CN107813049A - 一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置及方法 - Google Patents

一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，将主光束分为清洗光束、深熔光束和填丝光束，将激光清洗技术应用于厚板超窄间隙坡口的清洗，并与激光深熔填丝焊接技术复合，解决了现有方法难以有效清理深窄坡口的问题，将激光深熔焊与激光填丝焊有效结合，具有大熔深，较好的桥接能力和可扩展厚度等优点，提高焊接稳定性，且激光清洗与激光焊接同步进行，能够大大提高焊接效率，保证接头质量。本发明还提供一种实现上述方法的焊接装置，实现激光清洗与激光焊接同步进行，提高焊接效率。

Description

一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及厚板窄间隙焊接技术领域，特别是涉及一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置及方法。
背景技术
厚板焊接是船舶海洋、轨道交通、压力容器及桥梁建设等大型设备制造过程中的关键技术。厚板超窄间隙焊接方法的提出有效减少了坡口填充面积和焊接层道数，大幅降低了焊接热输入量、焊接变形及残余应力，提高了焊接效率及接头质量。但由于电弧焊的熔深有限，仍然需要多层焊接实现厚板连接成形。激光焊接具有能量密度高、熔深大、焊接速度快等优势，但单纯的激光自熔焊接具有桥接能力差、焊接厚度受激光功率限制、不能调控焊缝成分等缺点。
二者的结合，即超窄间隙激光焊接技术，具有可焊厚度大，效率高和桥接能力强等优点。现有的厚板超窄间隙激光焊接方法一般包括超窄间隙激光电弧焊与超窄间隙激光填丝焊，这两种焊接方法各有优缺点：超窄间隙激光电弧焊中，焊丝与侧壁距离很小，电弧易被侧壁吸引，导致焊接过程稳定性控制困难；而激光填丝焊中，由于激光需要熔化母材和焊丝，导致其熔深很浅，在焊接厚板时往往需要较慢的速度和较多的层数，焊接效率低。除此之外，超窄间隙窄而深的坡口难以使用传统方法进行清理，容易导致气孔、未熔合等缺陷的产生，严重影响接头的质量。
公开号为CN104551403A的中国专利，通过激光自熔焊打底熔化钝边，再进行激光填丝焊填充坡口的方法实现厚板的超窄间隙激光填丝焊接，但是效率较低，且激光自熔焊缝的成分无法调控，接头质量难以控制。公开号为CN102059452A的中国专利，本质上还是单纯的激光填丝焊接，三个光束按特定形式排列，但均用于熔化焊丝，无法克服激光填丝焊接熔深浅，效率低的问题。
因此，如何改变现有技术中，激光填丝焊接熔深浅、效率低，且超窄间隙约束条件下坡口清理困难的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使厚板超窄间隙激光填丝焊接的焊接效率得到提高，同时有效清理深窄坡口，保证接头质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、用激光器发出主光，并将主光分成三束；
步骤二、采用第一分光片将主光束分为一束反射光和一束透射光，反射光经第一振镜扫描后，再经第一聚焦镜片形成清洗光束，清洗光束在待焊件坡口两侧来回扫描，用于超窄间隙坡口的激光清洗；
步骤三、主光束经第二聚焦镜片形成深熔光束，深熔光束用于熔化大厚度钝边；
步骤四、主光束通过第二分光片分为一束反射光和一束透射光，反射光经第二振镜扫描后再经第三聚焦镜片形成填丝光束，填丝光束在待焊件坡口两侧来回扫描，用于熔化焊丝并填充坡口。
优选地，步骤三中的深熔光束的焦点位于坡口的中心线上。
优选地，两待焊件之间的坡口为深U形，坡口间隙不超过5mm。
优选地，步骤二中形成的深熔光束的扫描路线为连续的Z字形。
优选地，步骤四中形成的填丝光束的扫描路线为连续的Z字形。
本发明还提供一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置，包括第一分光片、第一振镜、第一聚焦镜片、第二分光片、第二振镜、第二聚焦镜片和第三聚焦镜片，所述第一分光片将主光束分为反射光和透射光，反射光经所述第一振镜扫描后，经所述第一聚焦镜片聚焦形成清洗光束，所述第一聚焦镜片位于所述第一振镜的下部；所述第二分光片将主光束分为反射光和透射光，反射光经所述第二振镜扫描后，经所述第三聚焦镜片聚焦形成填丝光束，所述第三聚焦镜片位于所述第二振镜的下部；主光束经所述第二聚焦镜片聚焦形成深熔光束。
