CN110883431A - 一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法。包括激光焊接方法和电弧焊接方法，所述激光焊接方法包括：开启激光焊接装置，并分级增加所述激光焊接装置的激光焊接热源功率至设定值；保持激光焊接热源功率不变的情况下继续进行焊接；分级降低激光焊接热源功率直至功率为零；所述电弧焊接方法包括：在激光焊接热源功率持续增加到一定功率时启动电弧焊接装置，并保持电弧焊接装置输出功率不变直至激光焊接装置的功率为零；持续降低电弧焊接装置的输出功率直至功率为零。有利于抑止焊接裂纹的产生和焊接气孔的产生或长大，从而获得更好的焊接效果。

Description

一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法

技术领域

本发明涉及激光电弧复合焊接技术领域，特别是涉及一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法。

背景技术

激光电弧复合焊接是一种既能够保持激光焊接热输入低、焊接速度快、焊缝深宽比大、焊接质量优良等优点，还能够克服焊前装配精度要求高的局限性的全新焊接方式。其中，激光-TIG电弧复合焊接因过程平稳，电弧稳定性好，更易于获得良好的焊缝成形，在工程领域获得广泛应用。

对于环形焊缝的激光焊接或激光电弧复合焊接，由于无法外加起弧板和收弧板，故在封闭搭接区域(即起弧区和收弧区)往往成为缺陷高发区。在起弧区和收弧区部位，参阅附图1和附图2所示，根据激光焊接小孔的作用深度可以分为激光热导焊接模式区间Ⅰ、模式转换区间Ⅱ、激光深熔焊接模式且未穿透焊接区间Ⅲ和激光深熔焊接模式且穿透焊接区间Ⅳ。上述区间Ⅰ和区间Ⅳ产生焊接缺陷的机率较小；区间Ⅱ的焊接小孔处于瞬间失稳状态，极易产生焊接裂纹、气孔等缺陷；区间Ⅲ的小孔内的金属蒸汽/等离子体无法从小孔底部溢出，极易导致小孔型气孔等超标缺陷。

同时，在激光-TIG电弧复合焊接过程中，由于存在激光束、TIG电弧两个热源，有时还需要增加热丝电源，故TIG电弧产生的热能更易于损伤复合的其他热源的装置。同时，在窄间隙或超窄间隙焊接过程中，TIG电弧钨极尖端通过与母材表面的最短距离放电引弧，钨极与焊接坡口两侧壁距离的不确定性极易导致TIG电弧漂移，从而影响焊接质量。

鉴于此，如何提出获得更高质量的起弧区和收弧区的环形焊缝焊接效果的激光电弧复合焊接方法是本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法。包括双级缓升缓降的激光焊接方法和电弧焊接方法。有利于抑止焊接裂纹的产生和焊接气孔的产生或长大，从而获得更好的焊接效果。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，包括激光焊接方法和电弧焊接方法，所述激光焊接方法包括：开启激光焊接装置，并分级增加所述激光焊接装置的激光焊接热源功率至设定值；保持激光焊接热源功率不变的情况下继续进行焊接；分级降低激光焊接热源功率直至功率为零；

所述电弧焊接方法包括：在激光焊接热源功率持续增加到一定功率时启动电弧焊接装置，并保持电弧焊接装置输出功率不变直至激光焊接装置的功率为零；持续降低电弧焊接装置的输出功率直至功率为零。

