CN110899974B - 一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法 - Google Patents

一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，它涉及材料加工工程领域，本发明针对中厚板装甲钢对接接头在实际生产焊接过程中面临的大间隙和错边导致的成形不良问题，本发明旨在焊接中厚板对接接头，采用激光摆动焊接方法，在打底焊时采用机械摆动和预置成形底板的方式进行焊接，在填充焊时采用振镜扫描式摆动激光进行填丝焊接。本发明应用于中厚板装甲焊接领域。

Description

一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法
技术领域
本发明属于材料加工工程领域，具体涉及一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法。
背景技术
我国现有军工企业承担的轮式步兵战车、履带式车辆均系大型复杂武器装备，其上众多零部件均是采用焊接结构这种永久连接方式。目前采用的焊接方法主要有手工电弧焊、钨极氩弧焊(TIG)、CO2气体保护焊、熔化极气体保护焊(MIG/MAG)等。但采用传统的焊接方法容易造成焊接变形大、质量不稳定、焊接应力控制难度大、焊缝质量和外观一致性难以保证等问题，而激光焊接是一种先进的焊接技术，具有快的加热和冷却速度以及窄的热影响区，成为焊接钢铁材料的最佳方法之一，在中厚板的焊接中可以充分发挥激光焊接速度快、热输入小的优点。
但激光焊接对结构件装配精度要求很高，通常需要保障激光焊接过程中板的紧密贴合和焊接过程的稳定性。而在实际生产应用过程中由于设计、加工、装配等各个生产环节带来的误差，实际需要焊接的工件往往具有较大的间隙和错边，间隙和错边量均可达到5-6mm。目前对于厚板(厚度超过30mm)的对接接头一般采用振镜扫描式的摆动激光进行焊接，专利CN201510679775.0公开了一种基于预制焊材的窄间隙激光扫描多层自熔焊接方法，提出了可以采用放置焊材的方式来进行填充焊接，但是并没有考虑到对打底层的焊接。专利CN201310199394.3公开了一种用于大间隙接头焊接的装置及其焊接工艺，增加了成形底板，但该工艺主要针对于电弧焊接，并不适用于激光焊接。
发明内容
本发明针对中厚板装甲钢对接接头在实际生产焊接过程中面临的大间隙和错边导致的成形不良问题，提出了一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法。
本发明的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将工件的待焊接部位加工平整，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，在间隙底部加装成形底板，底板中部留有突起，在底板边缘进行点固；
步骤三:设定工艺参数：打底焊激光功率为2kW～3kW，离焦量为+5～+15mm，激光摆动幅度为1～8mm，摆动频率为0～5Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为10L/min～40L/min，焊接速度为0.3～1.2m/min；填充焊激光功率为1.5kW～4kW，离焦量为+10～+20mm，激光摆动幅度为1～8mm，摆动频率为100～300Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为10L/min～40L/min，焊接速度为0.5～1.5m/min，送丝速度2～10m/min；在焊接过程中，根据前置焊缝跟踪系统的扫描结果，对焊接参数进行实时调整；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，同时控制机械臂摆动和激光器发出激光，然后控制机械臂向前运动完成焊接过程。
本发明旨在焊接中厚板对接接头，采用激光摆动焊接方法，在打底焊时采用机械摆动和预置成形底板的方式进行焊接，在填充焊时采用振镜扫描式摆动激光进行填丝焊接。图1为所设计的成形底板形貌，底板中部留有较小的突起，呈直边三角形或内凹三角形，成形底板凸起部分可以防止中间区域塌陷，并将较大间隙分割为两个较小的间隙，有利于打底焊成形均匀。图2为焊接装配过程中接头组装示意图。在打底焊过程中，激光束由机械臂带动进行机械摆动，在填充焊过程中激光束由振镜扫描进行摆动，图3为二者对比示意图，采用机械摆动，以焊缝下部某点为圆心进行往复摆动，可以加大侧壁母材熔化量，对底部间隙和错边区域进行填充，并且避免成形底板被焊漏。
本发明相比于其他中厚板激光焊接方式主要有以下几点优势：
1、相比于单激光焊接，摆动激光可以增强间隙适应性，对于生产过程中面临的大间隙、错边情况下更易获得稳定良好的焊接接头。
2、相比于使用平板和凹槽作为成形底板的焊接方法，凸起底板可以防止中间区域在激光作用下塌陷或焊穿，并将较大间隙分割为两个较小的间隙，有利于打底焊成形均匀。
3、相比于常规的振镜扫描式摆动激光，采用了完全不同的摆动规则，可以增大激光摆动边缘的倾角，更好地对根部进行熔化，防止激光被侧壁阻挡导致能量损失以及底部出现未熔合现象等。
附图说明
图1为本发明底板设计图；
图2为工件接头装配示意图；(a)有间隙无错边情况(b)有间隙有错边情况；
图3为摆动焊接过程示意图；(a)打底焊/机械摆动(b)填充焊/振镜摆动；
图4为12mm厚装甲钢对接接头成形照片。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将工件的待焊接部位加工平整，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，在间隙底部加装成形底板，底板中部留有突起，在底板边缘进行点固；
步骤三:设定工艺参数：打底焊激光功率为2kW～3kW，离焦量为+5～+15mm，激光摆动幅度为1～8mm，摆动频率为0～5Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为10L/min～40L/min，焊接速度为0.3～1.2m/min；填充焊激光功率为1.5kW～4kW，离焦量为+10～+20mm，激光摆动幅度为1～8mm，摆动频率为100～300Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为10L/min～40L/min，焊接速度为0.5～1.5m/min，送丝速度2～10m/min；在焊接过程中，根据前置焊缝跟踪系统的扫描结果，对焊接参数进行实时调整；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，同时控制机械臂摆动和激光器发出激光，然后控制机械臂向前运动完成焊接过程。
