CN111168241A - 一种双束脉冲激光分时诱导mag电弧定向摆动堆焊的方法 - Google Patents

一种双束脉冲激光分时诱导mag电弧定向摆动堆焊的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊的方法，包括：调节两束脉冲激光束焦点相对于被焊工件上表面的位置，使作用于被焊工件上的激光光斑直径尺寸2‑6mm；调节两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心之间的间距DLA1；调节焊丝轴线与工件表面的交点到两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的垂直间距DLA；调节两束激光入射方向与工件表面法线方向的夹角；调节焊丝轴线与工件的夹角；调节两束脉冲激光束的激光峰值功率、基值功率、脉冲宽度、频率、光丝间距和送丝速度，使复合焊电弧作用点在两束脉冲激光束之间发生定向摆动。本发明可以应用于小型空心、大型薄壁类工件的批量堆焊，且焊接完成后表面堆焊层厚度小于2mm。

Description

一种双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊的方法
技术领域
本发明涉及小型空心、大型薄壁类工件的批量堆焊，具体涉及到一种双束脉冲激光分时诱导MAG(Metal Active Gas Arc Welding，熔化极气体保护电弧焊)电弧定向摆动堆焊的方法。
背景技术
目前常用表面堆焊方法有埋弧焊、明弧焊、TIG(Tungsten Inert Gas Welding，非熔化极惰性气体保护电弧焊)焊和激光熔敷。埋弧堆焊熔敷效率高，堆焊成本低，但热输入大，焊后变形大，常用于大型工件的堆焊；明弧堆焊设备、工艺简单，操作方便，熔敷效率高，焊后变形小，常用于堆焊层大于2mm工件的堆焊；TIG焊焊接质量高、热输入低，焊接效率低，常用于小型单件工件的堆焊；激光熔敷效率高，热输入小，焊后工件微变形，常用于熔覆层小于1mm工件的堆焊。
增材制造常用方法有高能束选区烧结、送粉熔敷、填丝堆焊和电弧堆焊。高能束选区烧结、送粉熔敷、填丝堆焊增材制造表面成形好，效率低，目前主要针对小型工件的制造；电弧增材制造效率高，尤其是大型工件的制造具有较大优势，但其表面成形不好。
随着装备制造业设备、技术不断发展，小型空心、大型薄壁类工件的堆焊修复需求更加广泛。针对要求堆焊层厚度在1-2mm的轧辊、连铸辊、水冷壁等小型空心、大型薄壁类工件堆焊时，埋弧焊热输入高焊后变形大，明弧焊堆焊层厚度较难控制，TIG焊和激光熔敷效率低，难以满足要求堆焊层厚度在1-2mm工件的堆焊修复需求。因此目前对于要求堆焊层厚度在1-2mm工件的批量修复还没有合适的堆焊方法。
常用增材制造方法(高能束选区烧结、送粉熔敷、填丝堆焊和电弧堆焊)存在高效率和优良表面成形无法同时实现的难题。目前，小型工件的增材制造以表面成形优良为主，大型工件的增材制造以效率高为主，对于要求同时具有高效率和优良表面成形的工件还没有合适的增材制造方法。
发明内容
本发明提供了一种可适用于要求堆焊层厚度在1-2mm的轧辊、连铸辊、水冷壁等小型空心、大型薄壁类工件堆焊的双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊的方法。该堆焊方法成功的将脉冲激光引入MAG电弧堆焊，通过脉冲激光分时诱导MAG电弧，促使MAG电弧定向摆动，改变了焊接传热方式、熔池形貌和熔滴受力，解决了传统堆焊和高能束堆焊无法实现要求堆焊层厚度在1-2mm的轧辊、连铸辊、水冷壁等小型空心、大型薄壁类工件批量堆焊的难题。实现要求堆焊层厚度在1-2mm的轧辊、连铸辊、水冷壁等小型空心、大型薄壁类工件高效、高质量稳定堆焊。具体方案如下：
一种双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊的方法，应用于小型空心、大型薄壁类工件的批量堆焊，且表面堆焊层厚度小于2mm，包括如下步骤：
S1、调节两束脉冲激光束焦点相对于被焊工件上表面的位置，使作用于被焊工件上的激光光斑直径尺寸2-6mm；
S2、调节DLA1，使DLA1处于1～12mm内；
S3、调节DLA2，使DLA2处于0～6mm内；
S4、调节两束激光入射方向与工件表面法线方向的夹角为10～15°；
S5、调节焊丝轴线与工件的夹角为0～30°；
S6、调节两束脉冲激光束的激光峰值功率、基值功率、脉冲宽度、频率、光丝间距和送丝速度，使复合焊电弧作用点在两束脉冲激光束之间发生定向摆动，实现MAG电弧作用点无序漂移转变为有序摆动。
进一步的，步骤S6中，激光峰值功率P1为1.5-3.0kW，基值功率P2为0-1.0kW，脉冲宽度t为5-20ms，脉冲频率为25-80Hz，光斑直径d为2-6mm，两束脉冲激光光斑中心之间的间距DLA1为1-12mm，焊丝轴线与工件表面的交点到两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的垂直间距DLA2为0-6mm，焊丝伸出长度L为10-40mm，电弧电压U为15-30V，送丝速度Vs为4-10m/min，堆焊速度V为0.4-1.6m/min。
