CN108453388B - 一种t型结构件双激光诱导电弧穿透焊接方法及焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接方法及焊接装置，方法包括：S1：调整T型结构件与电弧焊接热源系统的位置关系，将电弧热源垂直于T型结构件壁板设置，T型结构件筋板的待熔侧置于电弧热源的正下方，双激光分别置于电弧热源两侧并调整其间距到预设值；S2：调整激光束及电弧热源的焊接参数，使T型结构件壁板与筋板充分熔合，将双激光束与电弧形成的复合热源作用于T型结构件，穿透壁板并确保筋板熔化形成共熔池；S3：待共熔池冷却后形成完整穿透形式焊接接头。本发明主要利用焊接电弧和两个激光束形成的复合热源模式，从而实现整体热源的穿透能力和穿透熔池宽度的调控，满足中厚度壁板和2mm以上厚度筋板的T型结构件穿透焊接需求。

Description

一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接方法及焊接装置

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，涉及一种T型结构件的焊接方法，尤其涉及一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接方法及焊接装置。

背景技术

目前用于T型结构件焊接的主要方法包括：电弧焊、激光焊及激光-电弧复合焊。

其中电弧焊由于热源能量密度相对较低，更多的是采用双侧角焊缝形式应用于中厚板T型结构件制造，例如船舶分段的肋板骨材焊接；电弧焊也可应用于薄壁板加强筋的穿透焊形式，但是实现薄壁板的穿透焊接所需要的焊接电流很大，并且需要强制成型，焊接速度较慢，导致焊接接头组织粗大、性能降低，特别是焊后变形较大，降低了零件的整体制造精度和效率。激光焊具有高的热源能量密度，当前激光焊主要采用双侧角焊缝形式应用于薄板T型结构件，例如飞机整体壁板加强筋焊接；激光焊也能够实现壁板的穿透熔化，但是由于激光束光斑较小，很容易在壁板与筋板连接面产生结合不良问题；激光-电弧复合焊方法综合了激光焊接和电弧焊接的优势，与单一热源相比，可大幅度提高焊接效率和成型质量，可以应用于T型结构件的双侧角焊缝形式；对于T型结构件穿透焊接，复合热源相比于激光和电弧单独热源可以提高穿透能力，有效的解决壁板和筋板不完全熔合的问题，是一种非常适合T型结构件穿透焊接的方法。

目前的激光-电弧复合焊中，主要是采用激光垂直壁板、电弧与激光成一定角度倾斜于壁板的复合加工方式，在这样的条件下，电弧虽然被激光诱导压缩，但是由于筋板本身具有一定的厚度，激光的穿透效果只能在光斑作用范围内充分作用，由于光斑尺寸很小，因此仍然需要依靠电弧熔化约筋板厚度2～3倍的宽度才能使壁板与筋板之间实现完全熔合，这就要求电弧必须要熔化除了激光束作用的中心区域以外较大的区域。然而，由于电弧电极与激光和壁板之间存在一定角度，电弧力并没有充分发挥作用，因此仍然需要较大的电弧电流和强制成型才能实现壁板和筋板的完全熔合。而电弧电流的增大会导致壁板焊缝熔宽增大，也会产生极大的焊接变形，同时过大的电弧电流不利于激光与电弧耦合效果，即会影响激光-电弧复合热源的穿透能力。特别是随着筋板厚度的增加(2mm以上)，采用现有的单一电弧、激光或激光-电弧复合热源的方法，均难以实现壁板和筋板的完全穿透熔合，难以获得良好的焊接接头成型质量。

发明内容

针对2mm以上筋板T型结构件穿透焊接中存在的壁板和筋板熔合不良的问题，而提供一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接方法及焊接装置。本发明主要利用在焊接过程中采用垂直于壁板的焊接电弧和两个激光束形成全新的复合热源模式，从而实现整体热源的穿透能力和穿透熔池宽度的调控，满足中厚度壁板和2mm以上厚度筋板的T型结构件穿透焊接需求，大幅度提高T型结构件焊接效率、改善焊接接头成形质量，拓展该方法的应用领域。