优选地，厚板超窄间隙激光填丝焊接装置还包括能够输出焊丝的送丝系统，所述送丝系统输出的焊丝与填丝光束之间具有夹角。
优选地，厚板超窄间隙激光填丝焊接装置还包括能够输出保护气体的保护气管，所述保护气管的气体出口位于所述送丝系统输出焊丝的一端。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：采用本发明的厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，将主光束分为清洗光束、深熔光束和填丝光束，将激光清洗技术应用于厚板超窄间隙坡口的清洗，并与激光深熔填丝焊接技术复合，解决了现有方法难以有效清理深窄坡口的问题，将激光深熔焊与激光填丝焊有效结合，具有大熔深，较好的桥接能力和可扩展厚度等优点，提高焊接稳定性，且激光清洗与激光焊接同步进行，能够大大提高焊接效率，保证接头质量。本发明还提供一种实现上述方法的焊接装置，实现激光清洗与激光焊接同步进行，提高焊接效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用本发明的厚板超窄间隙激光填丝焊接方法的焊接过程示意图；
图2为光束在坡口内分布示意图；
图3为超窄间隙坡口示意图；
其中，1为第一分光片，2为第一振镜，3为第一聚焦镜片，4为第二聚焦镜片，5为第二分光片，6为第二振镜，7为第三聚焦镜片，8为送丝系统，9为保护气管，10为超窄间隙坡口侧壁，11为待焊接对接接缝，12为清洗光束扫描路径，13为深熔光束光斑，14为填丝光束扫描路径，W为坡口间隙，H为待焊厚板的厚度。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使厚板超窄间隙激光填丝焊接的焊接效率得到提高，同时有效清理深窄坡口，保证接头质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1至图3，图1为采用本发明的厚板超窄间隙激光填丝焊接方法的焊接过程示意图，图2为光束在坡口内分布示意图，图3为超窄间隙坡口示意图。
本发明提供一种厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、用激光器发出主光，将主光分成三束。
步骤二、采用第一分光片1将主光束分为一束反射光和一束透射光，反射光经第一振镜2扫描后，再经第一聚焦镜片3形成清洗光束，清洗光束在待焊件坡口两侧来回扫描，用于超窄间隙坡口的激光清洗；清洗光束的功率可通过主光束功率和第一分光片1的反射面积调整，焦点位置可通过第一聚焦镜片3调整。
步骤三、主光束经第二聚焦镜片4形成深熔光束，深熔光束用于熔化大厚度钝边；深熔光束的功率可通过主光束功率调整，焦点位置可通过第二聚焦镜片4调整，用于熔化大厚度钝边。
步骤四、主光束通过第二分光片5分为一束反射光和一束透射光，反射光经第二振镜6扫描后再经第三聚焦镜片7形成填丝光束，填丝光束在待焊件坡口两侧来回扫描，用于熔化焊丝并填充坡口。填丝光束的功率可通过主光束功率和第二分光片5的反射面积调整，一般采用正离焦，焦点位置可通过第三聚焦镜片7调整，光束在坡口两侧来回扫描，用于熔化焊丝并填充坡口，填丝光束扫描能够有效调控熔池形貌，改善熔合效果，减少气孔缺陷的产生。
本发明的厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，与厚板高功率激光自熔焊相比，在两待焊件之间设置了坡口，加入了焊丝，因此能够有效扩展焊接厚度、改善焊缝成分，在焊接厚度、材料适应性及接头质量等方面均优于现有的厚板高功率自熔焊接；与厚板超窄间隙激光电弧复合焊相比，采用本发明的焊接方法，焊丝不直接起弧熔化填充坡口，而是被激光熔化从而达到填充坡口的目的。因此，在超窄间隙坡口条件下，不存在超窄间隙激光电弧复合焊中电弧易被侧壁吸引的问题，在焊接过程稳定性控制及焊缝成形质量等方面优于现有的厚板超窄间隙激光电弧复合焊；与厚板超窄间隙激光填丝焊相比，本发明采用深熔光束用于熔化厚钝边，填丝光束用于熔化焊丝、填充坡口，因此不需要激光同时熔化焊丝和母材，在焊缝熔深、焊接厚度及焊接效率等方面均优于现有的厚板超窄间隙激光填丝焊接。
除此之外，由于超窄间隙焊接(包括激光电弧复合焊和激光填丝焊)中窄而深的坡口难以使用传统方法进行清理，容易导致气孔、未熔合等缺陷的产生，严重影响接头的质量，因此，本申请的焊接方法将激光清洗技术应用于超窄间隙坡口清理，并与激光深熔填丝焊接有效结合，边清洗边焊接，大大提高了焊接效率，保证了接头质量。
