CN112045310A - 一种摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法 - Google Patents

一种摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，属于焊接技术领域，在焊接过程中，采用激光束在待焊工件坡口间隙中心线两侧的横向偏转摆动，诱导电弧在前进过程中形成左右横向摆动，从而实现激光和偏转的电弧充分加热窄间隙坡口侧壁母材，并改变了熔池流动行为，有效避免了熔化极气体保护焊超窄间隙过程中出现的侧壁未熔合现象，实现侧壁可靠熔合。

Description

一种摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺 方法
技术领域
本发明涉及焊接技术，尤其涉及一种激光-熔化极气体保护电弧复合超窄间隙全位置焊接工艺。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
厚壁结构焊接制造或建造过程中，焊接效率和焊接质量是特别需要关注的两个方面，而窄间隙焊接工艺则是在保证质量的条件下可以通过减少焊缝金属填充量提高焊接制造效率，并且坡口间隙越小，填充金属量越少，效率越高、成本越低。常用的窄间隙焊接(Narrow Gap Welding，NG-W)工艺方法有埋弧焊(Submerged Arc Welding，SAW)、熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding，GMAW)、激光焊(Laser Beam Welding，LBW)以及钨极惰性气体保护焊(Gas TungstenArcWelding，GTAW)等。由于受限于焊剂脱渣性，NG-SAW焊接过程中对坡口间隙有一定要求，一般都在10mm以上；在熔化极气体保护焊(GMAW)窄间隙焊接(NG-GMAW)工艺相对NG-SAW可以进一步减小对接间隙宽度，但存在侧壁熔合不良、根部未焊合以及飞溅等问题，特别是一旦发生飞溅粘附侧壁，严重情况下会阻断焊接，造成焊接过程不稳定。为了解决此问题，目前已开发了多种增强电弧对坡口侧壁加热的电弧焊接方法，如焊丝弯曲、焊丝旋转等可以实现电弧左右摆动，配合合适的保护气和焊接工艺参数在一定程度上能够改善电弧对坡口侧壁的加热效果，并解决侧壁、根部和底部均匀加热、可靠熔合的问题。焊丝的弯曲或摆动对常规熔化极气体保护焊枪设计具有很高的要求，并且要求坡口宽度足够大，因而对接间隙也不能达到超窄间隙的水平，并且焊接过程中焊丝弯曲和摆动易造成焊接过程不稳定问题。钨极惰性气体保护电弧窄间隙焊接(NG-GTAW)主要依靠钨极摆动或摇动保证可靠地的侧壁熔合，因此需要一定的坡口空间实现钨极的运动姿态控制；尽管NG-GTAW具有稳定的焊接过程，也可以采用填充热丝来提高熔敷效率，但与NG-GMAW相比，NG-GTAW熔敷效率低严重限制了其工程应用。
近年来激光焊接技术的发展，一方面利用激光与电弧的相互作用可以有效增强电弧的稳定性，实现激光+电弧复合热源的窄间隙焊接；另一方面利用实现窄间隙甚至超窄间隙焊接，并且通过激光摆动来实现侧壁可靠熔合，但窄间隙激光填丝焊接的熔敷效率低，严重影响了焊接生产效率。为了进一步降低厚壁(板)对接间隙，实现高效率的超窄间隙焊接，并且提高熔敷效率，利用激光+电弧复合热源焊接过程中诱导作用，一方面采用左右摆动的激光诱导熔化极气体保护焊电弧左右偏转，可以在保持焊丝居坡口中心中不动的条件下，利用偏转的电弧能量和摆动到侧壁的激光束能量共同实现坡口侧壁、层间的可靠熔合；另一方面利用熔化极气体保护焊电弧稳定熔化焊丝，不仅可以大幅度提高焊缝金属熔敷效率，还可以稳定电弧、实现无飞溅焊接，特别适合超窄间隙焊接。特别地，由于熔化极气体保护焊焊丝居中不动，可以大幅度减小坡口宽度最小至3-5mm，从减少焊缝金属填充量和提高焊缝金属熔敷效率两方面实现厚壁(板)结构的超窄间隙高效率高质量焊接。
发明内容
本发明的目的是针对厚壁或厚板结构超窄间隙焊接，提供一种利用激光摆动诱导熔化极气体保护焊电弧左右偏转实现优质高效超窄间隙焊接的工艺方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，包括：
开坡口和焊前清洁处理；
将待焊接工件固定在夹具上；
