CN111618434B - 一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法，方法包括以下步骤：将窄间隙厚板开坡口且预处理以去除待焊区域表面的氧化皮；夹具加紧窄间隙厚板后放置到惰性气体的气氛中，调整激光扫描焊接头使激光扫描焊接头发出激光光束的轴线与竖直方向呈第一夹角，同时调节用于填丝的送丝咀使送丝咀与窄间隙厚板的平面呈第二夹角；激光扫描焊接头发出的激光光束对所述坡口扫描预热，激光光束的扫描频率为50Hz‑100Hz，离焦量范围为+40‑+50mm，激光束的振幅范围为1.2mm‑2.3mm；预热后，对待焊区域进行单层单道焊接，单层焊接结束后清理焊道，清理结束后立刻重复所述单层单道焊接直至填满坡口。

Description

一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别是一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法。

背景技术

低碳钢、高强钢和不锈钢具有良好的加工性能，可焊性良好，被广泛应用在国民生产的各个领域当中。厚板传统焊接方法有手工电弧焊、钨极惰性气体保护焊、埋弧焊等，利用传统的电弧焊焊接厚板由于焊枪尺寸的限制，其坡口会开的比较大，通常需要多层多道焊接，焊接热输入和变形较大，并且造成焊材大量消耗，焊接效率低下。

哈尔滨工业大学李俐群等人用C02激光器，进行激光辅助热丝多层填丝焊，并研究了激光双束串行及并行等不同参数下的影响，最终实现了16mm厚11CrNi3MnMoV钢的可靠连接。

北京工业大学肖荣诗等人通过对2219铝合金焊接方式、坡口设计及焊接工艺的研究，采用窄间隙激光填丝焊接技术完成了20mm厚2219铝合金的焊接，焊接结果显示焊缝气孔率较高，工艺适应性较差。

Zhu等人通过建立三维模型研究了5083铝合金NG-GMAW中凸、平、凹焊缝表面的形成过程，通过对试验结果进行分析得到了输入到侧壁的热量对焊道表面成形有很大影响，当侧壁处的电弧热输入不足时，容易形成凸形焊道，造成未熔合缺陷。

激光扫描技术通过振镜实现激光束的振荡，可以将一定功率密度的光斑聚焦到工件的不同位置，大大增加了激光束的灵活性和焊接范围。激光束在振镜的辅助下实现了摆动，光斑的大小不会发生变化，因此激光束自身的能量不会有太大的损失，在扫描过程中增加对侧壁的热输入有利于形成凹形焊道，同时通过控制激光束的扫描频率，会对熔池具有一定的搅拌作用有利于减少焊接过程中产生的气孔。

现有技术中，厚板窄间隙激光填丝焊目前存在层间熔合不良、侧壁未熔合、气孔等问题。实现良好的厚板焊接关键在于解决上述问题。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法，本发明针对厚板窄间隙激光填丝焊，克服了厚板激光填丝焊过程中侧壁出现的未熔合和层间未熔合缺陷。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现，一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法包括以下步骤：

第一步骤中，将窄间隙厚板开坡口且预处理以去除待焊区域表面的氧化皮，去除氧化皮可以保持坡口内部清洁，避免焊接过程中产生夹杂、气孔等缺陷。

第二步骤中，夹具加紧窄间隙厚板后放置到惰性气体的气氛中，调整激光扫描焊接头使激光扫描焊接头发出激光光束的轴线与竖直方向呈第一夹角，同时调节用于填丝的送丝咀使送丝咀与窄间隙厚板的平面呈第二夹角；激光焊接头偏转是为了保护镜片，防止激光束反射到焊接头内部；送丝咀偏转一定的角度是为了更好的送丝，激光束能照射到焊丝的面积更均匀。

第三步骤中，激光扫描焊接头发出的激光光束对所述坡口扫描预热，激光光束的扫描频率为50Hz-100Hz，离焦量范围为+40-+50mm，激光束的振幅范围为1.2mm-2不预热的话容易在第一道填丝焊接的时候出现侧壁未熔合的现象，通过预热来使焊丝融化的时候润湿性更好，减少缺陷。