本发明采用的技术手段如下：

一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接方法，包括如下步骤：

S1：调整T型结构件与电弧焊接热源系统的位置关系，

通过夹持装置将T型结构件固定，将电弧热源垂直于T型结构件壁板设置，T型结构件筋板的待熔侧置于电弧热源的正下方，两个激光器分别置于电弧热源两侧并调整激光-电弧间距到预设值；

S2：调整激光束Ⅰ、激光束Ⅱ及电弧热源的焊接参数，使T型结构件壁板与筋板充分熔合，

将双激光束与电弧形成的复合热源作用于T型结构件，穿透壁板并确保筋板熔化形成共熔池；

S3：待共熔池冷却后形成完整穿透形式焊接接头。

进一步地，双激光束分为连续模式和脉冲模式，所述电弧热源采用等离子弧焊、非熔化极气体保护焊或者熔化极气体保护焊。

进一步地，S2中，所述调整激光束及电弧电极的焊接参数包括如下参数：激光功率范围为500～6000W、激光离焦量的调节范围为-5～5mm、电弧功率范围为500～5000W、焊接速度的范围为0.3～0.6m/min、激光束Ⅰ与电弧电极间距Dla1调节范围为1.0～5.0mm、激光束Ⅱ与电弧电极间距Dla2调节范围为1.0～5.0mm，脉冲激光与脉冲电弧的相位匹配模式为脉冲激光在脉冲电弧电流基值区间触发，或者在熔滴过渡初期触发。

进一步地，激光束Ⅰ、Ⅱ与电弧电极之间的角度分别为A1、A2，满足：

15°≤A1≤45°，15°≤A2≤45°。

本发明还公开了一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接装置，包括：

双激光诱导电弧焊接热源系统，包括激光器和电弧电极，用于提供T型结构件焊接过程中的能量；

双激光诱导电弧焊接控制系统，包括双激光与电弧的能量匹配控制装置、激光脉冲与电弧波形相位控制装置和机械运动控制装置，用于控制激光、电弧及送丝机以及工作平台的协调运动和双激光束与电弧能量耦合状态的精确调控；

双激光诱导电弧复合焊枪装置，用于调整双激光与电弧在三维空间方向的位置关系及焊丝供给；

双激光诱导电弧焊接过程保护及夹持装置，用于完成T型结构件的固定及焊接过程中板材正面和背面的保护。

进一步地，焊接装置还包括：

T型结构件双激光诱导电弧复合焊接专用强制成型装置，用于特殊T型结构件穿透焊接头的成型。

本发明具有以下优点：

1、焊接电弧和两个激光束形成全新的复合热源模式，通过热源能量匹配和相位匹配优化设计，可大幅提高整体热源的穿透能力，可显著提高T型结构件穿透焊中壁板厚度以及焊接效率。

2、在热源穿透能力增强的基础上，通过调整双激光作用点与电弧热源的空间位置可大幅度提高热源的穿透宽度，进而可显著提高T型结构件穿透焊中筋板厚度。

本发明的实施可显著提高T型结构件壁板和筋板厚度，提高穿透焊接效率、改善焊接接头成形质量，并拓展T型结构件穿透焊方法的应用范围及应用领域。基于上述理由本发明可在材料工程技术领域广泛推广。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明T型结构件双激光诱导电弧复合穿透焊示意图主视图。

图2为本发明T型结构件双激光诱导电弧复合穿透焊示意图俯视图。

图中：1、T型结构件壁板；2、T型结构件筋板；3、激光束Ⅰ；4、激光束Ⅱ；5、电弧电极；6、共熔池。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

如图1、图2所示，一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接方法，包括如下步骤：

S1：调整T型结构件与电弧焊接热源系统的位置关系，

通过夹持装置将T型结构件固定，将电弧电极5垂直于T型结构件壁板1设置，T型结构件筋板2的待熔侧置于电弧电极5的正下方，两个激光器分别置于电弧电极5两侧并调整激光-电弧间距到预设值；