固定熔化极气体保护焊枪，将其送丝导电嘴用细管延长并置于坡口中间位置保持不变；
设置激光系统，使经过聚焦的激光束可在待焊工件坡口间隙中心线两侧以激光输出聚焦透镜为中心的横向偏转摆动；
进行焊接，熔化极气体保护焊枪保持不动，并引燃电弧；激光束在沿焊接方向向前行进的同时呈左右横向偏转摆动，GMA和激光束共同作用在同一焊接熔池，GMA在激光束诱导下随着激光束左右摆动，并共同对侧壁进行加热熔化，完成坡口填充和侧壁可靠熔合。
本发明的第二个方面，提供了一种摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接装置，包括：熔化极气体保护焊枪、激光系统；所述激光系统包括：激光发生器、聚焦透镜、摆动机构或振动镜头；所述聚焦透镜与摆动机构或振动镜头相连，所述聚焦透镜通过光纤与激光发生器相连，所述激光发生器发出的激光束与熔化极气体保护焊枪产生的电弧成5-50°。
相比于焊丝弯曲或旋转实现电弧摆动的工艺方法，在摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接中，可以进一步减少坡口横截面积，从而减少焊接填充量和总的焊接热输入，提高熔敷速率，实现高效低应力焊接。由于焊丝始终保持坡口中心线位置不变，而通过激光的摆动诱导电弧左右摆动形成偏转电弧，激光能量利用率和熔池中匙孔稳定性高，有利于焊接过程的稳定，保证焊缝质量。
本发明的第三个方面，提供了上述的摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接装置在厚壁/板结构超窄间隙焊接中的应用。
由于本发明实现了超窄间隙高效率高质量焊接，因此，该技术有望在厚壁/板结构超窄间隙焊接中得到广泛的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)在焊接过程中，采用激光束在待焊工件坡口间隙中心线两侧的横向偏转摆动，诱导电弧在前进过程中形成左右横向摆动，从而实现激光和偏转的电弧充分加热窄间隙坡口侧壁母材，有效避免了熔化极气体保护焊超窄间隙过程中出现的侧壁未熔合现象，实现侧壁可靠熔合。
(2)相比于焊丝弯曲或旋转实现电弧摆动的工艺方法，在摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接中，可以进一步减少坡口横截面积，从而减少焊缝金属填充量和总的焊接热输入，并提高熔敷速率，实现高效低应力焊接。由于焊丝始终保持坡口中心线位置不变，而通过激光的摆动诱导电弧左右摆动形成偏转电弧，激光能量利用率和熔池中匙孔稳定性高，有利于焊接过程的稳定，保证焊缝质量。
(3)常规超窄间隙焊接过程中存在电弧在侧壁攀升问题，容易造成层间未熔合及侧壁未熔合等缺陷，由于本焊接工艺中采用了摆动激光诱导GMAW电弧实现摆动行为，激光产生的等离子体对GMAW电弧具有钉扎作用，有利于保证焊丝熔化端头到侧壁距离大于焊丝熔化端头到熔池表面距离，可以有效抑制电弧在侧壁的攀升现象，从而避免由于电弧在侧壁的爬升造成的未熔合等缺陷和焊接过程不稳定的现象；另外，侧壁熔合的总热源来自激光摆动至侧壁处并做短暂停留的激光能量和GMAW电弧随激光诱导至侧壁时的电弧能量，因而在一定程度上可以降低GMAW热输入。防止电弧攀升造成焊接过程不稳定。
(4)本发明的结构/方法简单、操作方便、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是摆动激光诱导GMA电弧超窄间隙焊接工艺原理示意图：(a)激光摆动至左侧和(b)激光摆动至右侧，其中激光摆动是以输出透镜为圆心的左右偏转摆动。
图2是摆动激光束和焊枪在焊接方向上的相对位置示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种利用激光摆动诱导熔化极气体保护焊电弧实现优质高效超窄间隙焊接的工艺方法。
本发明的方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：开坡口和焊前清洁处理；
对厚度为10～500mm的厚壁或厚板工件对接坡口进行坡口角度为0-5°的I形坡口设计，并做焊前清洁处理。
步骤二：焊接工件装夹；
将待焊接工件固定在焊接操作台的夹具上。
步骤三：根据坡口参数设置激光束流摆动工艺参数和GMAW焊枪位置；
