焊接速度为1.6m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.6MPa。
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点在于：步骤三设置焊接工艺参数：
离焦量为0mm，激光功率为2700W，焊枪轴线与母材夹角为45°，侧向光丝间距为1mm，电弧电流为90A，弧长修正系数为+10％，电感修正系数为-5％，沿焊接方向光丝间距为1.5mm，焊接速度为1.6m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.6MPa。
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：
利用本发明方法及常规激光-CMT复合方式进行2mm厚退火态30Cr3超高强钢对接试验。具体试验方法如下：
实施例1
常规激光-CMT复合焊接2mm厚退火态30Cr3超高强钢：
步骤一:焊接前，将待焊工件的待焊接部位及两侧表面进行打磨和清洗，不开坡口，对接间隙0mm，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CMT焊枪刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
离焦量0mm，激光功率2600W，焊枪轴线与母材夹角45°，电弧电流120A，弧长修正系数-5％，电感修正系数+5％，光丝间距1.5mm，焊接速度2.1m/min。焊枪保护气采用CO2与Ar混合气，流量在0.6MPa；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，稳定0.5s后电弧起弧焊接，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。
实施例2
采用本发明方法焊接2mm厚退火态30Cr3超高强钢：
步骤一:焊接前，将待焊工件的待焊接部位及两侧表面进行打磨和清洗，不开坡口，对接间隙0mm，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CMT焊枪刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
离焦量0mm，激光功率2600W，焊枪轴线与母材夹角45°，侧向光丝间距为1mm，电弧电流90A，弧长修正系数+10％，电感修正系数+5％，沿焊接方向光丝间距1.5mm，焊接速度2.1m/min。焊枪保护气采用CO2与Ar混合气，流量在0.6MPa；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，稳定0.5s后电弧起弧焊接，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。
图6至图9分别为采用常规激光-CMT复合焊接及本发明方法进行焊接时的焊缝背面成形及焊缝横截面宏观金相。可以看到，本发明方法焊接由于直接减小了电弧电流，由焊缝横截面金相测量焊缝面积从8.6mm2降低至4.3mm2，薄板焊后挠曲变形量从0.7mm降至0.4mm，另外，从焊缝背面可以看到采用本方法进行复合后焊缝成形更为稳定，波动较小，相应的，薄板变形量也减小。
对本方法获得的焊缝进行拉伸试验，式样断裂在母材上，平均断裂强度为740MPa。
实施例3
利用本发明方法焊接带间隙和错边的2mm厚退火态30Cr3超高强钢对接接头：
步骤一:焊接前，将待焊工件的待焊接部位及两侧表面进行打磨和清洗，不开坡口，对接间隙一侧0mm，一侧1.6mm，以及对接间隙为0mm但错边0.8mm的两种接头，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CMT焊枪刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
离焦量0mm，激光功率2700W，焊枪轴线与母材夹角45°，侧向光丝间距为1mm，电弧电流90A，弧长修正系数+10％，电感修正系数+5％，沿焊接方向光丝间距1.5mm，焊接速度1.6m/min；焊枪保护气采用CO2与Ar混合气，流量在0.6MPa；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，稳定0.5s后电弧起弧焊接，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。
图10和图11分别为带间隙及错边时的焊缝横截面宏观金相。可以看到，本发明方法焊接由于对光丝间距控制较为容易，可以适当增大电弧弧长，以此增大熔池面积，加强间隙及错边适应性，在间隙1.6mm和错边0.8mm时焊缝成形均满足要求，证明本发明方法装配适应性良好。

Claims (10)

1.一种激光-侧向CMT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，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成v型坡口、I型坡口或Y型坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，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:利用夹具将激光头与CMT焊枪刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数：
离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为500～5000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为40～150A，弧长修正系数为-20％～+20％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为0.6～4m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，稳定0.5s后电弧起弧焊接，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，其特征在于步骤三设置焊接工艺参数
离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为1000～5000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为50～120A，弧长修正系数为-20％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～4m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
3.根据权利要求2所述的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，其特征在于步骤三设置焊接工艺参数
离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为1000～4000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为60～120A，弧长修正系数为-20％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～3m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
4.根据权利要求3所述的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，其特征在于步骤三设置焊接工艺参数
离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为1000～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为80～120A，弧长修正系数为-20％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
5.根据权利要求4所述的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，其特征在于步骤三设置焊接工艺参数
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为1000～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为80～100A，弧长修正系数为-20％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
6.根据权利要求5所述的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，其特征在于步骤三设置焊接工艺参数
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为2000～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为80～100A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
7.根据权利要求6所述的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，其特征在于步骤三设置焊接工艺参数
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为2500～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为80～100A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1.5～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
8.根据权利要求7所述的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，其特征在于步骤三设置焊接工艺参数
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为2500～3000W，焊枪轴线与母材夹角为40～60°，侧向光丝间距为0～2mm，电弧电流为90～100A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1.5～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
9.根据权利要求1所述的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，其特征在于步骤三设置焊接工艺参数
离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为2700W，焊枪轴线与母材夹角为45°，侧向光丝间距为2mm，电弧电流为90A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，沿焊接方向光丝间距为1～2mm，焊接速度为1.6m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.4～0.6MPa。
10.根据权利要求1所述的一种激光-侧向CMT复合焊接方法，其特征在于步骤三设置焊接工艺参数
离焦量为0mm，激光功率为2700W，焊枪轴线与母材夹角为45°，侧向光丝间距为0mm，电弧电流为90A，弧长修正系数为+10％，电感修正系数为-5％，沿焊接方向光丝间距为1.5mm，焊接速度为1.6m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，流量在0.6MPa。
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