CN110842363B

CN110842363B - 一种基于激光-co2电弧复合免清根打底焊的方法

Info

Publication number: CN110842363B
Application number: CN201911133357.6A
Authority: CN
Inventors: 郑天泽; 薛瑞博; 王子杰; 周方明; 刘江伊
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2039-11-19
Also published as: CN110842363A

Abstract

本发明公开了一种基于激光‑CO₂电弧复合免清根打底焊的方法，涉及一种激光‑CO₂复合焊接技术，为了解决现有的CO₂电弧焊技术在不增加热输入的的情况下对开有K型坡口T型接头进行打底焊时，需要进行背面清根工作并且容易出现未焊透、夹渣和气孔等缺陷的问题。本发明采用激光‑CO₂电弧复合进行打底焊接，电弧在前引导激光束，并且两者作用于同一熔池当中，通过激光和电弧的协同作用，改变了熔滴过渡方式、增加了熔池的流动性，利于液态金属向坡口根部流淌、夹渣的上浮、气体的逸出，提高了焊缝质量。另外，本发明省去了背面清根工作，提高了焊接生产率、减少了环境污染、保护了焊接人员的身体健康。

Description

一种基于激光-CO2电弧复合免清根打底焊的方法

技术领域

本发明涉及焊接方法，具体涉及一种基于激光-CO₂电弧复合免清根打底焊的方法。

背景技术

CO₂气体保护焊是目前应用最广，发展速度最快的一种高效焊接技术，与其他电弧焊相比，它具有高效、低成本、抗氢气孔能力强等特点。但目前仍然存在一些问题和不足，如焊接过程中电弧作用力较小，熔深较浅，电弧不稳定，飞溅大等问题。在工厂使用CO₂气体保护焊实际生产中，T型角接焊缝及留钝边的对接焊缝中，会存在因电弧力不足而导致未焊透缺陷。未焊透缺陷易引起应力集中，焊缝的抗疲劳强度大大下降，而且未焊透处也是裂纹产生的根源，因此未焊透缺陷严重影响了产品的使用安全。此外，船舶建造中，焊接是最重要的环节，需要将各个板材进行连接，其中T型连接占了很大一部分。在生产中，工厂为了解决T型接头根部未焊透问题，一般采取大坡口工艺进行焊接，同时还要配合反面气刨清根、打磨坡口等工作，该工艺不仅增加了坡口加工及焊接的工作量，还增加了焊接材料的使用，人力成本及材料成本都增加，不符合现在高效焊接的发展大趋势。

经过对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：201811243168.X，名为“一种基于光束扫描的激光-热丝MIG复合打底焊接方法”的专利提供了一种利用激光-热丝MIG复合进行打底的焊接方法，该专利利用摆动的激光束搅动熔池，改变了焊接熔池的受力状态，改善了平板对接焊缝背面的成形效果。但是该工艺方法采用的激光功率至少要大于1000W，激光功率大，设备及其维护成本高；并且是与热丝MIG焊进行复合的，保护气为氩气，增加了使用成本；另外，该工艺方法仅适用于平板对接，还不能实现免清根焊接，使其应用范围大大受限。此外，还有其他一些文献也公开了中厚板免清根焊接的方法，如打底焊时使用焊接衬垫，但是该工艺大大增加了装配成本，并且焊接完成后需要的衬垫进行处理。

因此，针对应用面较广的T型接头的免清根熔透焊接，探索低成本、高效率的新型焊接方法是非常有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题正是对上述存在的技术不足，提供一种操作方便，能够快速进行背面免清根的T型熔透焊接，从而提高生产效率、节约生产成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于激光-CO₂电弧复合免清根打底焊的方法，利用低功率光纤与目前使用率最高的CO₂气体保护焊复合对T型接头进行打底焊，利用激光和电弧协同作用，表现出“1+1＞2”的效果，从而实现对T型接头背面焊缝的免清根焊接，并且两道打底焊都能很好的熔透。

具体地，本发明提出的一种基于激光-CO₂电弧复合免清根打底焊的方法包括以下步骤：

1)焊接材料的选用：试验材料选用碳素钢，翼板厚10～50mm，腹板厚 10～50mm；焊丝为普通碳素钢实心焊丝；

2)坡口形状的选择与加工：腹板两侧分别加工单边40°～45°的单V形坡口，预留钝边0～1mm；焊前对坡口附近进行打磨，去除焊板表面残留的杂质，使用丙酮擦拭、清洗焊板，去除残余油污；