进一步地，在焊接时，所述环形焊缝绕着待焊接工件的轴心转动。

进一步地，所述激光焊接装置开启后，首先以斜率为K1的速率持续增加激光焊接热源功率；随后，所述激光焊接装置以斜率为K2的速率持续增加激光焊接热源功率。

进一步地，所述K1大于K2，且所述K2大于零。

进一步地，所述电弧焊接装置在所述激光焊接装置的激光焊接热源功率以斜率为K2增加速率的阶段内启动。

进一步地，所述电弧焊接装置从热导焊接转变为深熔焊接的瞬间启动。

进一步地，所述激光焊接装置先以斜率为K3的速率降低激光焊接热源功率，再以斜率为K4的速率降低激光焊接热源功率至功率为零。

进一步地，所述K4小于K3，且所述K3小于零。

进一步地，所述激光焊接方法中采用的激光束包括光纤激光、YAG激光或扫描振镜激光中的一种。

进一步地，激光焊接热源功率的设定值大于电弧焊接装置启动后的输出功率。

(3)有益效果

综上所述，本发明提出了一种采用分级增加激光功率和分级衰减激光功率的激光电弧复合焊接方法，通过分级增加激光功率的方式增加激光作业模式的转换时间，不仅有利于延缓焊接焊缝中小孔打开或闭合的时间差，进一步降低小孔周围液态熔池的表面张力，抑止焊接裂纹的产生，而且还更利于小孔内金属蒸汽/等离子体云获得更好的溢出，抑止焊接气孔的产生或长大，从而获得更好的焊接效果。

本发明的复合焊接方法通过激光功率持续增加，当增加至某一功率时激光瞬间实现深熔焊产生小孔效应并从小孔内喷发的金属蒸汽/等离子体诱导TIG电弧快速起弧，不仅更利于稳定TIG电弧、抑止电弧漂移，而且实现激光焊接向激光TIG电弧复合焊接的无缝衔接过渡；且能进一步增加激光功率，缩短此区间的存在时间，进而抑止小孔型气孔等缺陷的产生和长大。

本发明的复合焊接方法通过延迟关闭TIG电弧的时间，并缩短此区间的存在时间，抑止小孔型气孔等缺陷的产生和长大。

除此之外，通过本复合焊接方法可以使TIG电弧的指向性更好，更有利于在厚板、中厚板窄间隙约束条件下的打底焊接，缩小焊接坡口角度，减少填充焊的填充道次和坡口间隙填充量，即进一步减小焊接热输入和焊接变形量，细化焊缝组织，提高焊接质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中环形焊缝起弧区焊接深度原理示意图。

图2是现有技术中环形焊缝收弧区焊接深度原理示意图。

图3是本发明实施例提出的焊接方法的流程示意图。

图4是本发明实施例提出的激光焊接方法中激光焊接功率的调节示意图。

图5是本发明实施例提出的电弧焊接方法中电弧焊接功率的调节示意图。

图6是本发明实施例提出的复合焊接方法焊接待焊接工件的示意图。

图7是本发明实施例提出复合焊接方法作用在待焊接工件上位置的示意图。

图中：激光束1、TIG焊枪2、焊丝3、送丝轮4、热丝装置5、待焊接工件6、起始位置11、第一模式转换位置12、第一深熔焊接位置处13、第二深熔焊接位置处14、第二模式转换位置15、激光焊接停止位置16。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参照附图3-附图7并结合实施例来详细说明本申请。

参阅附图3所示，本发明实施例的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，包括激光焊接方法和电弧焊接方法，所述激光焊接方法包括：开启激光焊接装置，并分级增加所述激光焊接装置的激光焊接热源功率至设定值；保持激光焊接热源功率不变的情况下继续进行焊接；分级降低激光焊接热源功率直至功率为零；

所述电弧焊接方法包括：在激光焊接热源功率持续增加到一定功率时启动电弧焊接装置，并保持电弧焊接装置输出功率不变直至激光焊接装置的功率为零；持续降低电弧焊接装置的输出功率直至功率为零。

本发明实施例的复合焊接方法工作时，首先开启激光焊接装置，使得激光焊接装置发出的激光作用于待焊接工件的环形焊缝上，此时激光焊接热源功率较低，处于热导焊接模式；然后分级增加激光焊接热源功率，在激光焊接热源功率增加到某一功率，此时激光焊接处于由热导焊接模式转变为深熔焊接模式的时间段，待焊接工件的母材会产生的大量金属蒸汽/等离子体从焊接缝隙的小孔内向外喷发，由此可以启动电弧焊接装置进行，电弧焊接装置在TIG电源电压的作用下，钨极与待焊接工件之间的弧柱被快极引燃，并实现由激光焊接转变为激光-TIG电弧复合焊接；此后，激光焊接热源功率继续增加至设定值并维持稳定，进而保证稳定焊接区的焊接熔透性；在收弧焊接阶段，首先，分级持续衰减激光焊接热源功率，使激光焊接由深熔焊接模式转变为热导焊接模式的时间延长，从而进一步延缓待焊接工件上环形焊缝中的小孔在激光焊接作用模式转换过程中的突变形为，更有利于小孔内的金属蒸汽/等离子体的溢出，有效克服了收焊处的气孔缺陷；最后，在激光焊接结束后，缓慢降低电弧焊接装置的输出功率，TIG电弧功率衰减熄弧，完成整个焊接过程。

