CN112620886A - 一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，包括如下步骤：选取焊接母材和焊接填充材料，保护气体为CO2气体，采用低功率连续激光器；打磨母材的表面后，放在夹具上，调整焊枪与激光的位置，调整激光离焦量及光丝间距，然后使用夹具将母材固定；打开焊枪、水冷装置、低功率连续激光器，焊接电流150～200A，焊接电压20～24V，气流量10～18L/min，干伸长10～15mm，焊接速度250～320mm/min。本发明能够使用适合的工艺参数实现低功率连续激光对于CO2电弧的诱导焊接，实现焊接熔深的增加，大大提高了中厚板T型结构条件下焊接电弧的稳定性，明显提高焊后工件相关性能。
Description
技术领域
本发明涉及焊接方法，具体为一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法。
背景技术
CO2气体保护电弧焊是采用CO2气体作为主要保护气体，焊丝作为熔化电极的一类电弧焊方法。CO2气体保护电弧焊因具有廉价、高效、抗锈、低氢、便于实现自动化等优点已经成为低碳钢和低合金钢等黑色金属焊接中实际生产使用、应用最为广泛的方法；在实际生产使用中具有很大的占比。
激光焊接是高能束焊接的代表方式之一，具有诸多特点，激光束有较高的能量密度、进行焊接操作时的抗干扰能力强，同时模块化的结构易于维护及维修。目前应用于实际生产的激光多为千瓦级以上的高功率激光，存在着采购成本高、维护成本高以及普遍设备体积大等问题，同时我国当前用于实际焊接生产的高功率激光器多为国外进口，存在明显的技术壁垒。
随着国家对激光事业的重视和进一步的投入，目前国内厂商已经可以实现百瓦级激光的国产化和量产化，不仅采购成本大幅降低且使用成本也仅为正常高功率激光的十几分之一。但是百瓦级的激光由于自身功率较小等局限，目前无法应用于中厚板T型结构的钢材等黑色金属的焊接。本专利技术，在相应的参数下可以实现中厚板T型结构的有效焊接，相较于传统的高功率激光焊接及高功率激光电弧复合焊接，大幅降低设备及生产成本。
CO2电弧焊接是目前使用范围最广的焊接方法，在高温下，CO2气体会分解产生CO气体跟O2，分解过程产生吸热，会导致电弧在熔滴下方形成，阻碍了熔滴的过渡，形成了短路过渡，使得焊接过程不稳定，出现飞溅大，熔深浅这些问题；同时针对中厚板T型结构焊接时，由于电弧遵从最小电压原理，焊接电弧会在T型结构的侧壁左右漂移，焊后产生影响结构使用性能的缺陷。
对于单纯激光(高功率激光和低功率激光)焊接，焊接时工件的装配间隙要求很严格，同时在焊接时易产生气孔、咬边等焊接缺陷。为了消除或者减少单纯激光焊接或者单纯电弧焊接时产生的上述缺陷，同时又要保留两种焊接方法的优点。采用本专利技术，在最适的实验数据下，可以有效实现中厚板T型结构的焊接，且焊后工件缺陷明显减少，结构相应性能明显提高
目前激光与电弧复合焊接主要集中在激光-TIG电弧、激光-MAG电弧和激光-PAW电弧上，而尚未对低功率连读激光与CO2电弧交互作用进行研究。专利申请号为2017107595930.4的专利公开了一种大功率激光由于电弧复合焊接的方法，激光设备功率达到6000W，设备价格昂贵。专利申请公布号为2017107595930.4的专利公开了一种低功率连续激光诱导电弧复合能的加工方法，所采用的是脉冲激光器，其平均功率为500W，但实际对生产有利的是其上千瓦的峰值功率，并非严格意义上的低功率连续激光，且该低功率脉冲激光器的价格昂贵，难以普及和推广。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种针对中厚板T型结构、能够实现大熔深、高效、低成本焊接的低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法。
技术方案：本发明所述的一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，包括如下步骤：
a、选取焊接母材和相应的焊接填充材料，焊接过程中的保护气体为CO2气体，采用低功率连续激光器，其功率小于等于500W，保证激光处于连续输出的状态下，电弧选用CO2电弧；
b、用80目砂轮片打磨母材的表面后，除去表面的锈、氧化膜及油污等，将打磨好的母材放在夹具上，调整焊枪与激光的位置，调整好离焦量，然后使用夹具将母材固定，防止焊接过程中板材的移动；
c、打开焊枪、水冷装置、低功率连续激光器准备进行焊接，焊接工艺参数为：焊接电流150～200A，焊接电压20～24V，气流量10～18L/min，干伸长10～15mm，焊接速度250～320mm/min，激光功率200～300W，焊枪角度45～75°，激光入射角度85～90°，激光离焦量-2～+2mm，光丝间距0～3mm。
焊后对焊缝的检测，具体地包括对焊缝的外观进行查看，将焊缝切开，通过宏观金相查看焊缝的熔深、熔宽、余高等；优选地，宏观金相采用4％硝酸酒精进行腐蚀，并进行硬度测试。