第四步骤中，预热后，对待焊区域进行单层单道焊接，单层焊接结束后清理焊道，清理结束后立刻重复所述单层单道焊接直至填满坡口。

所述的方法中，第一步骤中，预处理包括砂纸打磨待焊接区域和丙酮擦洗所述窄间隙厚板。

所述的方法中，第一步骤中，窄间隙厚板的材质为低碳钢、高强钢或不锈钢，厚度范围为15mm-140mm。

所述的方法中，第一步骤中，坡口为V型坡口，坡口根部为2mm-4mm，当窄间隙厚板的厚度在小于80mm时，单边偏2.3°；当窄间隙厚板的厚度在80mm-140mm时，工件的坡口最上端间隙宽度小于12mm。

所述的方法中，第二步骤中，所述第一夹角为5°，所述第二夹角为45°。

所述的方法中，第二步骤中，惰性气体为纯度为99.999％的氩气，惰性气体的流量为15L/min-30L/min。

所述的方法中，第三步骤中，预热方式包括五级扫描预热方式，其中，激光焊接头发射激光光束的激光功率分别为2000W、2200W、2200W、2400W、2400W；且各级预热过程中激光扫描焊接头发出的激光光束以25mm/s±5mm/s的速度从待焊接区域的一端扫描至待焊接区域的另一端。

所述的方法中，第三步骤中，激光扫描的方式为横向扫描。

所述的方法中，第四步骤中，单层焊接时，激光光束和丝之间的间距为0，激光焊接头发射的激光功率为3.5kW-4kW。

有益效果

本发明的一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法在激光扫描填丝焊接时首先通过激光光源横向扫描，可以有效的预热坡口底部，避免因坡口底部温度过低引起焊丝融化时润湿角过大导致的侧壁融合不良。其次，在摆动过程中，光斑尺寸不会发生变化激光束自身的能量不会损失，通过控制激光光源的扫描频率与振幅，激光作用区域的面积增大，使激光的能量能够均匀的分散到坡口底部及侧壁，侧壁的热输入较为充分，有利于形成凹形焊道，减少层间融合不良。同时激光光源的扫描还具有搅拌熔池的作用，使气泡上浮，能够有效的减少气孔，减少焊接缺陷。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于表示优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明提供的一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法的窄间隙厚板开坡口示意图；

图2为激光不扫描窄间隙填丝焊焊接头金相图；

图3为激光不扫描窄间隙填丝焊高速摄影图；

图4为激光扫描窄间隙填丝焊接接头金相图；

图5为激光扫描窄间隙填丝焊接高速摄影图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面的参照附图将更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图1至图5以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1为一个基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法流程图，如图1所示，一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法包括以下步骤：

第一步骤S1中，将窄间隙厚板开坡口且预处理以去除待焊区域表面的氧化皮；

第二步骤S2中，夹具加紧窄间隙厚板后放置到惰性气体的气氛中，调整激光扫描焊接头使激光扫描焊接头发出激光光束的轴线与竖直方向呈第一夹角，同时调节用于填丝的送丝咀使送丝咀与窄间隙厚板的平面呈第二夹角；

第三步骤S3中，激光扫描焊接头发出的激光光束对所述坡口扫描预热，激光光束的扫描频率为50Hz-100Hz，离焦量范围为+40-+50mm，激光束的振幅范围为1.2mm-2.3mm；

第四步骤S4中，预热后，对待焊区域进行单层单道焊接，单层焊接结束后清理焊道，清理结束后立刻重复所述单层单道焊接直至填满坡口。

所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，预处理包括砂纸打磨待焊接区域和丙酮擦洗所述窄间隙厚板。

所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，窄间隙厚板的材质为低碳钢、高强钢或不锈钢，厚度范围为15mm-140mm。

所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，坡口为V型坡口，坡口根部为2mm-4mm，当窄间隙厚板的厚度在小于80mm时，单边偏2.3°；当窄间隙厚板的厚度在80mm-140mm时，工件的坡口最上端间隙宽度小于12mm。

所述的方法的优选实施方式中，第二步骤S2中，所述第一夹角为5°，所述第二夹角为45°

所述的方法的优选实施方式中，第二步骤S2中，惰性气体为纯度为99.999％的氩气，惰性气体的流量为15L/min-30L/min。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S3中，预热方式包括五级扫描预热方式，其中，激光焊接头发射激光光束的激光功率分别为2000W、2200W、2200W、2400W、2400W；且各级预热过程中激光扫描焊接头发出的激光光束以25mm/s±5mm/s的速度从待焊接区域的一端扫描至待焊接区域的另一端。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S3中，激光扫描的方式为横向扫描。

