CN110560905A - 一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺 - Google Patents

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丁东红
杨景卫
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Abstract

本发明提供了一种应用于焊接技术领域的中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，其包括以下步骤：对待焊接工件的表面进行打磨或清洗，然后将打磨或清洗后的待焊接工件固定在焊接工装夹具之上；选择直径为1.2mm的高强钢MAG焊焊丝作为焊接材料；采用体积分数为80％‑90％的Ar及体积分数10％‑20％的CO2混合保护气体，100％的Ar工件背面底部保护气，对母材进行激光电弧复合焊接。本发明公开的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，具有不需预热、不开坡口、单道焊双面成形、全熔透、焊缝成形好以及无焊接气孔、裂纹、咬边、驼峰以及飞溅小、焊接效率高的优点。

Description

一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺。
背景技术
目前国内外对于船用钢的焊接主要集中传统焊接方法以及改良的传统焊接方法上。虽然传统焊接方法的成本相对较低，但是其易产生未熔合、咬边以及焊瘤等缺陷。另外，传统的焊接方式不仅需要开设较大的焊接坡口、较多的填充焊丝以及较大的焊接热输入，还容易产生较大的焊接变形以及焊接效率低、质量差、激光电弧复合焊接飞溅大、焊缝成形差等问题。
经过检索发现一些典型现有技术，如申请号为201310354614.5的专利公开了一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法及其夹具，该专利具有降低残余应力和变形，以及易于实现生产过程的自动化等优点。又如申请号为201210490879.3的专利公开了一种高强钢焊接方法，该专利采用激光和电弧双热源，得到的高强钢焊接结构中焊缝处的热影响区软化现象较低，提高了承力较大的焊接结构的安全性。又如申请号为201610842690.4的专利公开了一种提高激光-电弧复合焊接过程稳定性的焊接方法，该专利通过对保护气体进行低温处理，并在电弧焊枪一侧附加单独的旁轴保护气，其轴线方向指向激光作用点及其上方，可以提高焊接过程的稳定性。
可见，如何利用激光电弧对钢板进行焊接，其实际应用中的亟待处理的实际问题(如提高焊接效率以及稳定性等)还有很多未提出具体的解决方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足提供了一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，本发明的具体技术方案如下：
一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，包括以下步骤：
对待焊接工件的表面进行打磨或清洗，然后将打磨或清洗后的待焊接工件固定在焊接工装夹具之上；
选择直径为1.2mm的高强钢MAG焊焊丝作为焊接材料；
采用体积分数为80％-90％的Ar及体积分数10％-20％的CO2作为混合保护气体以及100％的Ar作为工件背面底部保护气，对母材进行激光电弧复合焊接；
其中，激光功率为2至10kW，送丝速度为3至8m/min，焊接速度为1.5至2.1m/min，离焦量为-4至0mm，光丝间距1至4mm，激光束与母板之间所成夹角为90°，焊枪与水平面倾斜角度为25至45°。
可选的，所述焊接材料的牌号为ER50-6或ER70S-6。
可选的，所述中厚船用高强钢板厚度为4至20mm。
可选的，所述中厚船用高强钢板不开坡口。
可选的，所述混合保护气体的流量为10至20L/min，所述工件背面底部保护气的流量为15至30L/min。
可选的，激光器采用YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器。
可选的，电弧采用MAG焊。
本发明所取得的有益效果包括：本发明公开的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，具有不需预热、不开坡口、单道焊双面成形、全熔透、焊缝成形好以及无焊接气孔、裂纹、咬边、驼峰以及飞溅小、焊接效率高的优点。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明，将重点放在示出实施例的原理上。
图1是本发明实施例之一中的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺的流程示意图；
图2是本发明实施例中激光电弧复合焊接的示意图；
图3是本发明实施例一中激光电弧复合焊接的效果示意图；
图4是本发明实施例二中激光电弧复合焊接的效果示意图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内、包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明为一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，根据图1-4所示讲述以下实施例：
实施例一：
如图1所示，一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，包括以下步骤：
对待焊接工件的表面进行打磨或清洗，然后将打磨或清洗后的待焊接工件固定在焊接工装夹具之上；