3)焊前拼装、夹紧：将翼板放置于焊接工作平台上，把腹板放置在翼板的中心位置并与翼板垂直，预留间隙0～1mm，用CO₂气体保护焊在两端进行点焊固定并且加装防变形支撑板；通过焊接夹具将T型接头夹紧固定；

4)复合焊：设定焊接参数，在激光和CO₂气体保护焊下进行复合焊接，整体为电弧在前引导激光的旁轴复合方式。

优选地，选用连续性光纤激光，与翼板成10°～15°夹角入射，离焦量为-3～0mm，光丝间距为0～3mm。

其中，所述激光由最高功率为500W的小功率连续性光纤激光器产生。

具体地，焊接参数为：焊接电流150～180A，焊接电压20～28V，气体流量 20～25L/min，干伸长10～15mm，焊接速度1～2m/min，焊枪夹角为45°～75°、行走角为70°～80°。

利用本发明的方法进行完正面打底焊后，不用做任何清根处理即可进行背面的打底焊，并且两边都能熔透。

其中，所述的碳素钢为Q235B、Q275B、25#钢中的任意一种。

所述焊丝为ER49-1、ER50-3、ER50-6中的任意一种

本发明的有益效果是：在不需要对现有的CO₂气体保护焊设备做任何的更新换代的同时，只需增加一套低成本的低功率激光器即可完成激光-CO₂电弧的复合对T型接头的免清根熔透焊，同时，免除清根工序也节约了碳弧气刨所去除的母材焊缝金属和大量的人工费，具有方法简单、易于操作的特点。

附图说明

图1为本发明实施例腹板坡口加工示意图；

图2为本发明实施例T型接头摆放位置示意图；

图3为本发明实施例焊枪位姿示意图；

图4为本发明实施例激光电弧复合示意图；

图5为实施例1中两种焊接方法焊接效果对比图，其中，(a)为纯CO₂电弧焊，175A，26V，(b)为400W激光-CO₂复合焊，170A，20V；

图6为实施例2中两种焊接方法焊接效果对比图，其中，(a)为纯CO₂电弧焊，175A，26V，(b)为400W激光-CO₂复合焊，165A，23V；

图中：1-翼板；2-腹板；3-防变形支撑板；4-焊枪喷嘴；5-焊丝；6-焊枪；7- 激光聚焦系统。

具体实施方式

本发明所述一种基于激光-CO₂电弧复合免清根打底焊的方法，通过低功率光纤与目前使用率最高的CO₂气体保护焊复合对T型接头进行打底焊，通过激光和电弧协同作用，表现出“1+1＞2”的效果，从而实现对T型接头背面焊缝的免清根焊接，并且两道打底焊都能很好的熔透。结合图2和图3，对具体步骤进行以下说明：

步骤一、准备好待焊接设备、焊材和辅材，包括：光纤激光器、水冷箱、 CO₂气保护焊设备、腹板1件、翼板1件、Φ1.2mm实心焊丝、反变形支撑件若干和其他辅材等；

步骤二、依照设计图完成腹板坡口的加工，如附图1所示，两侧坡口角度α应满足40°≤α≤45°，坡口钝边应不大于1mm；

步骤三、将翼板放置于平台上，把腹板安放在翼板的中心线上，不预留间隙，用CO₂气体保护焊在两端进行点焊固定并且安放防变形支撑，如附图2所示；

步骤四、将拼装好的T型接头水平放置在焊接工作平台上，并使用工装夹具将其进行固定；

步骤五、调整焊枪、激光束和工件的相对位置进行施焊。

所述激光是国产低功率光纤激光，最大功率为500W；所述光丝间距D_La的取值范围为0～3mm；所述离焦量D_f的取值范围为-3～0mm；所述激光束垂直于水平工作台入射；

所述与激光进行复合的是CO₂气体保护焊，所述焊接电流I的取值范围为 150～180A；所述焊接电压U的取值范围为20～28V；所述焊接速度为1～2m/min；所述气体流量为20～25L/min；所述焊丝干伸长的取值范围为10～15mm；所述焊枪姿态角γ、β的取值范围为45°≤γ≤75°、70°≤β≤80°，如附图3所示；

所述激光-CO₂电弧复合的方式为电弧在前引导激光的旁轴复合。

下面通过详细的实施例对发明方案的技术效果进行说明。

实施例1：

1、焊前准备步骤：

翼板、腹板的尺寸分别为300×200×50mm和300×100×50mm，材质为Q235B，腹板坡口如图1所示，其中α为45°，钝边和装配间隙为1mm，装配完成后，对工件焊缝坡口及附近20mm范围内进行打磨抛光、除锈和除油处理。

