CN109158760A - 一种窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种窄间隙扫描振镜激光‑热丝复合焊接方法及装置，其解决了现有焊接方法存在熔敷率低，热输入大，焊接变形大的技术问题，其包含以下步骤：(1)在待焊工件之间开出带厚钝边的深U型坡口；(2)将待焊工件清洗；(3)调整激光器和焊枪的角度，将激光束与电弧在焊缝处共同作用形成熔池，在不填丝的情况下完成打底焊；(4)将激光束通过扫描振镜传输到待焊工件的焊缝中，热丝电源将焊丝进行预热并由送丝机构将焊丝送至激光束和电弧的作用点，使焊丝熔化熔覆于焊缝中；(5)将激光束与焊枪复位，调整送丝机构与激光束的角度，完成工件的多层多道焊接。本发明可广泛应用于复合焊接技术领域。

Description

一种窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法及装置
技术领域
本发明涉及复合焊接技术领域，具体地说是一种窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法及装置。
背景技术
随着现代工业设备的日趋大型化，厚板、超厚板结构的应用越来越广泛。在大厚板金属结构产品的制造中，过去普遍采用大坡口多层多道 MAG/MIG焊或埋弧焊。随着焊接结构厚度的不断增加，消耗的焊材在增多，焊接接头存在较大的变形。对于厚板焊接，最大的问题就是接头力学性能、焊缝质量和焊接效率之间的矛盾。1963年，美国Battelle研究所提出了一种窄间隙焊接技术，这种技术最大的特点是厚板焊缝截面积大大减少，从而降低了焊接工程量和生产成本，即使在较小的焊接规范下，也可以保证较高的生产率。但是窄间隙焊接对坡口的加工和装配精度要求很高，焊丝对中要求高，一定程度上导致了成本增加。
与传统的电弧焊相比，激光焊接技术的能量高度集中，热影响区小，于是产生了窄间隙激光焊接技术。但是激光束直径较小，同样存在着根部难以熔透、侧壁不易熔合的问题。而随着激光器制造技术的进步以及扫描振镜技术的兴起，使得激光束能够到达指定位置的速度、便捷性有了大大的提高，因此便产生了激光扫描焊接技术。激光束的摆动与扫瞄能够均匀地对侧壁进行加热，减少热输入的不均匀性，增强了对熔池的搅拌作用，细化晶粒并提高接头性能。但是由于激光焊接熔池过窄，凝固速度过快，在较高焊速下难以抑制气孔的存在，容易产生缺陷。
振镜扫描式激光焊接机也被称之为远距离焊接机(Remote Welding)，它采用的是振镜扫描镜组来对工件进行动态焊接的一项技术。振镜镜片在扫描镜头内将激光光束快速在焊点之间切换，焊点之间的距离越大，工件上的焊点数量越多，优势越明显。在大多数工业激光焊接应用中，平均焊接时间相对于装载和配置整个系统的时间是很小的，大部分焊接时间只占到一个处理周期的20％～50％之间。而采用这种激光焊接技术大大减少了非生产性时间，焊接时间可以增加到90％多。采用高速扫描振镜，高品质工业控制计算机，配合专业图形加工软件，不需移动工件，快速、精确焊接扫描范围内的任意点，比传统焊接速度可以提高5倍以上。因此，振镜扫描式激光焊接技术可以提供更快的焊接速度、更高的焊接质量以及更好的经济性。但是因为激光焊接熔池过窄，凝固速度太快，其焊缝气孔的倾向仍然很大，无法满足厚板不锈钢、铝合金、钛合金等结构的焊接需要。
专利文献CN103056533A公开了一种振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法及系统，该方法能够通过振荡扫描激光束-电弧的相互作用促进溶滴过渡，从而提高工艺稳定性，而且在焊缝缺陷，尤其是气孔和裂纹的抑制能力上优于已有的激光-电弧复合焊接和激光扫描焊接技术；另一方面，振荡扫描激光束对熔池的振荡搅拌效应能够增加熔池内的形核核心，促进熔池非自发形核，改变柱状晶择优生长方向，从而细化焊缝晶粒。该方法存在的问题是，在厚板的多层多道焊接时，熔敷率较低，热输入较大，焊接变形较大。
发明内容
本发明就是为了解决现有焊接方法存在熔敷率较低，热输入较大，焊接变形较大的技术问题，提供了一种高接头性能、高熔敷率、高焊接效率、细化晶粒和增强对熔池的搅拌作用的窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法及装置。