S2：调整激光器发射的激光束Ⅰ3、激光束Ⅱ4及电弧电极5的焊接参数，激光功率范围为500～6000W、激光离焦量的调节范围为-5～5mm、电弧功率范围为500～5000W、激光束Ⅰ与电弧电极间距Dla1调节范围为1.0～5.0mm、激光束Ⅱ与电弧电极间距Dla2调节范围为1.0～5.0mm、焊接速度的范围为0.3～0.6m/min，并当激光和电弧均为脉冲模式时，激光触发于脉冲电弧电流基值区间或者激光触发于电弧熔滴过渡起始时刻。激光束Ⅰ3、激光束Ⅱ4与电弧电极5之间的角度分别为A1、A2，满足：15°≤A1≤45°，15°≤A2≤45°。使T型结构件壁板与筋板充分熔合。

将双激光束3、4与电弧5形成的复合热源作用于T型结构件，穿透壁板1并确保筋板2熔化形成共熔池6；

S3：待所述共熔池6冷却后形成完整穿透形式焊接接头。

针对T型结构件的不同壁板厚度和不同筋板厚度制造需求，通过精确调控激光作用点与电弧热源的相对位置、激光参数和电弧参数以及激光与电弧能量耦合状态，实现壁板穿透深度和宽度的精确调控，进而满足壁板和筋板的良好熔合需求。针对T型结构件的不同壁板厚度和不同筋板厚度制造需求，焊接过程中可以采用或者不采用壁板和筋板接头强制成型装置；双激光束可采用连续模式和脉冲模式，电弧热源可以采用等离子弧焊、非熔化极气体保护焊或者熔化极气体保护焊，通过实现双激光与电弧能量耦合，达到提高壁板穿透厚度以及焊接制造效率的目的。

本发明还公开了一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接装置，包括：

双激光诱导电弧焊接热源系统，包括两个激光器和电弧电极5，用于提供T型结构件焊接过程中的能量；

双激光诱导电弧焊接控制系统，包括双激光与电弧的能量匹配控制装置、激光脉冲与电弧波形相位控制装置和机械运动控制装置，用于控制激光、电弧及送丝机以及工作平台的协调运动和双激光束与电弧能量耦合状态的精确调控；

双激光诱导电弧复合焊枪装置，用于调整双激光与电弧在三维空间方向的位置关系及焊丝供给；

双激光诱导电弧焊接过程保护及夹持装置，用于完成T型结构件的固定及焊接过程中板材正面和背面的保护。

T型结构件双激光诱导电弧复合焊接专用强制成型装置，用于特殊T型结构件穿透焊接头的成型。

实施例1：

钛合金2.5mm壁板与1.5mm筋板T型结构件双激光诱导电弧复合焊

2.5mm钛合金壁板与1.5mm钛合金筋板，组合形成的壁板加强筋T型结构件(见图1)，非熔化极气体保护焊(TIG)电弧垂直壁板，双激光倾斜入射的方法进行焊接，其中电弧与激光之间的夹角A1＝A2＝45°，电弧电流160A，激光采用脉冲输出模式，双激光平均输出功率均为600W，激光脉冲峰值功率5000W，设置双激光脉冲交替出现，激光作用点与电弧热源中心点之间的距离Dla1＝Dla2＝1.0mm，焊接速度2.0m/min，焊接过程中在电弧的前方填充1.2mm钛合金焊丝，采用上述工艺能够实现钛合金壁板加强筋结构件成型美观、高效率、无缺陷焊接制造。