2、焊接参数设定：

根据所述板件的厚度、所述坡口间隙、钝边的的大小设定焊接参数为：

激光-CO₂电弧复合焊的工艺参数：电流为170A，电压为20V，干伸长为13mm，气流量为25L/min，焊接速度为1m/min；另外，光丝间距为1mm，离焦量为-1mm，激光功率为400W，激光束与翼板的夹角为10°。

普通CO₂气体保护焊的工艺参数：电流为175A，电压为26V，干伸长为13mm，气流量为25L/min，焊接速度为1m/min。

3、焊接施焊步骤：

此实施例进行T型接头单面焊，将激光器打开持续5s，然后按下起弧开关，几乎同时启动行走机构进行焊接，待行走至预定步数后即可停止焊接。

4、焊接效果

本实施例中进行了普通二氧化碳气体保护焊和激光—CO₂复合焊对T型接头单面焊接的效果对比。由于激光的加入，将电弧牢牢固定在坡口底部，热量集中，提高了电弧热的利用率，增加了焊接熔深，实现了全熔透的焊接效果，而普通二氧化碳气体保护焊则不能实现此效果。

具体焊接效果对比见说明书附图图5。

实施例2：

1、焊前准备步骤：

翼板、腹板的尺寸分别为300×200×30mm和300×100×30mm，材质为 Q235B，腹板坡口如图1所示，其中α为43°，钝边和装配间隙为1mm，装配完成后，对工件焊缝坡口及附近20mm范围内进行打磨抛光、除锈和除油处理。

2、焊接参数设定：

激光-CO₂电弧复合焊的工艺参数：电流为165A，电压为23V，干伸长为13mm，气流量为25L/min，焊接速度为1m/min；另外，光丝间距为1mm，离焦量为-1mm，激光功率为400W，激光束与翼板的夹角为10°。

3、焊接施焊步骤：

此实施例进行T型接头双面焊，将激光器打开持续5s，然后按下起弧开关，几乎同时启动行走机构进行焊接，待行走至预定步数后即可停止焊接。

4、焊接效果

本实施例中进行了普通二氧化碳气体保护焊和激光—CO₂复合焊对T型接头单面焊接的效果对比。由于激光的加入，将电弧牢牢固定在坡口底部，热量集中，提高了电弧热的利用率，增加了焊接熔深，实现了全熔透的焊接效果，在焊接另一面时没有附加的清根工作，而普通二氧化碳气体保护焊则不能实现此效果。

具体焊接效果对比见说明书附图图6。可以看出，图5b实现了单侧全熔透的效果，图6b双侧免清根全熔透的效果。对于T型接头的焊接，普通的二氧化碳气体保护焊都不能实现T型接头的全熔透，再加入激光后，由于激光与电弧的相互作用，实现了T型接头的全熔透。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动。

Claims

1.一种基于激光-CO₂电弧复合免清根打底焊的方法，包括以下步骤：

1）焊接材料的选用：试验材料选用碳素钢，翼板厚10～50mm，腹板厚10～50mm；焊丝为普通碳素钢实心焊丝；

2）坡口形状的选择与加工：腹板两侧分别加工单边40°～45°的单V形坡口，预留钝边0～1mm；焊前对坡口附近进行打磨，去除焊板表面残留的杂质，使用丙酮擦拭、清洗焊板，去除残余油污；

3）焊前拼装、夹紧：将翼板放置于焊接工作平台上，把腹板放置在翼板的中心位置并与翼板垂直，预留间隙0～1mm，用CO₂气体保护焊在两端进行点焊固定并且加装防变形支撑板；通过焊接夹具将T型接头夹紧固定；

4）复合焊：设定焊接参数，在激光和CO₂气体保护焊下进行复合焊接，整体为电弧在前引导激光的旁轴复合方式，其中焊接电流150～180A，焊接电压20～28V，所述激光由最高功率为500W的小功率连续性光纤激光器产生,激光与翼板成10°～15°夹角入射，离焦量为-3～0mm，光丝间距为0～3mm；焊接参数为：气体流量20～25L/min，干伸长10～15mm，焊接速度1～2m/min，焊枪夹角为45°～75°、行走角为70°～80°。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳素钢为Q235B、Q275B、25#钢中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊丝为ER49-1、ER50-3、ER50-6中的任意一种。