一种窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法，具体包含以下步骤：
(1)在待焊工件之间开出带厚钝边的深U型坡口；(2)将所述步骤 (1)中处理后的待焊工件进行清洗；(3)调整激光器和焊枪的角度，将激光器产生的激光束与焊枪产生的电弧在焊缝处共同作用形成熔池，在不填丝的情况下完成打底焊；(4)将激光器产生激光束通过扫描振镜传输到待焊工件的焊缝中，同时，焊枪产生电弧，热丝电源预热焊丝，由送丝机构将焊丝送至激光束和电弧的作用点，使焊丝熔化熔覆于焊缝中；(5)将激光束与焊枪复位，调整送丝机构与激光束的角度和热丝电流，完成工件的多层多道焊接。
优选地，步骤(3)中，激光束与焊枪之间的夹角为20°～75°。
优选地，步骤(4)中，以焊缝方向为X轴方向，以工件表面内垂直于焊缝的方向为Y轴方向，激光束的摆动幅度为X轴-7.5mm～7.5mm，Y 轴-7.5mm～7.5mm，激光束与所述送丝机构之间的夹角为20°～75°。
优选地，激光束的扫描方式为直线、折线、曲线和“8”字形。
优选地，步骤(4)中，焊丝位于激光束下方。
本发明同时提供了一种窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接装置，设有数控系统、热丝电源、复合焊接加工头、焊机和激光器与扫描振镜；
数控系统分别与热丝电源、复合焊接加工头、焊机和激光器与扫描振镜连接，热丝电源与复合焊接加工头连接，复合焊接加工头分别与焊机和激光器与扫描振镜相连接。
优选地，复合焊接加工头采用旁轴结构，设有送丝机构、焊枪、振镜聚焦装置、调节装置。
本发明的有益性：
1)采用窄间隙焊接技术，坡口断面积小，可减少填充材料，降低能耗，节省成本，而且热输入量小，可使热影响区小接头韧性改善，综合力学性能优良；
2)采用高功率密度的激光束，加热速度快，焊接热影响区小，焊接应力和变形小，同时采用扫描振镜可以有效避免侧壁熔合不良的问题，并通过搅拌效应促进熔池的对流，细化晶粒，减少缺陷的产生；
3)采用热丝焊接，不仅保留了焊接电弧稳定、焊缝性能优良、无飞溅的优点，还提高了熔敷率和焊接效率，熔池过热度降低，合金元素烧损少；
4)本发明将窄间隙焊接技术、激光扫描焊技术、热丝焊接技术有机地结合在一起，产生优势互补的效果，应用于核电领域厚板的焊接，能够有效地提高熔敷率和焊接效率，并降低热输入，提高接头性能。
附图说明
图1为本发明所述窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接系统结构示意图；
图2为本发明所述两厚板之间深U型坡口结构的示意图；
图3为本发明中激光束折线形扫描轨迹的示意图；
图4为本发明中激光束曲线型扫描轨迹的示意图；
图5为本发明中激光束“8”字型扫描轨迹的示意图；
图6为本发明中激光束直线形扫描轨迹的示意图。
附图中标号：1.热丝电源，2.复合焊接加工头，3.送丝机构，4.激光器与扫描振镜，5.数控系统，6.TIG焊机，7.振镜聚焦装置，8.调节装置，9.TIG焊枪，10.待焊工件，11.激光运动轨迹，12.坡口一侧，13. 焊缝中心线，14.坡口另一侧，t.钝边厚度，S.待焊板厚，α.坡口角度。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所描述的本发明。
实施例1
(1)待焊工件10为板厚S30mm的316LN不锈钢，使用同型号的 316LN焊丝，直径为1.2mm。待焊板之间开深U型坡口，宽度为8mm，坡口角度α为5°钝边厚度t为11mm，如图2所示。
(2)对于奥氏体钢的焊接，焊前和焊后的清理工作会影响耐蚀性。例如，焊后采用不锈钢丝刷清理奥氏体接头，反而会产生点蚀，因此必须慎重对待清理工作。至于随意引弧造成的弧击，铁锤敲击、打冲眼等，都是腐蚀根源，应予以禁止。
(3)设置激光功率为5000W，离焦量为0，焊接电流200A，调整激光器和TIG焊枪的角度20°，将激光器产生的激光束与TIG焊枪产生的电弧在焊缝处共同作用形成熔池，在不填丝的情况下完成打底焊；
(4)将激光器产生激光束通过扫描振镜传输到待焊工件的焊缝中，扫描方式为图3所示折线形扫描方式，同时，TIG焊枪产生电弧，热丝电源预热焊丝，由送丝机构将焊丝送至激光束和电弧的作用点，使焊丝熔化熔覆于焊缝中；