本发明实施例提出了一种采用分级增加激光功率和分级衰减激光功率的激光电弧复合焊接方法，通过分级增加激光功率的方式增加激光作业模式的转换时间，不仅有利于延缓焊接焊缝中小孔打开或闭合的时间差，进一步降低小孔周围液态熔池的表面张力，抑止焊接裂纹的产生，而且还更利于小孔内金属蒸汽/等离子体云获得更好的溢出，抑止焊接气孔的产生或长大，从而获得更好的焊接效果。本发明实施例的复合焊接方法通过激光功率持续增加，当增加至某一功率时激光瞬间实现深熔焊产生小孔效应并从小孔内喷发的金属蒸汽/等离子体诱导TIG电弧快速起弧，不仅更利于稳定TIG电弧、抑止电弧漂移，而且实现激光焊接向激光TIG电弧复合焊接的无缝衔接过渡；且能进一步增加激光功率，缩短此区间的存在时间，进而抑止小孔型气孔等缺陷的产生和长大。本发明实施例的复合焊接方法通过延迟关闭TIG电弧的时间，并缩短此区间的存在时间，抑止小孔型气孔等缺陷的产生和长大。

根据本发明实施例的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，环形焊缝绕着待焊接工件的轴心转动。实际焊接过程中，激光焊接装置的激光束、电弧焊接装置的TIG焊枪都处于稳定不动的位置；而电弧焊接装置的焊丝一般会由送丝轮送给，其与待焊接部位的相对位置也保持不变，所以将环形焊缝绕着待焊接工件的轴心转动，有利于持续稳定地将待焊接的焊缝位置暴露在激光束、TIG焊枪附近。

根据本发明实施例的又一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，激光焊接装置开启后，首先以斜率为K1的速率持续增加激光焊接热源功率；随后，所述激光焊接装置以斜率为K2的速率持续增加激光焊接热源功率。本发明实施例通过以K1速率和以斜率K2分级增加激光功率的方式可以增加激光作业模式的转换时间，不仅有利于延缓焊接焊缝中小孔打开或闭合的时间差，进一步降低小孔周围液态熔池的表面张力，抑止焊接裂纹的产生，而且还更利于小孔内金属蒸汽/等离子体云获得更好的溢出，抑止焊接气孔的产生或长大，从而获得更好的焊接效果。

具体地，本发明实施例中K1大于K2，且所述K2大于零。首先，K1、K2均大于零表示上述阶段激光焊接热源功率持续增加，符合深熔焊接对热量的需求；同时K1大于K2表示在K2增长速率段增长速率较K1增长速率段增长速度缓慢，从而可以增加激光小孔作业模式的转换时间，能进一步降低小孔瞬间失稳突变导致的焊接裂纹和气孔缺陷；同时，可以在斜率为K2的增长区间的某一时刻为焊接从热导焊接转变为深熔焊接时刻，此时在激光焊接刚进入深熔焊接时刻即采用激光小孔喷发的金属蒸汽/等离子体诱导TIG电弧快速起弧，可以缩短激光深熔焊接模式且未穿透焊接区间Ⅲ的距离，进一步抑止焊接气孔的产生或长大，并能够稳定TIG电弧、抑止电弧漂移，进一步提高了焊接质量。

