CN111299828B - 一种厚板超窄间隙激光填丝热导焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种厚板超窄间隙激光填丝热导焊接方法，属于激光材料加工技术领域。本发明的特征在于：激光束进入待焊厚板组成的超窄间隙坡口内作用于后置焊丝上，使其在热导焊模式下熔化；光‑丝作用位置位于坡口底部熔池的上方；焊丝熔化前沿的反射激光作用于坡口底部和侧壁并对其预热；焊丝熔化的熔滴填充坡口间隙形成焊缝；采用单道多层填充的方式实现厚板的超窄间隙连接。本发明通过热导焊模式熔化焊丝，避免深熔焊中存在的小孔型气孔、表面成形差、及焊接过程稳定性差等缺陷；通过焊丝上的反射光预热坡口底部和侧壁，避免未熔合缺陷；通过光丝作用的一维传热降低三维传热中热传导能量损失大的问题，故而降低了热输入量、减小焊接热影响区及焊接接头变形。

Description

一种厚板超窄间隙激光填丝热导焊接方法
技术领域
本发明属于厚板焊接技术领域，涉及一种厚板超窄间隙焊接工艺，尤其涉及一种厚板超窄间隙激光填丝热导焊接方法。
背景技术
根据船舰制造、机床设备、石油化工、核电设备及航空航天等装备大型化的发展趋势，寻求一种高效、高质量的厚板焊接方法将日益紧迫。目前焊接厚板的方法主要是氩弧焊、窄间隙埋弧焊等常规焊接方法。此类焊接方法由于热输入量大，故而存在焊接热影响区大、焊接接头组织粗大、焊件变形大等问题，将严重制约焊接构件的服役性能。相比于传统焊接方法，激光焊接具有能量密度高、热输入量小、热影响区小、接头组织晶粒细小等优点。因此，将激光作为焊接热源并辅助填丝焊接工艺运用到此类厚板构件焊接中，受到了越来越广泛的重视。
已有的厚板窄间隙激光填丝焊接工艺包括深熔焊模式和热导焊模式。深熔焊模式指聚焦光斑作用于焊丝，通过深熔焊接将焊丝熔化填充间隙形成焊缝。但该方法存在可焊板厚有限，易于出现小孔型气孔等缺陷，且深熔焊接过程中剧烈的激光致蒸发对过程的稳定性影响较大。热导焊模式则多为激光束作用于熔池，填充焊丝伸入熔池，焊丝在熔池加热下熔化填充间隙形成焊缝。热导焊模式焊接过程相对稳定、可焊板厚也更大。但是热导焊熔池对激光的吸收率相对较小，故而填充效率相对较低。此外，这两种焊接熔池的传热模式均为三维传热。在三维传热中，熔池吸收的激光能量大部分将因基材的热传导而损失，导致用于熔化材料的激光能量较小，焊接变形和热影响区均偏大。
为了克服上述问题，本发明提出了一种厚板超窄间隙激光填丝热导焊接方法。该方法即可避免小孔型气孔、表面成形差、侧壁未熔合、过程稳定性较差等深熔焊接模式中存在的缺陷；又可通过设置高于熔池的、光丝作用的一维传热降低三维传热中存在的热传导能量损失过大的问题，故而降低了热输入、减小了热影响区。此外，该方法对常规的厚板窄间隙激光填丝焊接工艺的柔韧性没有负面影响。
发明内容
本发明的目的在于不影响传统窄间隙激光填丝焊接工艺的柔性和加工成本的情况下，提供一种超窄间隙激光填丝热导焊接方法。厚板组成的超窄间隙和焊丝为焊接对象，熔滴、熔池和焊缝是在焊接过程中形成；焊接时，激光束作用于后置焊丝上，以热导焊的方式熔化焊丝形成熔滴；激光与焊丝的作用位置位于坡口底部熔池的上方；焊丝熔化前沿的反射光作用于坡口底部和侧壁，并对其预热。
本发明采用超窄间隙减少填充激光熔融材料，可降低了热输入量及其导致的焊接变形。光-丝作用位置位于坡口底部熔池上方，焊丝为一维传热模式，一方面，焊丝吸收的激光能量避免了三维传热中大量的能量损失，故而材料的熔化效率(激光能量利用率)较高；另一方面，由于避免了大量能量损失，故而焊接热输入量进一步降低，这将进一步导致焊接热影响区和焊接变形减小。采用焊丝反射光加热坡口底部和侧壁，一方面避免了侧壁未熔合缺陷，另一方面进一步合理利用了激光能量。采用激光热导焊的方式熔化焊丝形成熔滴，避免了材料的剧烈蒸发，焊接过程将更加稳定。焊丝的热导模式和焊丝反射光对于坡口底部及侧壁的加热效果，可通过调节激光功率、送丝速度和激光扫描速度等参数进行匹配。
