CN107962308B - 一种摆动激光-cmt复合焊接方法 - Google Patents

一种摆动激光-cmt复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种摆动激光‑CMT复合焊接方法，它涉及材料加工工程领域。本发明要提高激光‑CMT复合焊接过程中激光匙孔与电弧稳定性以及熔滴过渡的稳定性，抑制焊接过程中产生的缺陷、熔深减小等问题，本发明使用摆动激光与CMT电弧进行复合焊接，激光需沿焊接方向前后运动，可为往复直线及圆弧等形式，采用电流电压检测设备对CMT焊接状态进行检测，使用LabVIEW软件对其进行分析，控制激光头使激光配合CMT电弧进行摆动，在焊丝向前送进过程中，控制激光向前随之摆动，防止激光被焊丝遮挡，造成气孔缺陷；而在短路过程将要结束，焊丝回抽时，控制激光向后摆动，拉近二者之间的距离，防止起弧后距离过长导致耦合效果消失。

Description

一种摆动激光-CMT复合焊接方法
技术领域
本发明涉及一种摆动激光-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复合焊接工艺特性探索时发现，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
本发明提出了一种摆动激光-CMT复合焊接方法，利用摆动激光保证激光与电弧之间的光丝间距始终控制在1～2mm之内，控制激光-CMT复合焊接过程中激光匙孔与电弧稳定性以及熔滴过渡的稳定性、抑制焊接过程中产生的缺陷、熔深减小等问题。
本发明的一种摆动激光-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、u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，连接监控设备及控制系统；
步骤三:设置焊接工艺参数:
离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为500～5000W，激光扫描振幅为1～2mm，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％，光丝间距为 0～2mm，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，保护气输出压力在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，采用电流电压检测设备对CMT焊接状态进行检测，使用软件对其进行分析，控制激光头使激光配合CMT电弧进行摆动，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。
本发明使用摆动激光与CMT电弧进行复合焊接，激光需沿焊接方向前后运动，可为往复直线及圆弧等形式，采用电流电压检测设备对CMT焊接状态进行检测，使用基于LabVIEW软件控制系统对其进行分析控制，控制激光头使激光配合CMT电弧进行摆动，流程图如图5所示。在垂直于焊接方向上观察的效果示意图如图6所示。在焊丝向前送进过程中，控制激光向前随之摆动，防止激光被焊丝遮挡，造成气孔缺陷；而在短路过程将要结束，焊丝回抽时，控制激光向后摆动，拉近二者之间的距离，防止起弧后距离过长导致耦合效果消失。
本发明相比于常规的激光-电弧复合方式来说，对光丝间距控制更为精确，主要有以下几点优势：
1、采用可控的摆动激光与CMT电弧进行复合，可以较为精确地控制光丝间距在 1～2mm范围内，保证激光匙孔稳定性，避免气孔缺陷产生，同时尽可能的保证二者耦合的效果。
2、提高激光能量利用率，由于激光不断进行往复运动，可有效减少光致等离子体的体积及喷发频率，因此对激光能量的吸收较少，更多的能量输入到熔池中，提高熔深。
3、扩大工艺窗口、减小热输入，由于避免了单一光丝间距的限制，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为摆动激光-CMT复合焊接示意图；
图6为扫描过程效果示意图；
图7为实施例1方法堆焊检测结果图；
图8为实施例2方法堆焊检测结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种摆动激光-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、u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，连接监控设备及控制系统；
步骤三:设置焊接工艺参数:
离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为500～5000W，激光扫描振幅为1～2mm，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％，光丝间距为 0～2mm，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，保护气输出压力在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，采用电流电压检测设备对CMT焊接状态进行检测，使用软件对其进行分析，控制激光头使激光配合CMT电弧进行摆动，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～﹢3mm，激光功率为500～4000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为50～150A，弧长修正系数为-10％～+20％，电感修正系数为-5％～+10％，光丝间距为 0～2mm，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，保护气输出压力在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～﹢3mm，激光功率为500～3000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为60～150A，弧长修正系数为-10％～+20％，电感修正系数为-5％～+10％，光丝间距为 0～2mm，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，保护气输出压力在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～﹢3mm，激光功率为1000～3000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～150A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+10％，光丝间距为 0～1mm，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，保护气输出压力在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﹣2～﹢2mm，激光功率为1500～3000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～130A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+5％，光丝间距为 0～1mm，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，保护气输出压力在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1500～2500W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～120A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+5％，光丝间距为 0～1mm，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，保护气输出压力在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1500～2500W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～110A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+5％，光丝间距为 0～1mm，焊接速度为1～1.5m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，保护气输出压力在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1500～2000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～100A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+5％，光丝间距为 0～1mm，焊接速度为1～1.5m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，保护气输出压力在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0mm，激光功率为2000W，激光扫描振幅为1mm，电弧电流为100A，弧长修正系数为+10％，电感修正系数为+5％，光丝间距为0mm，焊接速度为1.5m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，保护气输出压力在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：所述的使用软件对其进行分析是采用采用基于LabVIEW软件控制系统进行的。
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复合方式进行在6mm的S355J2W钢板上进行堆焊试验。具体试验方法如下：
实施例1
采用常规激光-CMT复合进行堆焊试验：
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，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2000W，电弧电流100A，弧长修正系数10％，电感修正系数+5％，光丝间距0mm，焊接速度1.5m/min。焊枪保护气采用CO2与Ar混合气，保护气输出压力在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
采用本发明方法进行堆焊试验：
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，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，连接监控设备及控制系统；
步骤三:设置焊接工艺参数:
离焦量0mm，激光功率2000W，激光扫描振幅1mm，电弧电流100A，弧长修正系数10％，电感修正系数+5％，光丝间距0mm，焊接速度1.5m/min。焊枪保护气采用CO2与Ar混合气，保护气输出压力在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，采用电流电压检测设备对CMT焊接状态进行检测，使用自制的LabVIEW软件对其进行分析，控制激光头使激光配合CMT电弧进行摆动，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7和图8分别为采用常规激光-CMT复合焊接及本发明方法进行堆焊得到的焊缝X光检测照片。由于光丝间距为0mm，激光与焊丝在匙孔上方相交，焊丝送进严重干涉了激光能量传输到匙孔内的效果，导致匙孔不稳定，产生一系列的气孔缺陷，沿焊缝中心分布。而采用扫描激光与CMT进行复合，可以有效地避免二者互相干扰的状况发生，减少气孔缺陷。