实施例2：

铝合金4.0mm壁板和2.5mm筋板T型结构件双激光诱导电弧复合焊

4.0mm铝合金壁板与2.5mm铝合金筋板，组合形成的壁板加强筋T型结构件(见图1)，熔化极惰性气体保护焊(MIG)电弧垂直壁板，双激光倾斜入射的方法进行焊接，其中电弧与激光之间的夹角A1＝A2＝30°，电弧电流180A，激光采用连续输出模式，双激光平均输出功率均为1500W，激光作用点与电弧热源中心点之间的距离Dla1＝Dla2＝1.5mm，焊接速度1.5m/min，采用上述工艺能够实现铝合金壁板加强筋结构件成型美观、高效率、低变形焊接制造。

实施例3：

镁合金8.0mm壁板，4.0mm筋板T型结构件双激光诱导电弧复合焊

8.0mm镁合金壁板与4.0mm镁合金筋板，组合形成的壁板加强筋T型结构件(见图1)，非熔化极气体保护焊(TIG)电弧垂直壁板，双激光倾斜入射的方法进行焊接，其中电弧与激光之间的夹角A1＝A2＝45°，电弧电流160A，激光采用脉冲输出模式，双激光平均输出功率均为2000W，激光脉冲峰值功率7500W，设置双激光脉冲交替出现，激光作用点与电弧热源中心点之间的距离Dla1＝Dla2＝2.5mm，焊接速度1.0m/min，采用上述工艺能够实现铝合金壁板加强筋结构件成型美观、高效率焊接制造。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接方法，其特征在于，所述方法满足中厚度壁板和2mm以上厚度筋板的T型结构件的穿透焊接需求，包括如下步骤：

S1：调整T型结构件与电弧焊接热源系统的位置关系，

通过夹持装置将T型结构件固定，将电弧电极垂直于T型结构件壁板设置，T型结构件筋板的待熔侧置于电弧电极的正下方，两个激光器分别置于电弧电极两侧并调整激光-电弧间距到预设值；

S2：调整激光束Ⅰ、激光束Ⅱ及电弧热源的焊接参数，使T型结构件壁板与筋板充分熔合，

将激光束Ⅰ、激光束Ⅱ与电弧热源形成的复合热源作用于T型结构件，穿透壁板并确保筋板熔化形成共熔池；

S3：待所述共熔池冷却后形成完整穿透形式焊接接头。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束Ⅰ、激光束Ⅱ分为连续模式和脉冲模式，所述电弧热源采用等离子弧焊、非熔化极气体保护焊或者熔化极气体保护焊。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，S2中，所述调整激光束Ⅰ、激光束Ⅱ及电弧电极的焊接参数包括如下参数：激光功率范围为500～6000W、激光离焦量的调节范围为-5～5mm、电弧功率范围为500～5000W、激光束Ⅰ与电弧电极间距Dla1调节范围为1.0～5.0mm、激光束Ⅱ与电弧电极间距Dla2调节范围为1.0～5.0mm、焊接速度的范围为0.3～0.6m/min，脉冲激光与脉冲电弧的相位匹配模式为脉冲激光在脉冲电弧电流基值区间触发，或者在熔滴过渡初期触发。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，激光束Ⅰ、激光束Ⅱ与电弧电极之间的角度分别为A1、A2，满足：

15°≤A1≤45°，15°≤A2≤45°。

5.一种T型结构件双激光诱导电弧穿透焊接装置，其特征在于，包括：

双激光诱导电弧焊接热源系统，包括激光器和电弧电极，用于提供T型结构件焊接过程中的能量；

双激光诱导电弧焊接控制系统，包括双激光与电弧的能量匹配控制装置、激光脉冲与电弧波形相位控制装置和机械运动控制装置，用于控制激光、电弧及送丝机以及工作平台的协调运动和双激光束与电弧能量耦合状态的精确调控；

双激光诱导电弧复合焊枪装置，用于调整双激光与电弧在三维空间方向的位置关系及焊丝供给；

双激光诱导电弧焊接过程保护及夹持装置，用于完成T型结构件的固定及焊接过程中板材正面和背面的保护。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

T型结构件双激光诱导电弧复合焊接专用强制成型装置，用于特殊T型结构件穿透焊接头的成型。

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