为实现上述目的，本发明采用激光束进入待焊厚板组成的超窄间隙坡口内、并作用于后置焊丝上，使焊丝在热导焊模式下熔化形成熔滴；光-丝作用位置位于坡口底部熔池上方；焊丝熔化前沿的反射激光作用于坡口底部和侧壁并对其预热；焊丝熔化的熔滴填充坡口间隙形成焊缝；采用单道多层填充的方式实现厚板的超窄间隙连接。激光功率为1mW～100kW；坡口内激光束作用于焊丝的光斑直径为0.5mm～10mm；坡口内光丝作用位置距离坡口底部熔池的高度为0.1mm～10mm；焊丝直径为0.1mm～8mm；送丝速度为0.1m/min～100m/min；待焊两厚板组成的超窄间隙为1mm～10mm；焊丝与光束夹角为10°～90°；坡口形式为I型、U型或V型坡口。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明采用激光以热导焊模式熔化超窄间隙坡口内的后置焊丝，光-丝作用位置位于坡口底部熔池的上方；焊丝熔化面的反射激光作用于坡口底部和侧壁并对其预热；焊丝熔化的熔滴填充坡口间隙形成焊缝。该方法不仅能够提高激光的能量利用率和焊接效率、显著改善焊接过程稳定性和焊缝成形，而且可减少热影响区、焊接变形、气孔、未熔合等缺陷。该方法不改变传统激光窄间隙填丝焊接的加工柔韧性，充分保持了传统激光窄间隙填丝焊的特点，制造过程更绿色环保。
附图说明
图1：大厚板超窄间隙激光填丝热导焊接方法及焊丝端部激光反射示意图
图2:实施例所得焊缝表面形貌及横截面
图中各个附图标记的含义：1.激光束，2.焊接坡口，3.大厚度板，4.焊接熔池，5.焊缝，6.焊丝，7.导丝嘴，8.侧壁，9.反射光
本实例的实施方式参见附图1。
具体实施方式
以下结合附图实例对本发明作进一步详细描述。激光光束垂直于水平面作用在焊丝端部，焊丝采用后置送丝方式，与激光光束夹角为60°。待焊两试件为30mm厚的低碳钢板，坡口呈Y型，钝边间隙宽度为2.5mm，坡口深度26mm采用直径为1.2mm的316L不锈钢焊丝，所用激光器为IPG公司生产的型号为YLS-6000光纤激光器。焊接参数为：焊接速度1/min，激光功率为2kW，送丝速度为4.5m/min，离焦距离为10mm，光斑直径为1.06mm，光斑作用点距离坡口底部表面2mm，保护气体为纯氩气，与焊丝同步送给，速度为15L/min。焊接完成后对焊缝进行一系列的切割、磨削、抛光、腐蚀后，在焊缝横截面上未观测到气孔、裂纹等缺陷，试件无明显变形，焊缝成形美观，焊接接头的力学性能符合要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本领域内技术人员可以理解，本发明的保护范围并不局限于此。在不脱离本发明原理的前提下，任何可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种厚板超窄间隙激光填丝热导焊接方法，所述窄间隙范围为1mm～10mm；待焊厚板厚度范围为20～100mm；其特征在于：激光束进入待焊厚板组成的超窄间隙坡口内、并作用于后置焊丝上，使焊丝在热导焊模式下即功率密度在104至106W/cm2数量级范围内，熔化形成熔滴；激光-焊丝作用位置位于坡口底部熔池上方；焊丝熔化前沿的反射激光作用于坡口底部和侧壁并对其预热；焊丝熔化的熔滴填充坡口间隙形成焊缝；采用单道多层填充的方式，实现厚板的超窄间隙连接；
焊丝与光束夹角为10°～90°。
2.根据权利要求1所述的一种厚板超窄间隙激光填丝热导焊接方法，其特征在于：激光功率为1mW～100kW；坡口内激光束作用于焊丝的光斑直径为0.5mm～10mm；焊丝直径为0.1mm～8mm；光丝作用位置与坡口底部熔池间距为0.1mm～10mm；送丝速度为0.1m/min～100m/min；焊接过程使用10L/min～20L/min的保护气流量对熔池进行保护，保护气体种类为氩气或氦气。
3.根据权利要求1所述的一种厚板超窄间隙激光填丝热导焊接方法，其特征在于：坡口形式为I型、U型或V型坡口。
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