进一步的，激光峰值功率P1为2kW，基础功率P2为0.6kW，脉冲宽度10ms，脉冲占空比50％，频率50Hz，光斑直径d为3mm，两束脉冲激光光斑中心之间的间距DLA1为6mm，焊丝轴线与工件表面的交点到两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的垂直间距DLA2为2mm，激光并排前置，电弧电压U为25V，送丝速度Vs为4m/min，堆焊速度V为0.8m/min，焊丝伸出长度25mm，激光入射方向与工件表面法线方向的夹角为15°，焊丝轴线与工件的夹角为15°。
进一步的，MAG复合焊电弧位于两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的一侧，并处于连线中点处的法线上。
本发明的优点在于：
1)提供了一种与电弧堆焊相互耦合的堆焊方法，此方法具有堆焊层厚度小、表面成形好、熔敷效率高的特点；
2)通过调节激光峰值功率、基值功率、脉冲宽度、频率、光丝间距和送丝速度，使复合焊电弧作用点在两束脉冲激光束之间发生定向摆动，实现MAG电弧作用点无序漂移转变为有序摆动；
3)利用脉冲激光分时诱导MAG电弧，促使MAG电弧定向摆动，改变焊接传热方式、熔池形貌和熔滴受力。即减小熔滴过渡直径，增大熔滴过渡频率，控制熔滴过渡落点，增加熔滴在工件表面的铺展面积，有效降低堆焊层厚度。
4)可以实现要求堆焊层厚度在1-2mm的轧辊、连铸辊、水冷壁等小型空心、大型薄壁类工件批量堆焊。
5)可以实现高效率和优良表面成形的增材制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊的示意图；
图2示出了DLA1和DLA2的示意图。
附图标记说明：
1-药芯/实芯焊丝；2-工件；10-第一激光束；11-第一激光束熔池；20-第二激光束；21-第二激光束熔池；30-MAG电弧；31-MAG熔池；41-复合熔池。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
目前国内外学者对于激光电弧三热源复合焊接的研究主要集中在连接领域。激光电弧三热源模式主要包括：单束激光+双电弧和双束激光+填丝。热源排布方式常用串行排布，激光常用小光斑负离焦模式，其目的降低焊缝气孔率、改善焊缝表面成形、提高焊接效率、减小焊接变形等。双束激光+单电弧研究很少见，尤其是采用并行排布堆焊。
本发明创造性提出双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动的堆焊技术，并将其应用在堆焊和增材制造领域，与连接领域恰恰相反，激光采用双束激光、大光斑、正离焦、脉冲、分时输出模式，其目的是实现MAG电弧的定向摆动，增大电弧作用区域，获得表面堆焊层厚度小，表面成形优良的堆焊层。本发明成功的将脉冲激光引入MAG电弧堆焊，通过脉冲激光分时诱导MAG电弧，促使MAG电弧定向摆动，改善堆焊层表面成形，实现大型工件增材制造具有高效率和优良表面成形。参照图1-2所示，具体步骤如下：
S1、调节两束脉冲激光束(第一激光束10和第二激光束20)焦点相对于被焊工件上表面的位置，使作用于被焊工件上的激光光斑直径尺寸2-6mm；
S2、调节间距DLA1，使两束脉冲激光光斑中心之间的间距DLA1处于1～12mm内；
S3、调节间距DLA2，使焊丝轴线与工件表面的交点到两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的垂直间距DLA2处于0～6mm内；
S4、调节两束激光入射方向与工件表面法线方向的夹角为10～15°；
S5、调节焊丝轴线与工件的夹角为0～30°；
S6、调节两束脉冲激光束的激光峰值功率、基值功率、脉冲宽度、频率、光丝间距和送丝速度，使复合焊电弧作用点在两束脉冲激光束之间发生定向摆动，实现MAG电弧30作用点无序漂移转变为有序摆动。具体堆焊过程中焊接优化参数如表1所示：
Figure BDA0002361081310000051
表1
在双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊过程中，双脉冲激光束(10和20)对MAG电弧30具有诱导作用。在双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊过程中，MAG电弧30无法实现表面堆焊层厚度小于2mm的高效率堆焊。要完成表面堆焊层厚度小于2mm的高效率堆焊，必须借助复合热源中的双束脉冲激光。本发明通过双束脉冲激光峰值功率、基值功率、脉冲宽度和频率的精确调节，以及两束脉冲激光光斑中心之间的间距DLA1、焊丝到两束激光连线中点的垂直间距DLA2和焊丝轴线与工件夹角的调节，实现双束脉冲激光对MAG电弧30分时诱导，控制电弧摆动轨迹和频率，在工件上形成复合熔池41，进而获得表面堆焊层厚度小，表面成形优良的堆焊层。
在双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆过程中，MAG电弧主要用于熔化焊丝提供熔敷金属以及熔化母材表面。双速脉冲激光分时输出的运用是本发明的堆焊方法实现轧辊、连铸辊、水冷壁等小型空心、大型薄壁类工件电弧单层堆焊层厚度小于2mm的关键。它的作用，一是作为焊接热源与MAG电弧复合，为MAG电弧焊提供预热和保温作用，稳定电弧和降低熔池温度梯度；二是诱导MAG电弧，促使电弧产生定向摆动，其摆动轨迹和频率可控，增加母材熔化表面积；三是改变熔滴受力，调控熔滴过渡直径、频率和落点，促进熔滴铺展，改善焊缝表面成形。本发明实现要求堆焊层厚度在1-2mm的轧辊、连铸辊、水冷壁等小型空心、大型薄壁类工件批量堆焊，实现工件高效率和优良表面成形的增材制造。