具体实施方式二：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的待焊工件为12mm厚6252装甲钢对接接头。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：焊丝采用直径1.2mm的GM120焊丝。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤二中所述的突起为直边三角形或内凹三角形。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：采用激光摆动焊接方法对工件的待焊接部位进行焊接，在打底焊时采用机械摆动和预置成形底板的方式进行焊接，在填充焊时采用振镜扫描式摆动激光进行填丝焊接。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤三所述的设定工艺参数：打底焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+10～+15mm，激光摆动幅度为3～8mm，摆动频率为1～5Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为20L/min～40L/min，焊接速度为0.3～1.0m/min；填充焊激光功率为2kW～4kW，离焦量为+15～+20mm，激光摆动幅度为3～8mm，摆动频率为150～300Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为20L/min～40L/min，焊接速度为0.5～1.2m/min，送丝速度2～8m/min。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤三所述的设定工艺参数：打底焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+12～+15mm，激光摆动幅度为3～6mm，摆动频率为1～3Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为20L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min；填充焊激光功率为2kW～3kW，离焦量为+18～+20mm，激光摆动幅度为3～7mm，摆动频率为200～300Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为20L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min，送丝速度2～6m/min。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤三所述的设定工艺参数：打底焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+10～+13mm，激光摆动幅度为2～5mm，摆动频率为1～2Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min；填充焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+16～+20mm，激光摆动幅度为2～5mm，摆动频率为200～280Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min，送丝速度2～5m/min。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤三所述的设定工艺参数：打底焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+10～+15mm，激光摆动幅度为5～8mm，摆动频率为2～5Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min；填充焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+15～+20mm，激光摆动幅度为5～8mm，摆动频率为200～300Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min，送丝速度2～5m/min。
其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：结合图1至3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：激光器采用光纤传输的YAG固体激光器；激光头为普雷茨特YW52激光加工头。
其它与具体实施方式一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例对12mm厚6252装甲钢对接接头采用中厚板装甲钢激光摆动焊接方法进行焊接，焊丝采用直径1.2mm的GM120焊丝。激光器采用光纤传输的YAG固体激光器；激光头为普雷茨特YW52激光加工头。其他设备包括，1台KUKA机器人，焊接过程中工艺参数的调整通过KUKA机器人编程实现，1台福尼斯VR7000送丝机，送丝速度0-10m/min连续可调。
具体实验方法如下：
步骤一:将工件的待焊接部位加工平整，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，在间隙底部加装成形底板，在底板边缘进行点固；
步骤三:设定工艺参数，打底焊激光功率为2.5kW，离焦量为+15mm，激光摆动幅度为5mm，摆动频率为2Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min，焊接速度为0.6m/min；填充焊激光功率为2.8kW，离焦量为+20mm，激光摆动幅度为5mm，摆动频率为200Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min，焊接速度为0.8m/min，送丝速度3.5m/min；在焊接过程中未使用反馈控制，参数保持不变；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，同时控制机械臂摆动和激光器发出激光，然后控制机械臂向前运动完成焊接过程。