根据坡口宽度、角度等参数设置调整激光束摆动参数，左右摆动频率为0-200Hz、摆动幅度为坡口宽度；并将熔化极气体保护焊枪送丝导电嘴用专门设计的细铜管延长并置于坡口中间位置保持不变，使激光束在电弧前面，并以与竖直方向成0-10°入射坡口底面，电弧与激光束之间的夹具为5-50°，激光束与GMAW焊丝尖端之间的间距为0-20mm。
步骤四：设定焊接工艺参数；
激光功率选用50-20000W，GMAW电流为30-400A，保护气体流量为10-30L/min，GMAW焊丝干伸长为10-20mm，焊丝直径为0.8-2.4mm。焊接速度为0.2-5.0m/min。
步骤五：实施焊接；
启动激光系统和焊接电源，焊接时，熔化极气体保护焊枪保持不动，即焊枪导丝管焊丝正下方对准间隙中心线保持不变，并引燃电弧；激光束经聚焦透镜聚焦，并在摆动机构或振动镜头的带动下在沿焊接方向向前行进的同时呈左右横向偏转摆动，摆动轨迹可以是正弦波、之字形、三角波等路线，激光束的摆动频率为0-200Hz，摆动幅度0～坡口宽度，GMA和激光束共同作用在同一焊接熔池，GMA在激光束诱导下随着激光束左右摆动，并共同对侧壁进行加热熔化，完成坡口填充和侧壁可靠熔合。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
具体实施方式一：结合图1～图2说明实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：步骤一：对厚度为10～500mm的厚壁或厚板工件对接坡口进行坡口角度为0-5°的I形坡口设计，并做焊前清洁处理。步骤二：将待焊接工件1固定在焊接操作台的夹具上。步骤三：根据坡口宽度、角度等参数设置调整激光束摆动参数，左右摆动频率为0-200Hz、摆动幅度为坡口宽度；并将熔化极气体保护焊枪送丝导电嘴用细铜管延长并置GMAW焊丝3尖端于坡口中间位置保持不变，使激光束5在电弧2前面并以与竖直方向成0-10°入射坡口底面，电弧2与激光束5之间的夹具为5-50°，激光束5与GMAW焊丝3尖端之间的间距为0-20mm。步骤四：激光功率选用50-20000W，GMAW电流为30-400A，保护气体流量为10-30L/min，GMAW焊丝干伸长为10-20mm，焊丝直径为0.8-2.4mm。焊接速度为0.2-5.0m/min。步骤五：启动激光系统和焊接电源，焊接时，熔化极气体保护焊枪保持不动，即焊枪导丝管焊丝3正下方对准间隙中心线保持不变，并引燃电弧2；激光束5经聚焦透镜聚焦，并在摆动机构或振动镜头的带动下在沿焊接方向向前行进的同时呈左右横向摆动，摆动轨迹可以是正弦波、之字形、三角波等路线，激光束5的摆动频率为0-200Hz，摆动幅度0～15mm，GMAW电弧2和激光束5形成的激光斑点6共同作用在焊缝同一熔池，GMAW电弧2在激光束5诱导下随着激光束左右摆动，并共同对侧壁进行加热熔化，完成坡口填充和侧壁可靠熔合。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式中的步骤一的坡口形式为I形，板厚100～200mm设计坡口间隙4mm，坡口角度为0°，板厚200～500mm设计坡口间隙6mm。这样设计一方面最大限度地减小坡口横截面积，节约成本，提高焊接速率；另一方面可以采用较小的电弧线能量匹配激光能量产生足够的熔宽比，有利于防止侧壁未熔合问题。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，以板厚100mm，坡口间隙4mm为实例，本实施方式的步骤三中的GMAW电弧焊丝3端头与激光束5之间的夹角为30°。焊丝3与激光束5之间的夹角为30°时是激光束5在待焊工件1摆动焊接的最佳角度。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，以板厚100mm，坡口间隙4mm为实例，本实施方式的步骤三种的激光束5与GMAW焊丝3尖端之间的间距为3mm。激光束5与GMAW焊丝3尖端之间的间距为3mm时，能够保证激光与电弧之间相互作用和焊缝熔宽比在最佳范围内。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，以板厚100mm，坡口间隙4mm为实例，本实施方式的步骤四中实施焊接的激光最佳功率为3000W，GMAW的最佳焊接电流和最佳焊枪气体流量分别为200A和20L/min，摆动激光诱导GMAW电弧超窄间隙的最佳焊接速度为2m/min。