选择直径为1.2mm的高强钢MAG焊焊丝作为焊接材料，所述焊接材料的牌号可以是ER50-6或ER70S-6；
采用体积分数为80％-90％的Ar及体积分数10％-20％的CO2作为混合保护气体，采用100％的Ar作为工件背面底部保护气，对母材进行激光电弧复合焊接；
其中，激光功率为2至10kW，送丝速度为3至8m/min，焊接速度为1.5至2.1m/min，离焦量为-4至0mm，光丝间距1至4mm，激光束与母板之间所成夹角为90°，焊枪与水平面倾斜角度为25至45°。
进一步地，所述中厚船用高强钢板厚度为4至20mm，所述中厚船用高强钢板不开坡口。
进一步地，所述混合保护气体的流量为10至20L/min，所述工件背面底部保护气的流量为15至30L/min。
进一步地，激光器采用YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器，电弧采用MAG焊。
本实施例对8mm厚的船用高强钢AH32钢板进行激光-MAG复合焊，试验母材为AH32船用高强钢，规格为200mm×150mm，接头形式为不开坡口，采用Φ＝1.2mm的ER50-6焊丝和单道成形焊接工艺，试验设备采用由碟片激光与熔化极电弧组成的旁轴复合焊接系统。在试验过程中激光束垂直入射到工件，焊枪与激光束夹角为35°，并采用激光在前、电弧在后的方式复合焊接，如图2所示。
激光器型号为Trupmf Trudisk 10002，波长为1030nm，激光头准直焦距为200mm，聚焦焦距为300mm，传输光纤芯径为400μm；，弧焊电源型号Fronius TPS5000，电弧输出采用一元化控制，即送丝速度控制焊接电流、电压。焊接过程中采用KUKA KR60机械手带动复合焊接头进行运动实现焊接。
激光-MAG复合焊工艺参数：激光功率7kW、送丝速度3.5m/min，焊接速度1.8m/min，离焦量为-1.5mm,光丝间距为1mm。焊接过程中采用体积分数为80％Ar和体积分数为20％CO2混合保护气，气体流量14L/min，工件背面底部保护采用100％Ar，气体的流量为25L/min。激光-MAG复合焊接焊缝成形良好，如图3所示。
实施例二：
如图1所示，一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，包括以下步骤：
对待焊接工件的表面进行打磨或清洗，然后将打磨或清洗后的待焊接工件固定在焊接工装夹具之上；
选择直径为1.2mm的高强钢MAG焊焊丝作为焊接材料，所述焊接材料的牌号可以是ER50-6或ER70S-6；
采用体积分数为80％-90％的Ar及体积分数10％-20％的CO2作为混合保护气体，采用100％的Ar作为工件背面底部保护气，对母材进行激光电弧复合焊接；
其中，激光功率为2至10kW，送丝速度为3至8m/min，焊接速度为1.5至2.1m/min，离焦量为-4至0mm，光丝间距1至4mm，激光束与母板之间所成夹角为90°，焊枪与水平面倾斜角度为25至45°。
进一步地，所述中厚船用高强钢板厚度为4至20mm，所述中厚船用高强钢板不开坡口。
进一步地，所述混合保护气体的流量为10至20L/min，所述工件背面底部保护气的流量为15至30L/min。
进一步地，激光器采用YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器，电弧采用MAG焊。
本实施例对10mm厚的船用高强钢AH32钢板进行激光-MAG复合焊，试验母材为AH32船用高强钢，规格为200mm×150mm，接头形式为不开坡口，采用Φ＝1.2mm的ER50-6焊丝和单道成形焊接工艺，试验设备采用由碟片激光与熔化极电弧组成的旁轴复合焊接系统。在试验过程中激光束垂直入射到工件，焊枪与激光束夹角为35°，并采用激光在前、电弧在后的方式复合焊接，如图2所示。
激光器型号为Trupmf Trudisk 10002，波长为1030nm，激光头准直焦距为200mm，聚焦焦距为300mm，传输光纤芯径为400μm，弧焊电源型号Fronius TPS5000，电弧输出采用一元化控制，即送丝速度控制焊接电流、电压。焊接过程中采用KUKA KR60机械手带动复合焊接头进行运动实现焊接。
激光-MAG复合焊工艺参数：激光功率10kW、送丝速度7m/min，焊接速度2.1m/min，离焦量为-3mm,光丝间距为1mm。焊接过程中采用体积分数为80％Ar和体积分数为20％CO2混合保护气，气体流量14L/min，工件背面底部保护采用100％Ar，气体的流量为25L/min。激光-MAG复合焊接焊缝成形良好，如图4所示。
本发明通过激光-电弧复合焊，解决传统的焊接方式不仅需要开设较大的焊接坡口、较多的填充焊丝以及较大焊接热输入，还容易产生较大的焊接变形以及焊接效率低、质量差、激光电弧复合焊接飞溅大、焊缝成形差等问题，具有不需预热、不开坡口、单道焊双面成形、全熔透、焊缝成形好以及无焊接气孔、裂纹、咬边、驼峰以及飞溅小、焊接效率高的优点。
实施例三：
一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，包括以下步骤：
对待焊接工件的表面进行打磨或清洗，然后将打磨或清洗后的待焊接工件固定在焊接工装夹具之上，并根据高强钢板型号的不同调整工件之间焊缝的宽度；
选择直径为1.2mm的高强钢MAG焊焊丝作为焊接材料，所述焊接材料的牌号可以是ER50-6或ER70S-6；
调整激光器与工件之间的相对位置，使激光束垂直入射到工件，同时调节激光器功率、离焦量以及光丝间距；
调整焊枪与水平面之间的倾斜角度，同时调节送丝速度以及焊接速度；
采用体积分数为80％-90％的Ar及体积分数10％-20％的CO2作为混合保护气体以及100％的Ar作为工件背面底部保护气，调节混合保护气体的流量以及工件背面底部保护气的流量；