图4为12mm厚装甲钢对接接头成形，其中左侧间隙较大，达到4.2mm，右侧间隙较小，为1.5mm左右，整体错变量在1.2mm以内，采用试板焊接时未对参数进行实时调整，因此焊后左侧余高较小，右侧填充量相对较大，表面未见缺陷，整体成形比较良好。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将工件的待焊接部位加工平整，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，在间隙底部加装成形底板，底板中部留有突起，在底板边缘进行点固；
步骤三:设定工艺参数：打底焊激光功率为2kW～3kW，离焦量为+5～+15mm，激光摆动幅度为1～8mm，摆动频率为0～5Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为10L/min～40L/min，焊接速度为0.3～1.2m/min；填充焊激光功率为1.5kW～4kW，离焦量为+10～+20mm，激光摆动幅度为1～8mm，摆动频率为100～300Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为10L/min～40L/min，焊接速度为0.5～1.5m/min，送丝速度2～10m/min；在焊接过程中，根据前置焊缝跟踪系统的扫描结果，对焊接参数进行实时调整；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，同时控制机械臂摆动和激光器发出激光，然后控制机械臂向前运动完成焊接过程；所述的间隙指待焊工件对接后形成的间隙。
2.根据权利要求1所述的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于所述的待焊工件为12mm厚6252装甲钢对接接头。
3.根据权利要求1所述的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于焊丝采用直径1.2mm的GM120焊丝。
4.根据权利要求1所述的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于步骤二中所述的突起为直边三角形或内凹三角形。
5.根据权利要求1所述的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于采用激光摆动焊接方法对工件的待焊接部位进行焊接，在打底焊时采用机械摆动和预置成形底板的方式进行焊接，在填充焊时采用振镜扫描式摆动激光进行填丝焊接。
6.根据权利要求1所述的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于步骤三所述的设定工艺参数：打底焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+10～+15mm，激光摆动幅度为3～8mm，摆动频率为1～5Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为20L/min～40L/min，焊接速度为0.3～1.0m/min；填充焊激光功率为2kW～4kW，离焦量为+15～+20mm，激光摆动幅度为3～8mm，摆动频率为150～300Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为20L/min～40L/min，焊接速度为0.5～1.2m/min，送丝速度2～8m/min。
7.根据权利要求6所述的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于步骤三所述的设定工艺参数：打底焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+12～+15mm，激光摆动幅度为3～6mm，摆动频率为1～3Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为20L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min；填充焊激光功率为2kW～3kW，离焦量为+18～+20mm，激光摆动幅度为3～7mm，摆动频率为200～300Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为20L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min，送丝速度2～6m/min。
8.根据权利要求1所述的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于步骤三所述的设定工艺参数：打底焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+10～+13mm，激光摆动幅度为2～5mm，摆动频率为1～2Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min；填充焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+16～+20mm，激光摆动幅度为2～5mm，摆动频率为200～280Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min，送丝速度2～5m/min。
9.根据权利要求1所述的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于步骤三所述的设定工艺参数：打底焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+10～+15mm，激光摆动幅度为5～8mm，摆动频率为2～5Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min；填充焊激光功率为2.5kW～3kW，离焦量为+15～+20mm，激光摆动幅度为5～8mm，摆动频率为200～300Hz，保护气采用纯氩气，保护气体流量为25L/min～30L/min，焊接速度为0.5～1.0m/min，送丝速度2～5m/min。
10.根据权利要求1所述的一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，其特征在于激光器采用光纤传输的YAG固体激光器；激光头为普雷茨特YW52激光加工头。
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