所述的方法的优选实施方式中，第四步骤S4中，单层焊接时，激光光束和丝之间的间距为0，激光焊接头发射的激光功率为3.5kW-4kW。

为了进一步理解本发明，基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法包括以下步骤：

第一步骤，对开好坡口的试板进行清理，用砂纸进行打磨，打磨后用丙酮清洗，以去除待焊区域的表面氧化皮，使其呈现出金属光泽；

第二步骤将待填丝焊接的试板通过夹具加紧，再将待填丝焊接的试板放置到惰性气体的气氛中，然后再调整激光扫描焊接头，使激光扫描焊接头发出激光光束的轴线与竖直方向的夹角为5°，同时调节送丝咀，使送丝咀与试板平面的夹角为45°其中，惰性气体为纯度为99.999％的氩气，惰性气体的流量为25L/min；

第三步骤，通过激光扫描焊接头发出的激光光束对待填丝焊接的试板坡口区域进行扫描预热，预热方式采用五级扫描预热方式。其中，五级扫描预热过程中，激光焊接头发射激光光束的激光功率分别为2000W、2200W、2200W、2400W、2400W；且各级预热过程中激光扫描焊接头发出的激光光束以25mm/s±5mm/s的速度从待焊接区域的一端扫描至待焊接区域的另一端；激光束的扫描频率为50Hz-100Hz，离焦量范围为+40-+50mm，激光束的振幅范围为1.2mm-2.3mm。

第四步骤，预热过程结束后，对待焊区域进行单层单道焊接，光丝间距为0，激光焊接头发射激光光束的激光功率为3.5kW-4kW，激光束的振幅范围为1.2mm-2.3mm，送丝速度范围为2.62m/min-3.32m/min。每层焊接结束之后对焊道及时进行清理，清理结束之后无需冷却至室温立刻进行焊接，重复这样的焊接过程，直至填满工件坡口。通过正交试验方法及拍摄高速摄影观察，发现在该数值范围内激光束可以良好的加热到侧壁。利用此数值范围内的焊接参数完成了实施例二的激光扫描填丝焊接，通过分析试样的横截面，与之前不扫描激光填丝的焊接方法，实施例一相比，有效的减少了层间未熔合和侧壁未融合缺陷。当激光扫描的频率在50-100Hz时，可以有效的减少焊接气孔缺陷，过高，大于100Hz容易使熔池剧烈搅动，造成气孔，过低，小于50Hz则减少气孔的优势不明显。当激光焊接的功率过低时，容易导致焊接效率降低，每层的层高降低，而且降低了热输入不利于焊丝融化。当激光扫描的振幅过大，大于>2.3mm时，光斑容易打到坡口侧壁，不利于焊丝融化，振幅过小，小于1.2mm，则不能很好的加热到侧壁。离焦量过大，大于50mm)则激光功率密度降低，焊丝很难融化，离焦量过小，小于40mm，激光光斑过小则光斑不能很好的照射到焊丝上，造成融合不良。送丝速度过低会造成焊接效率的低下，焊接道数增多，容易因人为操作造成缺陷，送丝速度过快则会导致焊丝不能充分融化。

实施例A

本实施例激光不扫描窄间隙填丝焊接Q235试板，试板的坡口形式如图1所示，具体的，先将Q235试板用砂纸打磨干净，除去Q235试板表面的氧化物及杂质，露出金属光泽，然后使用丙酮擦洗Q235试板；使用夹具夹紧Q235试板，焊前向焊接气体保护装置中通入纯度为99.99％的氩气，气体流量为25L/min；调整激光焊接头，使激光焊接头发出激光光束的轴线与竖直方向的夹角为5°；同时调节送丝咀，使送丝咀与试板平面的夹角为45°；开启激光器，调整光丝间距为0mm，沿焊接方向进行单道单层填丝焊接，激光功率为4000W，离焦量为+45mm，焊接速度为25mm/min，送丝速度范围为3.2m/min；每层焊接结束之后对焊道及时进行清理，清理结束之后无需冷却至室温立刻进行焊接，重复这样的焊接过程，直至填满工件坡口。其中，焊缝横截面显微形貌如图2所示，由于没有进行激光扫描预热，出现了层间未熔合和侧壁未熔合的缺陷，焊接过程行为如图3所示，可以看到激光束没有加热到侧壁。