下面就上述方法提供一具体实施例进行说明：
实验所用的激光器为额定功率为6kW的光纤激光器，输出波长为1.07μm的连续波激光，聚焦透镜焦距为300mm，焦点直径为0.6mm，通过脉冲控制，实现分时输出光束；弧焊电源型号为TPS 500i。实验所用焊丝为英国WA的CHROMECORE 414N-O，焊丝直径为1.6mm，或哈尔滨焊接研究所Inconel 625，焊丝直径为1.2mm。试板选用Q235钢板，试板尺寸为300mm×1500mm×20mm。
堆焊工艺参数如下：
激光峰值功率P1＝2kW，基础功率P2＝0.6kW，脉冲宽度10ms，脉冲占空比50％，频率50Hz，光斑直径d＝3mm，两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心之间的间距DLA1＝6mm，焊丝轴线与工件表面的交点到两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的垂直间距DLA2＝2mm，激光并排前置，电弧电压U＝25V，送丝速度Vs＝4m/min，堆焊速度V＝0.8m/min，焊丝伸出长度25mm，激光入射方向与工件表面法线方向的夹角为15°，焊丝轴线与工件的夹角为15°。
实验后表明，本发明的双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动实现了轧辊、连铸辊、水冷壁等小型空心、大型薄壁类工件批量堆焊，实现增材制造具有高效率和优良表面成形。与MAG电弧堆焊相比，其堆焊层厚度可控制在1-2mm，余高熔宽比降低了40％，熔敷速度提高了50％以上。
本发明的堆焊方法实现了电弧单层堆焊厚度小于2mm，且表面堆焊层成形优良，不但可以实现轧辊、连铸辊、水冷壁等小型空心、大型薄壁类工件堆焊，还可为大型轴承、齿轮类工件的表面堆焊与修复、改善丝级电弧增材制造表面成形、改善镍基材料弧焊焊缝成形提供了一个新的技术手段，对表面堆焊和电弧增材制造的发展有重要意义。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊的方法，应用于小型空心、大型薄壁类工件的批量堆焊，且表面堆焊层厚度小于2mm，其特征在于，包括如下步骤：
S1、调节两束脉冲激光束焦点相对于被焊工件上表面的位置，使作用于被焊工件上的激光光斑直径尺寸2-6mm；
S2、调节两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心之间的间距DLA1，使DLA1处于1～12mm内；
S3、调节焊丝轴线与工件表面的交点到两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的垂直间距DLA2，使DLA2处于0～6mm内；
S4、调节两束激光入射方向与工件表面法线方向的夹角为10～15°；
S5、调节焊丝轴线与工件的夹角为0～30°；
S6、调节两束脉冲激光束的激光峰值功率、基值功率、脉冲宽度、频率、光丝间距和送丝速度，使MAG电弧作用点在两束脉冲激光束之间发生定向摆动。
2.如权利要求1所述的双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊的方法，其特征在于，步骤S6中，激光峰值功率P1为1.5-3.0kW，基值功率P2为0-1.0kW，脉冲宽度t为5-20ms，脉冲频率为25-80Hz，光斑直径d为2-6mm，两束脉冲激光光斑中心之间的间距DLA1为1-12mm，焊丝轴线与工件表面的交点到两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的垂直间距DLA2为0-6mm，焊丝伸出长度L为10-40mm，电弧电压U为15-30V，送丝速度Vs为4-10m/min，堆焊速度V为0.4-1.6m/min。
3.如权利要求2所述的双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊的方法，其特征在于，
激光峰值功率P1为2kW，基础功率P2为0.6kW，脉冲宽度10ms，脉冲占空比50％，频率50Hz，光斑直径d为3mm，两束脉冲激光光斑中心之间的间距DLA1为6mm，焊丝轴线与工件表面的交点到两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的垂直间距DLA2为2mm，激光并排前置，电弧电压U为25V，送丝速度Vs为4m/min，堆焊速度V为0.8m/min，焊丝伸出长度25mm，激光入射方向与工件表面法线方向的夹角为15°，焊丝轴线与工件的夹角为15°。
4.如权利要求2所述的双束脉冲激光分时诱导MAG电弧定向摆动堆焊的方法，MAG复合焊电弧位于两束脉冲激光光斑在工件表面投影中心连线的一侧，并处于连线中点处的法线上。
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