CN109500497A - 一种焊接板材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光焊接板材的方法,其特征在于:步骤1:将第一母材和第二母材加工形成对接端面和坡口面,除去第一母材和第二母材上下表面、对接端面和坡口面上杂质;步骤2:将第一母材和第二母材准确对接并夹紧;步骤3:提供添加稀土元素的焊条;步骤4:采用手工熔化极惰性气体保护焊(MIG)方法,沿第一母材和第二母材的对接坡口进行焊接;步骤5:激光焊接头聚焦形成的高功率光纤激光束辐照在MIG焊缝表面,实现第一母材和第二母材熔透焊接。在本发明中,通过在小孔焊接板材的上部填充富含稀土元素的焊缝层,在激光焊接过程中有效改善了小孔前沿壁的表面张力,得到光滑的小孔壁形态,提高了光纤激光焊接过程稳定性,避免了飞溅和根漏等缺陷。

Description

一种焊接板材的方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法,尤其涉及焊接板材的方法。
背景技术
激光焊接是激光加工技术中应用最广泛的先进工艺之一,具有焊接热输入小、焊缝深宽比大、速度快、焊缝变形小残余应力低、焊接精度和强度高、熔深大、易于实现自动化等突出优点,已经在汽车、造船、核电、管道等国民经济重要行业领域中得到应用。
激光焊接板材通常为激光深熔焊接模式。这种模式下,材料在高能量密度激光的直接辐照下,发生熔化甚至气化,在蒸发压力作用下熔池表面下陷形成“匙孔”(也称小孔),激光束通过小孔深入到材料内部。小孔效应(即形成小孔和等离子体)是激光深熔焊接的本质特征,因此又称激光深熔焊接为小孔模式焊接。小孔成为激光能量与材料耦合吸收的重要载体,其中通过小孔壁的多次反射菲涅尔吸收是主要的能量吸收方式。因此,小孔内壁的形态直接影响激光束在小孔壁的入射角度,进而影响激光能量的吸收效果。在高功率光纤激光焊接过程中,小孔内壁并非光滑,而是充满波纹,在波纹台阶处局部材料对短波长光纤激光能量的吸收率极大,极易导致局部材料剧烈蒸发而增大小孔壁材料蒸发反冲压力,熔池波动严重,易产生飞溅和根漏等缺陷。
发明内容
本发明的目的是解决目前高功率光纤激光焊接过程中由于小孔壁皱褶导致的材料局部剧烈蒸发,进而影响焊接过程稳定性差,易形成飞溅和底部根漏等缺陷的问题。
本发明的技术方案是提供一种焊接板材的方法,其特征在于。
步骤1:将第一母材和第二母材加工形成对接端面和坡口面,除去第一母材和第二母材上下表面、对接端面和坡口面上杂质。
步骤2:将第一母材和第二母材准确对接并夹紧。
步骤3:提供添加稀土元素的焊条。
步骤4:采用手工熔化极惰性气体保护焊(MIG)方法,沿第一母材和第二母材的对接坡口进行焊接。
步骤5:激光焊接头聚焦形成的高功率光纤激光束辐照在MIG焊缝表面,实现第一母材和第二母材熔透焊接。
进一步地,在步骤1中,第一母材和第二母材的厚度均为8 mm ~12 mm。
进一步地,在步骤1中,第一母材和第二母材的坡口面结构和尺寸相同。
进一步地,坡口面宽度d1为1 mm~2 mm。
进一步地,坡口面高度d2为1.5 mm~3 mm。
进一步地,在步骤2中,第一母材和第二母材坡口面精准对接。
进一步地,坡口形状为V形。
进一步地,在步骤3中,焊条中稀土元素的含量为0.05 wt%~ 0.20 wt%。
进一步地,稀土元素为Ce、La、Y中的至少一种。
进一步地,在步骤4中,MIG焊接焊缝深度d3为2 mm~5 mm。
进一步地,MIG焊接焊缝宽度d4为2 mm~3 mm。
进一步地,在步骤5中,高功率光纤激光束沿焊接方向向前倾斜。
进一步地,倾斜角度β为10 °~20 °。
进一步地,在步骤5中,激光焊接头移动速度为0.3 m/min ~ 1.5 m/min。
本发明的有益效果是:
在本发明中,首先采用MIG焊在第一母材和第二母材上部对接坡口中熔焊一层富含稀土元素的焊缝层,在光纤激光熔透焊接板材过程中MIG焊缝层的材料率先在激光辐照的作用下熔化,进一步在蒸发反冲压力作用下向下流动,构成小孔前沿壁的熔融金属层,由于恰当的稀土元素的存在,MIG焊缝层的熔融金属表面张力得到大大降低,从而光纤激光直接辐照的小孔前沿壁光滑度大大提高,有效避免了光纤激光束在小孔壁的局部蒸发,大大提高了光纤激光焊接板材的过程稳定性,有效抑制了飞溅和根漏等焊接缺陷。
附图说明
图1是第一母坡口面示意图。
图2是第一母和第二母精确对接接头示意图。
图3是MIG焊缝横截面示意图。
图4是本发明所述激光焊接过程示意图。
图5是本发明所述激光焊接过程纵截面示意图。
图6是传统激光焊接过程纵截面示意图。
其中:1、第一母材,2、第二母材,3、MIG焊缝,4、保护气体喷嘴,5、光纤激光束,6、小孔前沿壁,7、焊接小孔,8、焊接熔池,9、最终获得的焊缝,10、蒸发反冲压力,11、局部蒸发,12、根漏,13、飞溅。
具体实施方式
以下将结合着附图1-6对本发明的具体实施方式进行详细说明。
该实施例中,一种焊接板材的方法包括以下几个步骤。
步骤1:将第一母材1和第二母材2加工形成对接端面和坡口面,除去第一母材1和第二母材2上下表面、对接面和焊接坡口上的杂质,这些杂质包括水渍、油污、铁锈等。
如图1所示,第一母材1和第二母材2坡口面结构和尺寸相同,坡口宽度d1为1 mm~2mm,坡口高度d2为1.5 mm~3 mm。
步骤2:采用专用焊接夹具,将第一母材1和第二母材2准确对接并夹紧,实现第一母材1和第二母材2焊接坡口精确对准,形成V形坡口。
步骤3:提供添加稀土元素的焊条,焊条中稀土元素Ce、La、Y中的至少一种,且稀土元素的含量为0.05 wt%~ 0.20 wt%。
步骤4:采用手工MIG焊接方法,沿第一母材1和第二母材2的对接坡口进行焊接,获得MIG焊缝3。
如图3所示,MIG焊接焊缝深度d3为2 mm~5 mm,MIG焊接焊缝宽度d4为2 mm~3 mm。
步骤5:激光焊接头聚焦形成的高功率光纤激光束5辐照在MIG焊缝表面,实现第一母材1和第二母材1熔透焊接。
如图4和5所示,高功率光纤激光束5辐照在MIG焊缝3中心位置,沿焊接方向向前倾斜一定角度β为10 °~20 °,在光纤激光束5前方设置保护气体喷嘴4。
在该实施例中,激光功率为10 kW,离焦量为-5 mm ~ +5 mm,焊接速度为0.3 m/min ~ 1.5 m/min。
在该实施例中,首先采用MIG焊在第一母材1和第二母材1上部对接坡口中熔焊一层富含稀土元素的MIG焊缝3层,在光纤激光熔透焊接板材过程中MIG焊缝3层的材料率先在光纤激光束5辐照的作用下熔化,进一步在蒸发反冲压力10作用下向下流动,构成小孔前沿壁6的熔融金属层,由于恰当的稀土元素的存在,MIG焊缝3层的熔融金属表面张力得到大大降低,从而光纤激光束5直接辐照的小孔前沿壁6光滑度大大提高,有效避免了光纤激光束5在小孔前沿壁6的局部蒸发11,大大提高了光纤激光焊接板材的过程稳定性,有效抑制了根漏12和飞溅13等焊接缺陷。
然而,对于传统高功率光纤激光焊接过程中,小孔前沿壁6并非光滑,而是充满波纹,在波纹台阶处局部材料对短波长光纤激光能量的吸收率极大,极易导致材料局部蒸发11剧烈而增大小孔前沿壁6局部蒸发反冲压力10,熔池波动严重,易产生根漏12和飞溅13等缺陷。
尽管参考附图详细地公开了本发明,但应理解的是,这些描述仅仅是示例性的,并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定,并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (7)