具体地，本发明实施例中电弧焊接装置在所述激光焊接装置的激光焊接热源功率以斜率为K2增加速率的阶段内启动。激光焊接装置的激光焊接热源功率在斜率为K1的增长速率阶段内由于斜率K1较大，所以激光焊接装置的激光焊接热源功率增长较快，整个焊接始终处于热导焊接模式阶段，当激光焊接装置的激光焊接热源功率以斜率为K2的增长速率增长时，由于K2较K1比较小且在K2增加速率阶段内，激光焊接从热导焊接模式转变为深熔焊接模式的过程中，有利于增加激光作业模式的转换时间，即延缓焊接小孔打开或闭合的时间差，进一步降低小孔周围液态熔池的表面张力，抑止焊接裂纹的产生，而且还更利于小孔内金属蒸汽/等离子体云获得更好的溢出，抑止焊接气孔的产生或长大，从而获得更好的焊接效果。如前所述，斜率为K2的增长速率时间段的某一点为焊接从热导焊接转变为深熔焊接时刻，在刚进入深熔焊接时刻即采用激光小孔喷发的金属蒸汽/等离子体诱导TIG电弧快速起弧，在复合焊接能量大于激光焊接能量的作用下，可以缩短激光深熔焊接模式且未穿透焊接区间Ⅲ的距离，进一步抑止焊接气孔的产生或长大，并能够稳定TIG电弧、抑止电弧漂移，进一步提高了焊接质量。

具体地，本发明实施例环形焊缝的激光电弧复合焊接方法中电弧焊接装置启动的时刻为深熔焊接时刻。斜率为K2增长速率的时间段内，环形焊缝处于激光焊接小孔的生成区间，小孔打开或闭合的瞬间失稳现象更加活跃，较低的增长速率更有利于延缓焊接小孔打开或闭合的时间差，进一步降低小孔周围液态熔池的表面张力，抑止焊接裂纹的产生，而且还更利于小孔内金属蒸汽/等离子体云获得更好的溢出，抑止焊接气孔的产生或长大，从而获得更好的焊接效果。

根据本发明实施例的另一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，所述激光焊接装置先以斜率为K3的速率降低激光焊接热源功率，再以斜率为K4的速率降低激光焊接热源功率至功率为零；具体地，K4小于K3，且所述K3小于零。首先环形焊缝在深熔焊接阶段保持激光电弧复合焊接，当处于收弧阶段时，一方面K4小于K3说明收弧开始阶段激光焊接热源功率降低速率较为缓慢，有利于延缓焊接焊缝中小孔打开或闭合的时间差，进一步降低小孔周围液态熔池的表面张力，抑止焊接裂纹的产生；另一方面在收弧的最后阶段采用K4降低速率快于K3降低速率，可以缩短收弧区的激光深熔焊接模式且未穿透焊接区间Ⅲ的存在时间，能进一步抑止小孔型气孔等缺陷的产生和长大。最后，通过延迟关闭TIG电弧，抑止弧坑裂纹等焊缝缺陷，进一步提高焊接质量。

具体地，本发明实施例中的激光焊接方法中采用的激光束可以包括光纤激光、YAG激光或扫描振镜激光中的一种，其不应该构成对本申请的限制。

具体地，本发明实施例中激光焊接热源功率的设定值可以大于电弧焊接装置启动后的输出功率。

最后，在本发明的又一个实施例中以具体的环形工件，通过激光-热丝TIG复合焊接来说明本发明的实施例，本发明实施例的激光-热丝TIG复合焊接方法主要包括以下过程：

首先，如附图6所示，待焊接工件6在焊接工作台上可以围绕其轴向方向逆时针进行转动，激光焊接装置的激光束1竖直向下设置，靠近待焊接工件6表面上的环形焊缝区域，TIG焊枪2设置在焊缝的左侧，焊丝3由送丝轮4送至待焊接工件6的环形焊缝区域，且靠近环形焊缝区域的焊丝3由热丝装置5对焊丝3进行加热。

