CN110340529B - 一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，根据激光束传输特征参数，可求得待焊板厚合适的激光离焦量范围；根据离焦量范围，在同一材料的平板上获得成形良好的激光填丝单道堆焊工艺参数窗口，以及焊道宽度变化范围；根据侧壁熔化条件和空间干涉分析获得预期成形较好的坡口宽度；在待焊试板上机加出坡口，完成窄间隙激光填丝焊接，本发明可快速计算出成形良好的大厚板窄间隙激光填丝焊接工艺参数，大大减少工艺优化所需要的试验数量和周期。本发明根据指定激光填丝焊接设备的特征参数，即可判断是否可以完成对应厚板的窄间隙焊接，给出工艺参数窗口范围，极大降低了窄间隙激光填丝焊接技术的应用周期。

Description

一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及到一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法。

背景技术

随着航空、航天、汽车和船舶等行业中大型构件对服役性能的要求不断提高，对大厚度板材焊接质量和焊接变形控制提出了更高的技术目标。传统焊接技术如TIG、MIG等成本低、应用范围广，但焊接热输入较大，在接头产生较高的焊接残余应力和变形，不利于对裂纹缺陷的控制；采用激光深熔焊接方法进行焊接时，焊接过程稳定性对即使约0.1mm的装配间隙也十分敏感，“小孔”的本质不稳定性也会导致气孔缺陷产生，而且最大焊缝熔深受到激光器功率的限制；激光/电弧复合焊方法由于焊缝上宽下窄导致焊丝合金元素浓度差异大，并严重削弱超高强钢焊缝金属韧性，此外激光电弧复合热源焊接涉及的影响较多、影响规律比较复杂，不利于控制接头质量；电子束焊接熔深大，且能取得很好的焊接效果，但需要在真空环境下进行焊接，这极大地限制了该方法的应用，尤其是大型构件的焊接生产。

目前采用窄间隙激光填丝多层焊技术设备投资成本远低于单道激光深熔焊接，并能够避免厚板激光单道深熔焊接时存在的各种问题，具有优质、高效和稳定性好等多方面的显著优点，但是目前在确定合适的坡口尺寸后仍然还需对工艺参数进行大量测试，以获得具有预期焊缝宽度且成形质量达标的焊接接头，需要开展大量的基础试验对坡口尺寸进行优化，而目前对工艺参数的测试主要依靠工人经验进行优化，费时费工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，包括以下步骤：