打开激光器后然后引燃电弧，以对母材进行激光电弧复合焊接；
实时检测激光电弧复合焊接的瞬时功率，根据检测到的瞬时功率调整激光器功率，直到瞬时功率与预设的激光器功率一致；
复合焊接完毕，关闭激光器以及电弧；
其中，实时检测激光电弧复合焊接的瞬时功率包括以下步骤：
第一步，采样N个1S时间内熔化1mm长度的高强钢MAG焊焊丝所需的功率，得到1S时间内熔化1mm长度的高强钢MAG焊焊丝所需的平均功率为N为大于1的自然数；
第二步，利用CCD图像传感器，以ΔT的间隔时间采样焊丝原始图像；
第三步，对焊丝的原始图像进行彩色图像转灰度图像处理，得到灰度图像的灰度级矩阵；
使用高斯平滑滤波器对灰度图像进行滤波，消除灰度图像的随机噪声：
其中，其中f(x，y)表示每个像素点的灰度值，w表示滤波区域长度，噪声系数ξ的选取原则为在消除图像噪声的同时也不影响焊丝原始图像边缘的清晰性；
第三步，对滤波后的灰色图像进行处理，提取焊丝的二值化轮廓图像；
第四步，在二值化轮廓图像中设定起点(Xb,Yb)和搜索方向，从起点(Xb,Yb)沿着搜索方向移动一个像素，判断该像素的灰度值是否为1，若为1则搜索到焊丝的顶点(X1,Y1)；反之，则认为还未搜索到焊丝的边界，然后沿着搜索方向再延长一个像素，直到延长出的像素灰度值为1，则搜索到焊丝的顶点(x1,y1)；
第五步，设定激光光斑中心在图像中的像素坐标为(X0,Y0)，若X0>X1，此时激光器不出光，激光器的功率为0，若X0<X1，计算出焊丝顶点距离激光光斑中心的距离为
第六步，计算激光电弧复合焊接的瞬时功率为
通过实时检测激光电弧复合焊接的瞬时功率，并根据检测到的瞬时功率调整激光器功率，直到瞬时功率与预设的激光器功率一致，可以保证每次焊接时激光器的焊接功率与速度匹配，实现更好的焊接效果。
例如，当激光器的功率设定为5kW，而检测到的瞬时功率为4.9kW,这时这可以微调激光器的功率，直到瞬时功率变为5kW。
激光功率为2至10kW，送丝速度为3至8m/min，焊接速度为1.5至2.1m/min，离焦量为-4至0mm，光丝间距1至4mm，激光束与母板之间所成夹角为90°，焊枪与水平面倾斜角度为25至45°。
进一步地，所述中厚船用高强钢板厚度为4至20mm，所述中厚船用高强钢板不开坡口。
进一步地，所述混合保护气体的流量为10至20L/min，所述工件背面底部保护气的流量为15至30L/min。
进一步地，激光器采用YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器，电弧采用MAG焊。
综上所述，本发明公开的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，具有不需预热、不开坡口、单道焊双面成形、全熔透、焊缝成形好以及无焊接气孔、裂纹、咬边、驼峰以及飞溅小、焊接效率高的优点。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法、系统和设备是示例，各种配置可以适当地省略、替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法和/或可以添加、省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本发明公开或权利要求的范围。
在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置,例如已经示出了众所周知的电路、过程、算法、结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本发明公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，包括以下步骤：
对待焊接工件的表面进行打磨或清洗，然后将打磨或清洗后的待焊接工件固定在焊接工装夹具之上；
选择直径为1.2mm的高强钢MAG焊焊丝作为焊接材料；
采用体积分数为80％-90％的Ar及体积分数10％-20％的CO2作为混合保护气体以及100％的Ar作为工件背面底部保护气，对母材进行激光电弧复合焊接；
其中，激光功率为2至10kW，送丝速度为3至8m/min，焊接速度为1.5至2.1m/min，离焦量为-4至0mm，光丝间距1至4mm，激光束与母板之间所成夹角为90°，焊枪与水平面倾斜角度为25至45°。
2.如权利要求1所述的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，所述焊接材料的牌号为ER50-6或ER70S-6。
3.如权利要求2所述的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，所述中厚船用高强钢板厚度为4至20mm。
4.如权利要求3所述的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，所述中厚船用高强钢板不开坡口。
5.如权利要求4所述的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，所述混合保护气体的流量为10至20L/min，所述工件背面底部保护气的流量为15至30L/min。
6.如权利要求5所述的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，激光器采用YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器。
7.如权利要求6所述的一种中厚船用高强钢板激光电弧复合焊接工艺，电弧采用MAG焊。
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