(5)将激光束与TIG焊枪复位，调整送丝机构与激光束的角度为 75°，热丝电流为100A，焊丝伸出长度为20mm，其余条件不变，完成工件的多层多道焊接。
在焊接完成后，所得焊缝外形美观，无咬边、气孔、裂纹等缺陷，经超声检测和X射线检测无内部缺陷。
实施例2
(1)待焊工件10为板厚S40mm1035铝板，使用同型号的1035焊丝，直径为1.2mm。待焊板之间开深U型坡口，宽度为15mm，坡口角度α为1°、钝边厚度t为2mm。
(2)由于工件较大，化学清洗有困难，因此采用机械清理。在焊接前，选用丙酮除掉油污，然后用风动钢丝轮进行清理，所用钢丝刷或钢丝轮的钢丝为不锈钢丝，直径小于0.15mm，机械清理后最好马上施焊。
(3)设置激光功率为5000W，离焦量为0，焊接电流200A，将TIG 焊枪与激光束之间的夹角调整为50°，将激光器产生的激光束与TIG焊枪产生的电弧在焊缝处共同作用形成熔池，在不填丝的情况下完成打底焊；
(4)将激光器产生激光束通过扫描振镜传输到待焊工件的焊缝中，扫描方式为图4所示曲线型扫描方式，同时，TIG焊枪产生电弧，热丝电源预热焊丝，由送丝机构将焊丝送至激光束和电弧的作用点，使焊丝熔化熔覆于焊缝中；
(5)将激光束与TIG焊枪复位，调整送丝机构与激光束的角度为 50°，热丝电流为100A，焊丝伸出长度为20mm，其余条件不变，完成厚板的多层多道焊接。
在焊接完成后，所有焊缝采用煤油进行渗透性检验和100％的X射线探伤，检测结果显示无内部缺陷，经力学性能测试，焊缝抗拉强度都高于母材抗拉强度的下限。
实施例3
(1)待焊工件10为板厚S35mmTC4热轧钛合金板，使用TC3焊丝，直径为1.2mm。待焊板之间开深U型坡口，宽度为8mm，坡口角度α为 3°，钝边厚度t为20mm。
(2)焊前对坡口及两侧各25mm以内的内外表面进行清理，清除表面氧化膜和污染物，而后进行清洗和干燥。对厚氧化膜先用机械方法去除表面氧化皮，然后进行酸洗。焊接区附近的薄氧化膜可直接酸洗，最后用清水冲洗并烘干，临焊前应再擦洗。清洗后的焊件应在4h内焊完，否则需重新清洗。此外，对所用的焊丝表面也要进行严格的机械清理和化学清理。
钛及钛合金焊接时，都有晶粒粗化的倾向，为防止晶粒粗化，应采用较小的焊接热输入，但是也要注意热输入过低造成的不利影响。
(3)设置激光功率为5000W，离焦量为0，焊接电流200A，将TIG 焊枪与激光束之间的夹角调整为75°，将激光器产生的激光束与TIG焊枪产生的电弧在焊缝处共同作用形成熔池，在不填丝的情况下完成打底焊；
(4)将激光器产生激光束通过扫描振镜传输到待焊工件的焊缝中，扫描方式为图5所示“8”字型扫描方式，同时，TIG焊枪产生电弧，热丝电源预热焊丝，由送丝机构将焊丝送至激光束和电弧的作用点，使焊丝熔化熔覆于焊缝中；
(5)将激光束与TIG焊枪复位，调整送丝机构与激光束的角度为 20°，热丝电流为100A，焊丝伸出长度为20mm，其余条件不变，完成厚板的多层多道焊接。
在焊接完成后进行X射线检测，对没有缺陷的试件进行焊后热处理，经力学性能测试，可以看出，焊接接头强度与母材相近，约为 900～920MPa，并具有较高的塑性和韧性。
实施例4
(1)待焊工件10为板厚S30mm高纯0Cr18Mo2铁素体不锈钢，其具有优良的抗氯化物应力腐蚀开裂、耐点蚀和缝隙腐蚀的性能，供货状态为850℃/10min/空冷。
使用成分为00Cr18Ni12Mo2Nb的超低碳奥氏体不锈钢焊丝，直径为 1.2mm。待焊板之间开深U型坡口，宽度为8mm，坡口角度α为3°，钝边厚度t为20mm。
(2)焊前需要对工件进行预热，一是使焊后焊件的降温变缓，避免出现HAZ的高温脆性；二是缓解焊接应力，防止因应力导致的开裂。预热温度一般为100℃～150℃，含Cr量越高，预热温度也应有所提高。
(3)设置激光功率为4500W，离焦量为0，焊接电流180A，将TIG 焊枪与激光束之间的夹角调整为75°，将激光器产生的激光束与TIG焊枪产生的电弧在焊缝处共同作用形成熔池，在不填丝的情况下完成打底焊；
(4)将激光器产生激光束通过扫描振镜传输到待焊工件的焊缝中，扫描方式为图6所示直线型扫描方式，同时，TIG焊枪产生电弧，热丝电源预热焊丝，由送丝机构将焊丝送至激光束和电弧的作用点，使焊丝熔化熔覆于焊缝中；