步骤1)、计算待焊板厚为t₀时需要激光离焦量f值，计算离焦量为f时对应的光斑半径w(f)：

式中，φ为激光焊接头的入射光纤直径，F_c为准直镜焦距，

F为聚焦透镜距；BPP为光束参数积；w₀为高斯光束束腰半径；

Z_R为瑞利长度；λ为激光束波长；M²为光束质量因子；H为焊

接头底部与焦平面的垂直距离；D为焊丝直径；

步骤2)、根据待焊板厚为t₀时需要的激光离焦量f值，在待焊板平板上焊接单条堆焊，得到焊道宽度w_i；

步骤3)、根据侧壁熔化条件和空间干涉分析获得预期成形坡口宽度w，满足D＜w＜w_i，且w(f)＞w，即可得到坡口宽度尺寸。

进一步的，光斑半径w(f)具体计算方法如下：高斯光束沿透镜轴线方向上的传输特征参数如式1)：

对于经光纤传输后的光束聚焦系统，光束束腰半径w₀可根据以下公式确定：

根据公式(1)～(4)，得出不同离焦量f时对应的光斑半径即为：

进一步的，0＜w-D≤0.5mm，0＜w(f)-w≤0.5mm。

进一步的，坡口深度t需满足t<H+f，t-t₀≤0.5mm，t₀为待焊板厚。

进一步的，在待焊板平板上单道堆焊，形成单条堆焊焊道宽度w_i范围值。

进一步的，根据得到的坡口深度t和坡口宽度w，在待焊试板上机加出坡口，底部留有打底焊道，完成窄间隙激光填丝焊接。

进一步的，待焊板厚度t₀＞100mm。

进一步的，窄间隙宽度w为1.5mm～10mm。

进一步的，打底焊道厚度为0.5～2mm。

进一步的，坡口侧壁向外侧倾斜0°～10°。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，根据激光束传输特征参数，可求得待焊板厚为t₀时合适的激光离焦量f范围；根据上述确定的离焦量f范围，在同一材料的平板上获得成形良好的激光填丝单道堆焊工艺参数窗口，以及焊道宽度w_i变化范围；根据侧壁熔化条件和空间干涉分析获得预期成形较好的坡口宽度w；在待焊试板上机加出坡口，底部留有打底焊道；完成窄间隙激光填丝焊接，本发明综合考虑了激光焊接设备的特征参数和单道堆焊形貌尺寸，可快速计算出成形良好的大厚板窄间隙激光填丝焊接工艺参数，大大减少工艺优化所需要的试验数量和周期。本发明根据指定激光填丝焊接设备的特征参数，即可判断是否可以完成对应厚板的窄间隙焊接，给出工艺参数窗口范围，结合少量基础工艺试验即可获得成形良好的厚板窄间隙对接接头，极大降低了窄间隙激光填丝焊接技术的应用周期；对于待焊工件厚度指定的情况，为激光填丝焊接设备提供了参数指标，减少设备选购的盲目性和试错过程。

进一步的，坡口宽度w大于焊丝直径D以保证送丝顺畅；坡口宽度w小于堆焊单道宽度wi以改善侧壁熔化条件。

进一步的，坡口深度t需满足t<H+f，t-t₀＜0.5mm，能够有效防止焊接头与待焊工件发生空间干涉。

附图说明

图1为高斯光束传输特征参数示意图；

图2为钢平板单道激光填丝堆焊横截面正交试验结果

图3为6.6mm厚高强钢板窄间隙激光填丝焊接头横截面形貌图；

图4为6.6mm厚高强钢板窄间隙激光填丝焊接头X射线无损探伤结果图；

图5为20mm厚高强钢板窄间隙激光填丝焊接头横截面形貌图；

图6为窄间隙激光填丝焊接接头横截面图。

图中1为入射激光束，2为激光焊接头，3为准直透镜，4为聚焦透镜，5为保护镜片，6为待焊板，7为激光束焦平面，8为送丝枪头，9为焊丝，10为打底层，11为熔池，12为焊缝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提出一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，综合考虑了激光焊接设备的特征参数和单道堆焊形貌尺寸，能够快速计算出成形良好的大厚板窄间隙激光填丝焊接工艺参数，大大减少工艺优化所需要的试验数量和周期，将推动航空、航天、汽车和船舶等行业中厚板窄间隙激光填丝焊接技术的应用。

一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，包括以下步骤：

步骤1)、计算待焊板厚为t₀时需要激光离焦量f值，得到离焦量为f时对应的光斑半径w(f)；

以经光纤传输的高斯激光束为例，根据激光束传输特征参数，计算推导出离焦量为f时对应的光斑半径w(f)，具体方法如下：确定激光焊接头的入射光纤直径φ、准直镜焦距F_c、聚焦透镜距F、光束参数积BPP、高斯光束束腰半径w₀、瑞利长度Z_R、激光束波长λ、光束质量因子M²、焊接头底部与焦平面的垂直距离H和焊丝直径D；

高斯光束沿透镜轴线(Z轴)方向上的传输特征参数如图1所示，高斯光束特征参数间存在以下关系，不考虑光束横截面强度分布，高斯光束沿透镜轴线(Z轴)方向上的传输特征参数如式1)：