实施例B

本实施例激光扫描窄间隙填丝焊接Q235试板，试板的坡口形式如图1所示，具体的，先将Q235试板用砂纸打磨干净，除去Q235试板表面的氧化物及杂质，露出金属光泽，然后使用丙酮擦洗Q235试板；使用夹具夹紧Q235试板，焊前向焊接气体保护装置中通入纯度为99.99％的氩气，气体流量为25L/min；调整激光摆动焊接头，使激光摆动焊接头发出激光光束的轴线与竖直方向的夹角为5°；同时调节送丝咀，使送丝咀与试板平面的夹角为45°；开启激光器，通过激光扫描焊接头发出的激光光束对待填丝焊接的低碳钢试板坡口区域进行五级扫描预热，五级扫描预热过程中，激光焊接头发射激光光束的激光功率分别为2000W、2200W、2200W、2400W、2400W，且各级预热过程中激光扫描焊接头发出的激光光束以30mm/s的速度从待焊接区域的起始端扫描至待焊接区域的结尾端，激光束的扫描频率为50Hz，离焦量为+48mm，激光束的振幅为2.0mm；预热结束之后，调整光丝间距为0mm，沿焊接方向进行单道单层填丝焊接，激光功率为4000W，离焦量为+48mm，激光束的扫描频率范围为50Hz，激光束的振幅范围为1.2mm-2.3mm，焊接速度为20mm/min，送丝速度范围为2.62m/min-3.32m/min；每层焊接结束之后对焊道及时进行清理，清理结束之后无需冷却至室温立刻进行焊接，重复这样的焊接过程，直至填满工件坡口。其中，焊缝横截面显微形貌如图4所示，横截面无明显缺陷，焊接过程行为如图5所示，激光束能很好的加热到侧壁。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (6)

1.一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤（S1）中，将窄间隙厚板开坡口且预处理以去除待焊区域表面的氧化皮，坡口为V型坡口，当窄间隙厚板的厚度在小于80mm时，单边偏2.3°；当窄间隙厚板的厚度在80mm-140mm时，工件的坡口最上端间隙宽度小于12mm；

第二步骤（S2）中，夹具夹紧窄间隙厚板后放置到惰性气体的气氛中，调整激光扫描焊接头使激光扫描焊接头发出激光光束的轴线与竖直方向呈第一夹角，同时调节用于填丝的送丝咀使送丝咀与窄间隙厚板的平面呈第二夹角；

第三步骤（S3）中，激光扫描焊接头发出的激光光束对所述坡口扫描预热, 激光扫描的方式为横向扫描, 激光光束的扫描频率为50Hz -100Hz，离焦量范围为+40-+50mm，激光光束的振幅范围为1.2mm -2.3mm；预热方式包括五级扫描预热方式,其中，激光焊接头发射激光光束的激光功率分别为2000W、2200W、2200W、2400W、2400W；且各级预热过程中激光扫描焊接头发出的激光光束以25mm/s±5mm/s的速度从待焊接区域的一端扫描至待焊接区域的另一端；

第四步骤（S4）中，预热后，对待焊区域进行单层单道焊接，单层焊接结束后清理焊道，清理结束后立刻重复所述单层单道焊接直至填满坡口。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤（S1）中，预处理包括砂纸打磨待焊接区域和丙酮擦洗所述窄间隙厚板。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤（S1）中，窄间隙厚板的材质为低碳钢、高强钢或不锈钢。

4.根据权利要求1所述方法，其中，第二步骤（S2）中，所述第一夹角为5°，所述第二夹角为45°。

5.根据权利要求1所述方法，其中，第二步骤（S2）中，惰性气体为纯度为99.999%的氩气，惰性气体的流量为15L/min-30 L/min。

6.根据权利要求1所述方法，其中，第四步骤（S4）中，单层焊接时，激光光束和丝之间的间距为0，激光焊接头发射的激光功率为3.5kW -4kW。

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