1.一种激光焊接板材的方法,其特征在于:
步骤1:将第一母材和第二母材加工形成对接端面和坡口面,除去第一母材和第二母材上下表面、对接端面和坡口面上杂质;
步骤2:将第一母材和第二母材准确对接并夹紧;
步骤3:提供添加稀土元素的焊条;
步骤4:采用手工熔化极惰性气体保护焊(MIG)方法,沿第一母材和第二母材的对接坡口进行焊接;
步骤5:激光焊接头聚焦形成的高功率光纤激光束辐照在MIG焊缝表面,实现第一母材和第二母材熔透焊接。
2.根据权利要求1所述的一种激光焊接板材的方法,其特征在于:步骤1中,第一母材和第二母材的坡口面结构和尺寸相同,坡口面宽度d1为1 mm~2 mm,坡口面高度d2为1.5 mm~3mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光焊接板材的方法,其特征在于:步骤2中,第一母材和第二母材坡口面精准对接,坡口形状为V形。
4.根据权利要求1所述的一种激光焊接板材的方法,其特征在于:步骤3中,焊条中稀土元素的含量为0.05 wt%~ 0.20 wt%,稀土元素为Ce、La、Y中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种激光焊接板材的方法,其特征在于:步骤4中,其特征在于:MIG焊接得到的焊缝深度d3为2 mm~5 mm,焊缝宽度d4为2 mm~3 mm。
6.根据权利要求1所述的一种激光焊接板材的方法,其特征在于:步骤5中,高功率光纤激光束沿焊接方向向前倾斜,倾斜角度β为10 °~20 °。
7.根据权利要求1所述的一种激光焊接板材的方法,其特征在于:步骤5中,激光焊接头移动速度为0.3 m/min ~ 1.5 m/min。
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