(5)将激光束与TIG焊枪复位，调整送丝机构与激光束的角度为 20°，热丝电流为100A，焊丝伸出长度为20mm，其余条件不变，完成厚板的多层多道焊接。
观察焊接接头外观可见，焊缝表面呈白色的金属光泽，X射线无损探伤表明，焊缝无气孔、未熔合及焊接裂纹等缺陷。
焊缝区金属显微组织为铁素体+奥氏体，其中基体为奥氏体，晶界上有少量的树枝状铁素体。这种少量铁素体与奥氏体共存的焊缝组织具有良好的强度、塑性和韧性。
实施例5
如图1所示，本发明采用的窄间隙扫描振镜激光-热丝TIG复合焊接装置，包括热丝电源1、复合焊接加工头2、激光器与扫描振镜4、数控系统5、TIG焊机6。
数控系统5分别与热丝电源1、复合焊接加工头2、TIG焊机6和激光器与扫描振镜4连接，用于对各机构的位置以及各种工作参数进行调整与监控；热丝电源1与复合焊接加工头2连接，用于加热待焊工件10；复合焊接加工头2分别与TIG焊机6和激光器与扫描振镜4相连接，复合焊接加工头2采用旁轴结构，设有送丝机构3、TIG焊枪9、振镜聚焦装置7、调节装置8，用于激光束、电弧、焊丝的复合；激光器与扫描振镜4用于产生激光束并进行摆动扫描。
本发明是通过实施例来阐述的，但本发明的实施方式并不受上述实例的限制。其他所参照本发明的描述而所做的改变、修饰、替代、组合、简化，这样的变化应属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法，其特征是，包含以下步骤：
(1)在待焊工件之间开出带厚钝边的深U型坡口；
(2)将所述步骤(1)中处理后的待焊工件进行清洗；
(3)调整激光器和焊枪的角度，将激光器产生的激光束与焊枪产生的电弧在焊缝处共同作用形成熔池，在不填丝的情况下完成打底焊；
(4)将激光器产生激光束通过扫描振镜传输到待焊工件的焊缝中，同时，焊枪产生电弧，热丝电源预热焊丝，由送丝机构将焊丝送至激光束和电弧的作用点，使焊丝熔化熔覆于焊缝中；
(5)将激光束与焊枪复位，调整送丝机构与激光束的角度和热丝电流，完成工件的多层多道焊接。
2.根据权利要求1所述的窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法，其特征在于，步骤(1)中所述深U型坡口的宽度为8～15mm，角度为1°～5°，厚钝边厚度为2～20mm。
3.根据权利要求1所述的窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法，其特征在于，步骤(3)中，所述激光束与所述焊枪之间的夹角为20°～75°。
4.根据权利要求1所述的窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，以焊缝方向为X轴方向，以工件表面内垂直于焊缝的方向为Y轴方向，所述激光束的摆动幅度为X轴-7.5mm～7.5mm，Y轴-7.5mm～7.5mm，所述激光束与所述送丝机构之间的夹角为20°～75°。
5.根据权利要求4所述的窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法，其特征在于，所述激光束的扫描方式为直线、折线、曲线和“8”字形。
6.根据权利要求1所述的窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，所述焊丝位于激光束下方。
7.一种窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接装置，设有数控系统、热丝电源、复合焊接加工头、焊机和激光器与扫描振镜；
所述数控系统分别与所述热丝电源、所述复合焊接加工头、所述焊机和所述激光器与扫描振镜连接，所述热丝电源与所述复合焊接加工头连接，所述复合焊接加工头分别与所述焊机和所述激光器与扫描振镜相连接。
8.根据权利要求7所述的窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接装置，其特征在于，所述复合焊接加工头采用旁轴结构，设有送丝机构、焊枪、振镜聚焦装置、调节装置。
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