Claims (10)

1.一种摆动激光-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、u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，连接监控设备及控制系统；
步骤三:设置焊接工艺参数:
离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为500～5000W，激光扫描振幅为1～2mm，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％，光丝间距为0～2mm，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，保护气输出压力在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，采用电流电压检测设备对CMT焊接状态进行检测，使用软件对其进行分析，控制激光头使激光配合CMT电弧进行摆动，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所述的一种摆动激光-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～﹢3mm，激光功率为500～4000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为50～150A，弧长修正系数为-10％～+20％，电感修正系数为-5％～+10％，光丝间距为0～2mm，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，保护气输出压力在0.4～0.6MPa。
3.根据权利要求2所述的一种摆动激光-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～﹢3mm，激光功率为500～3000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为60～150A，弧长修正系数为-10％～+20％，电感修正系数为-5％～+10％，光丝间距为0～2mm，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，保护气输出压力在0.4～0.6MPa。
4.根据权利要求3所述的一种摆动激光-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～﹢3mm，激光功率为1000～3000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～150A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+10％，光丝间距为0～1mm，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，保护气输出压力在0.4～0.6MPa。
5.根据权利要求4所述的一种摆动激光-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1500～3000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～130A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+5％，光丝间距为0～1mm，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，保护气输出压力在0.4～0.6MPa。
6.根据权利要求5所述的一种摆动激光-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1500～2500W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～120A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+5％，光丝间距为0～1mm，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，保护气输出压力在0.4～0.6MPa。
7.根据权利要求6所述的一种摆动激光-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1500～2500W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～110A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+5％，光丝间距为0～1mm，焊接速度为1～1.5m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，保护气输出压力在0.4～0.6MPa。
8.根据权利要求7所述的一种摆动激光-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1500～2000W，激光扫描振幅为1～2mm，电弧电流为80～100A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-5％～+5％，光丝间距为0～1mm，焊接速度为1～1.5m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，保护气输出压力在0.4～0.6MPa。
9.根据权利要求8所述的一种摆动激光-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2000W，激光扫描振幅为1mm，电弧电流为100A，弧长修正系数为+10％，电感修正系数为+5％，光丝间距为0mm，焊接速度为1.5m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO2与Ar混合气，保护气输出压力在0.6MPa。
10.根据权利要求1所述的一种摆动激光-CMT复合焊接方法，其特征在于所述的使用软件对其进行分析是采用基于LabVIEW软件控制系统进行的。
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