对于经光纤传输后的光束聚焦系统(传输光纤-准直镜-聚焦透镜)，光束束腰半径w₀可根据以下公式确定：

根据公式(1)～(4)，得出不同离焦量f时对应的光斑半径即为：

为防止焊接头与待焊工件发生空间干涉，坡口深度t需满足t<H+f，t-t₀≤0.5mm，t₀为待焊板厚；

坡口宽度为w，为防止焊丝与坡口发生空间干涉需保证D＜w，同时为改善侧壁熔化条件需满足w＜w(f)，即w(f)＞D；

步骤2)、根据待焊板厚为t₀时需要的激光离焦量f值，在待焊板平板上焊接单条堆焊，得到焊道宽度w_i；具体的，采用实验法在待焊板平板上单道堆焊成形良好的焊道，多次试验得到w_i范围值；

步骤3)、根据侧壁熔化条件和空间干涉分析获得预期成形坡口宽度w，D＜w＜w_i；0＜w-D≤0.5mm，0＜w(f)-w≤0.5mm。

具体方法为：

坡口宽度w大于焊丝直径D以保证送丝顺畅；

坡口宽度w小于堆焊单道宽度w_i以改善侧壁熔化条件；

坡口宽度w小于对应离焦量f下的光斑直径w(f)以确保熔池熔化充分，同时也改善侧壁熔化条件。

步骤4)、根据上述得到的坡口深度t和坡口宽度w，在待焊试板上机加出坡口，底部留有打底焊道，完成窄间隙激光填丝焊接，焊后检验焊缝质量并测试焊缝性能。

待焊板厚度t₀＞100mm；

板材采用钢、铝或钛可吸收激光能量的金属材料；

窄间隙宽度w为1.5mm～10mm；

打底焊道为0.5～2mm；

为减少激光束在大气下的耗散，选择离焦量时尽可能保证(H+f)＞t，确保不发生设备与试板的干涉即可；

为使光束顺利传输至坡口底部，保证厚度方向上焊道成形的均匀性，坡口侧壁向外侧倾斜0°～10°；

本发明根据指定激光填丝焊接设备的特征参数，即可判断是否可以完成对应厚板的窄间隙焊接，给出工艺参数窗口范围，结合少量基础工艺试验即可获得成形良好的厚板窄间隙对接接头，极大降低了窄间隙激光填丝焊接技术的应用周期；对于待焊工件厚度指定的情况，在选购激光填丝焊接设备时可提供设备关键参数指标，减少设备购买的盲目性和试错过程。

实施例1

以两块300mm(长度)*120mm(宽度)*6.6mm(厚度)D406A超高强钢平板对接焊为例，焊道长度300mm。以IPG公司的Nd:YAG 4kW多模红外光纤激光器作为热源，激光束基本垂直于试板表面入射，为保护激光透镜组，激光头向后偏转5°。激光焊接头的入射光纤直径φ200μm，准直镜焦距F_c 150mm、聚焦透镜距F 150mm、光束参数积BPP 7.0mm*mrad、激光束波长λ1070nm。1.2mm直径的焊丝前置，由送丝机构将焊丝送入熔池中，送丝枪与水平夹角为45°；根据公式(5)可得

为实现6.6mm厚板材得窄间隙激光填丝对接焊，间隙宽度选择为2mm，根据上述公式可知光斑直径为2mm时对应得离焦量约为14.2mm，为保证坡口侧壁熔合良好，离焦量应当大于14.2mm。

基于此，如图2所示，开展激光填丝单道堆焊四因素三水平正交试验，根据经验选择主要工艺参量激光功率、离焦量、焊接速度和送丝速度，其中离焦量得水平分别为15mm、20mm和25mm，其他工艺参量得水平范围根据经验设置如表1所示，各组参数下对应得焊道横截面如图3所示，均成形良好。根据图3所示得横截面测量可得焊道有效熔宽得范围为2.5mm～3.5mm，均大于坡口间隙宽度2mm。因此，根据上述理论分析和试验结果确定坡口宽度为2mm，底部留有1mm打底，为确保送丝枪不与侧壁干涉，坡口侧壁向两侧倾斜5°。焊接工艺参数为激光功率4.0kW,激光束离焦量25mm,焊接速度0.9m/min,送丝速度2.2m/min。焊前激光打底点焊以保证对接精度，待焊缝填充至试板上表面后在打底焊层背面施盖面焊，各层参数一致，共计8层焊道。