其他步骤与具体实施方案一相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，以板厚100mm，坡口间隙4mm为实例，本实施方式的步骤四中的GMAW焊丝3的干伸长度和直径分别为15mm和1.0mm。上述数值能够保证焊缝熔池达到要求，避免了焊接时出现气孔及夹渣等缺陷。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，以板厚100mm，坡口间隙4mm为实例，本实施方式的步骤四中激光束摆动频率和摆动幅度最佳取值分别为50Hz和1.6mm。上述数值能够保证焊缝熔池达到要求，避免了焊接时出现气孔及夹渣等缺陷。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的激光采用Nd:YAG激光、半导体激光、碟形激光或光纤激光。根据不同的工件尺寸和焊接材料可以选择不同的激光器产生的激光束进行摆动激光诱导GMA电弧超窄间隙焊接，以便提高焊接的适应性和加工效率。其他步骤与具体实施方式一相同。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，其特征在于，包括：
开坡口和焊前清洁处理；
将待焊接工件固定在夹具上；
固定熔化极气体保护焊枪，将其送丝导电嘴用细管延长并置于坡口中间位置保持不变；
设置激光系统，使发射的激光束在待焊工件坡口间隙中心线两侧的横向摆动；
进行焊接，熔化极气体保护焊枪保持不动，并引燃电弧；激光束在沿焊接方向向前行进的同时呈左右横向摆动，GMA和激光束共同作用在焊缝同一熔池，GMA在激光束诱导下随着激光束左右摆动，并共同对侧壁进行加热熔化，完成坡口填充和侧壁熔合。
2.如权利要求1所述的摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，其特征在于，横向摆动的轨迹为正弦波、之字形、三角波中的一种。
3.如权利要求1所述的摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，其特征在于，所述激光束的摆动频率为0-200Hz，摆动幅度0～15mm。
4.如权利要求1所述的摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，其特征在于，所述激光束在电弧前面，并以与竖直方向成0-10°入射坡口底面，电弧与激光束之间的夹角为5-50°。
5.如权利要求1所述的摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，其特征在于，所述激光束与GMAW焊丝尖端之间的间距为0-20mm。
6.如权利要求1所述的摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，其特征在于，所述激光功率选用50-20000W。
7.如权利要求1所述的摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，其特征在于，GMAW电流为30-400A，保护气体流量为10-30L/min，GMAW焊丝干伸长为10-20mm，焊丝直径为0.8-2.4mm；焊接速度为0.2-5.0m/min。
8.如权利要求1所述的摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接工艺方法，其特征在于，待测工件的厚度为10～500mm，坡口角度为0-5°。
9.一种摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接装置，其特征在于，包括：熔化极气体保护焊枪、激光系统；所述激光系统包括：激光发生器、聚焦透镜、摆动机构或振动镜头；所述激光输出聚焦镜头与摆动机构或振动镜头相连，所述聚焦透镜通过光纤与激光发生器连接，所述激光发生器发出的激光束与熔化极气体保护焊枪产生的电弧成5-50°。
10.权利要求9所述的摆动激光诱导熔化极气体保护焊电弧超窄间隙焊接装置在厚壁/板结构超窄间隙焊接中的应用。
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