其中，步骤三中的深熔光束的焦点位于坡口的中心线上，并沿着坡口的中心线随着焊接方向移动。
具体地，两待焊件之间的坡口为深U形，坡口间隙不超过5mm，如图3所示，图中W表示坡口间隙，H表示待焊厚板的厚度，厚度大于30mm。
另外，步骤二中形成的深熔光束的扫描路线为连续的Z字形，步骤四中形成的填丝光束的扫描路线为连续的Z字形，请参考图2，图2中10为超窄间隙坡口侧壁，11为待焊接对接接缝，12为清洗光束扫描路径，13为深熔光束光斑，14为填丝光束扫描路径，图1和图2中箭头所示的均为焊接行进方向。
本发明还提供一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置，包括第一分光片1、第一振镜2、第一聚焦镜片3、第二分光片5、第二振镜6、第二聚焦镜片4和第三聚焦镜片7，第一分光片1将主光束分为反射光和透射光，反射光经第一振镜2扫描后，经第一聚焦镜片3聚焦形成清洗光束，第一聚焦镜片3位于第一振镜2的下部；第二分光片5将主光束分为反射光和透射光，反射光经第二振镜6扫描后，经第三聚焦镜片7聚焦形成填丝光束，第三聚焦镜片7位于第二振镜6的下部；主光束经第二聚焦镜片4聚焦形成深熔光束。
进一步地，厚板超窄间隙激光填丝焊接装置还包括能够输出焊丝的送丝系统8，送丝系统8输出的焊丝与填丝光束之间具有夹角。
厚板超窄间隙激光填丝焊接装置还包括能够输出保护气体的保护气管9，保护气管9的气体出口位于送丝系统8输出焊丝的一端，保护气管9随着送丝系统8沿着焊接方向移动，保护气管9输出的保护气体能够有效防止焊缝氧化并吹走激光清洗产生的污物，提高焊缝的成形质量。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、用激光器发出主光；
步骤二、采用第一分光片将主光束分为一束反射光和一束透射光，反射光经第一振镜扫描后，再经第一聚焦镜片形成清洗光束，清洗光束在待焊件坡口两侧来回扫描，用于超窄间隙坡口的激光清洗；
步骤三、主光束经第二聚焦镜片形成深熔光束，深熔光束用于熔化大厚度钝边；
步骤四、主光束通过第二分光片分为一束反射光和一束透射光，反射光经第二振镜扫描后再经第三聚焦镜片形成填丝光束，填丝光束在待焊件坡口两侧来回扫描，用于熔化焊丝并填充坡口。
2.根据权利要求1所述的厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：步骤三中的深熔光束的焦点位于坡口的中心线上。
3.根据权利要求1所述的厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：两待焊件之间的坡口为深U形，坡口间隙不超过5mm。
4.根据权利要求1所述的厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：步骤二中形成的深熔光束的扫描路线为连续的Z字形。
5.根据权利要求1所述的厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：步骤四中形成的填丝光束的扫描路线为连续的Z字形。
6.一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置，用于实现权利要求1-5任一项所述的厚板超窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：包括第一分光片、第一振镜、第一聚焦镜片、第二分光片、第二振镜、第二聚焦镜片和第三聚焦镜片，所述第一分光片将主光束分为反射光和透射光，反射光经所述第一振镜扫描后，经所述第一聚焦镜片聚焦形成清洗光束，所述第一聚焦镜片位于所述第一振镜的下部；所述第二分光片将主光束分为反射光和透射光，反射光经所述第二振镜扫描后，经所述第三聚焦镜片聚焦形成填丝光束，所述第三聚焦镜片位于所述第二振镜的下部；主光束经所述第二聚焦镜片聚焦形成深熔光束。
7.根据权利要求6所述的厚板超窄间隙激光填丝焊接装置，其特征在于：还包括能够输出焊丝的送丝系统，所述送丝系统输出的焊丝与填丝光束之间具有夹角。
8.根据权利要求6所述的厚板超窄间隙激光填丝焊接装置，其特征在于：还包括能够输出保护气体的保护气管，所述保护气管的气体出口靠近所述送丝系统输出焊丝的一端。
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