参阅附图4、附图5和附图7所示，当激光束1的激光焊接热源作用于待焊接工件6的起始位置11时，激光功率为0kW；随待焊接工件6旋转，激光功率持续增加，此阶段为激光热导焊接模式阶段；当第一模式转换位置12移动到最上端位置时，激光功率增加至P3，此时为激光热导焊接模式转换为激光深熔焊接模式的转换阶段；之后，激光功率继续增加，当激光功率增加到P2时，激光焊接由热导焊接模式转变为深熔焊接模式，在此瞬间，待焊接工件6产生的大量金属蒸汽/等离子体从小孔内向外喷发，在TIG电弧电源电压的作用下，钨极与待焊接工件6之间的弧柱被快极引燃，并实现由激光焊接转变为激光-TIG电弧复合焊接；随后待焊接工件6持续转动到第一深熔焊接位置处13，激光功率也增长到P1；其中起始位置11到第一深熔焊接位置处13称之为起弧区。

随待焊接工件6的继续旋转，从第一深熔焊接位置处13位于待焊接工件6的正上方始，环形工件旋转一周并继续旋转，直至第二深熔焊接位置处14位于随待焊接工件6的正上方，此阶段激光功率始终保持P1不变，TIG电弧焊接能量也保持不变，此区域为中间的稳定深熔焊接区。

随待焊接工件6的继续旋转，从第二深熔焊接位置处14开始，激光功率开始衰减。当第二模式转换位置15位于待焊接工件6的正上方时，激光功率衰减至P4；之后，激光功率继续衰减，当激光焊接停止位置16位于待焊接工件6的正上方时，激光功率衰减至0kW。在激光功率衰减过程中，TIG电弧焊能量维持稳定。当无激光能量输入时，TIG电弧焊能量也衰减熄弧。因此，第二深熔焊接位置处14和激光焊接停止位置16之间也称之为收弧区。

为保证焊接过程中有足够的液态金属和金属回填，经热丝装置5加热的焊丝3从复合焊接进入稳定焊接区开始送丝，即当第一深熔焊接位置处13位于待焊接工件6的正上方时开始送丝。当激光功率衰减至P4时停止送丝，即当第二模式转换位置15位于待焊接工件6的正上方时停止送丝。

需要说明的是，上述起始位置11、第一模式转换位置12、第一深熔焊接位置处13、第二深熔焊接位置处14、第二模式转换位置15以及激光焊接停止位置16之间的距离由待焊接工件6的回转速度、回转半径、厚度、激光缓升缓降的能量调控时间以及光弧时间间隔而定。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，包括激光焊接方法和电弧焊接方法，所述激光焊接方法包括：

开启激光焊接装置，并分级增加所述激光焊接装置的激光焊接热源功率至设定值；

保持激光焊接热源功率不变的情况下继续进行焊接；

分级降低激光焊接热源功率直至功率为零；

所述电弧焊接方法包括：

在激光焊接热源功率持续增加到一定功率时启动电弧焊接装置，并保持电弧焊接装置输出功率不变直至激光焊接装置的功率为零；

持续降低电弧焊接装置的输出功率直至功率为零。

2.根据权利要求1所述的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，在焊接时，所述环形焊缝绕着待焊接工件的轴心转动。

3.根据权利要求1所述的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光焊接装置开启后，首先以斜率为K1的速率持续增加激光焊接热源功率；随后，所述激光焊接装置以斜率为K2的速率持续增加激光焊接热源功率。

4.根据权利要求3所述的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述K1大于K2，且所述K2大于零。

5.根据权利要求3所述的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述电弧焊接装置在所述激光焊接装置的激光焊接热源功率以斜率为K2增加速率的阶段内启动。

6.根据权利要求5所述的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述电弧焊接装置从热导焊接转变为深熔焊接的瞬间启动。

7.根据权利要求1所述的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光焊接装置先以斜率为K3的速率降低激光焊接热源功率，再以斜率为K4的速率降低激光焊接热源功率至功率为零。

8.根据权利要求7所述的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述K4小于K3，且所述K3小于零。

9.根据权利要求1所述的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光焊接方法中采用的激光束包括光纤激光、YAG激光或扫描振镜激光中的一种。

10.根据权利要求1所述的一种环形焊缝的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，激光焊接热源功率的设定值大于电弧焊接装置启动后的输出功率。

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