表1 L₉(3⁴)四因素三水平正交试验表

图4所示为6.6mm厚D406A高强钢激光填丝焊接接头横截面，上表面熔宽为7.1mm，下表明熔宽为4.9mm，熔宽沿厚度方向较为均匀。图5所示为接头X射线无损检测结果，可以看到无明显气孔、裂纹、未熔合等缺陷。

实施例2

以两块90mm(长度)*45mm(宽度)*20mm(厚度)D406A超高强钢平板对接焊为例，焊道长度90mm。以IPG公司的Nd:YAG 4kW多模红外光纤激光器作为热源，激光束基本垂直于试板表面入射，为保护激光透镜组，激光头向后偏转5°。激光焊接头的入射光纤直径φ200μm，准直镜焦距F_c 150mm、聚焦透镜距F 150mm、光束参数积BPP 7.0mm*mrad、激光束波长λ1070nm。1.2mm直径的焊丝前置，由送丝机构将焊丝送入熔池中，送丝枪与水平夹角为45°。根据公式(5)可得

为实现20mm厚板材得窄间隙激光填丝对接焊，间隙宽度同样选择为2mm，根据上述公式可知光斑直径为2mm时对应得离焦量约为14.2mm，为保证坡口侧壁熔合良好，离焦量应当大于14.2mm，同时要防止激光头底部与试板发生干涉。

同样地，确定坡口宽度为2mm，底部留有2mm打底，为确保送丝枪不与侧壁干涉，坡口侧壁向两侧倾斜5°。焊接工艺参数为激光功率4.0kW,激光束离焦量25mm,焊接速度0.9m/min,送丝速度2.2m/min。图6所示为20mm厚D406A高强钢窄间隙激光填丝焊接接头横截面，成形良好，且熔宽沿厚度方向较为均匀。

Claims (8)

1.一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）、计算待焊板厚为t₀时需要激光离焦量f值，计算离焦量为f时对应的光斑半径w(f)：

式中，φ 为激光焊接头的入射光纤直径，F_c为准直镜焦距，F为聚焦透镜距；BPP为光束参数积；w₀为高斯光束束腰半径；Z_R为瑞利长度；λ为激光束波长；M²为光束质量因子；H为焊接头底部与焦平面的垂直距离；D为焊丝直径；

步骤2）、根据待焊板厚为t₀时需要的激光离焦量f值，在待焊板平板上焊接单条堆焊，得到焊道宽度w_i；

步骤3）、根据侧壁熔化条件和空间干涉分析获得预期成形坡口宽度w，满足D＜w＜w_i，且2w(f)＞w，即可得到坡口宽度尺寸，具体的，0＜w-D≤0.5mm，0＜2w(f)-w≤0.5mm，坡口深度t需满足t<H+f，t-t₀≤0.5mm，t₀为待焊板厚。

2.根据权利要求1所述的一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，其特征在于，光斑半径w(f)具体计算方法如下：高斯光束沿透镜轴线方向上的传输特征参数如式1）：

对于经光纤传输后的光束聚焦系统，光束束腰半径w₀可根据以下公式确定：

根据公式（1）~（4），得出不同离焦量f时对应的光斑半径即为：

（5）。

3.根据权利要求1所述的一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，其特征在于，采用实验法在待焊板平板上单道堆焊成形良好的焊道，多次试验得到w_i范围值。

4.根据权利要求1所述的一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，其特征在于，根据得到的坡口深度t和坡口宽度w，在待焊试板上机加出坡口，底部留有打底焊道，完成窄间隙激光填丝焊接。

5.根据权利要求1所述的一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，其特征在于，待焊板厚度t₀＞100 mm。

6.根据权利要求1所述的一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，其特征在于，坡口宽度w为1.5 mm~10 mm。

7.根据权利要求4所述的一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，其特征在于，打底焊道厚度为0.5~2 mm。

8.根据权利要求4所述的一种窄间隙激光填丝焊接板的坡口宽度计算方法，其特征在于，坡口侧壁向外侧倾斜0°~10°。

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