其中，母材为碳钢或Q235B钢。焊接填充材料为低合金钢焊丝或ER70S-6焊丝。低功率连续激光器为连续光纤激光器。
焊接进行时，电弧在后，激光在前引导，即左焊法，需特别注意光丝间距及激光离焦量的选择，只有当这两个实验参数选取最适参数时，才能实现特定的焊接效果，生产出可靠的焊接工件。
水冷装置为双温双控冷水机，可以给水箱中的水冷却或者加热，满足激光器需要的恒温控制。双温双控冷水机使冷却激光器温度保持在23.5～24.5℃，冷却激光镜头温度保持在17.5～18.5℃。
工作原理：通过研究低功率连续激光诱导电弧焊接，激光作为辅助热源，用于激发离子通道、诱导并钉扎电弧，在最适参数下发现低功率连续激光对电弧有明显的稳定效果，存在明显的增益。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、能够使用适合的工艺参数实现低功率连续激光对于CO2电弧的诱导焊接，实现焊接熔深的增加，提高了焊接电弧的稳定性，解决了CO2电弧焊接熔深浅的问题，提高了焊接生产效率，节约了生产成本；焊缝连续美观，焊接熔深增大明显，对接头进行硬度测试，发现与未加激光时的焊缝一致，不存在什么差异；
2、在焊接中厚Q235B(小于20mm)钢板时，在保持所需熔深的情况下，采用低功率连续激光器，大幅降低生产过程中设备的维护成本，同时大幅降低焊接生产过程中电能的消耗；
3、在焊接中厚Q235B(小于20mm)钢板时，具有与高功率激光-电弧复合焊接在此厚度，同时使用常用的焊接规范进行焊接时，具有相同的焊缝成形情况，有利于保护焊接人员的安全；
4、设备占地面积为0.9m3，相较于传统的高功率激光-电弧复合焊接设备，大幅缩小设备占地面积，减少在设备占用体积上的厂房建设投入。
附图说明
图1是本发明的焊接示意图；
图2是本发明实施例1的焊缝熔深图
图3是本发明实施例1的焊接电流电压分布图；
图4是本发明实施例2的焊缝熔深图；
图5是本发明实施例2的焊接电流电压分布图；
图6是本发明实施例6的中厚板T型结构的焊缝成形图；
图7是纯CO2电弧焊的焊缝成形图。
具体实施方式
以下各实施例中，所用装置均为现有。自研一种便携式激光诱导电弧焊接复合一体式焊枪，公开号：CN109530921A，该焊枪具有体积小、集成度高、结构设计紧凑以及激光出射角度可调等特点，设备占地面积为0.9m3，可以有效拓展本技术及相应设备的使用场景和使用情况以及安全有效的实现焊接，实现一机多用，大幅减少设备及生产成本投入。低功率连续激光器3为连续光纤激光器。水冷装置为双温双控冷水机，可以给水箱中的水冷却或者加热，满足激光器需要的恒温控制。焊后对焊缝的检测，具体地包括对焊缝的外观进行查看，将焊缝切开，通过宏观金相查看焊缝的熔深、熔宽、余高等。优选地，宏观金相采用4％硝酸酒精进行腐蚀，并进行硬度测试。
实施例1
如图1，一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，包括如下步骤：
(1)使用Q235B钢作为焊接母材1，焊接填充材料2选择合金焊丝，焊接过程中的保护气体为CO2气体，采用低功率连续激光诱导CO2电弧焊接，严格控制激光输出功率，CO2电弧参数采用实际生产过程中常用的经验参数，焊接母材1选用Q235B钢板，填充材料2选择直径为1.2mm的ER70S-6焊丝，保护气体为CO2，激光器使用的是Raycus公司的RCL-C500，焊枪4使用的是OTC公司的XD500S；
(2)用80目砂轮片打磨母材1的表面后，除去表面的锈、氧化膜及油污等，将打磨好的母材1放在夹具上，调整焊枪4与激光的位置，调整好离焦量，然后使用夹具将母材1固定；
(3)打开焊枪4、水冷装置、低功率连续激光器3准备进行左焊法焊接，水冷装置使冷却激光器温度保持在24±0.5℃，冷却激光镜头温度保持在18±0.5℃，电弧在后，低功率连续激光在前引导，焊接电流150A，焊接电压20V，气流量15L/min，干伸长12mm，焊接速度300mm/min，激光功率200W，焊枪角度α＝45°，激光入射角度β＝85°，激光离焦量x＝+2mm，光丝间距y＝0mm。
图2为焊缝形态图，焊缝熔深为2.24mm。
如图3，采集焊接时的电流电压值，绘制U-I图，通过分析焊接时电流电压参数的密集性评定焊接状态的稳定性。从图中可以看出，电流电压值比较分散，这就表示电弧稳定性较差。
实施例2
一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，包括如下步骤：
(1)使用Q235B钢作为焊接母材1，焊接填充材料2选择合金焊丝，焊接过程中的保护气体为CO2气体，采用低功率连续激光诱导CO2电弧焊接，严格控制激光输出功率，CO2电弧参数采用实际生产过程中常用的经验参数，焊接母材1选用Q235B钢板，填充材料2选择直径为1.2mm的ER70S-6焊丝，保护气体为CO2，激光器使用的是Raycus公司的RCL-C500，焊枪4使用的是OTC公司的XD500S；
(2)用80目砂轮片打磨母材1的表面后，除去表面的锈、氧化膜及油污等，将打磨好的母材1放在夹具上，调整焊枪4与激光的位置，调整好离焦量，然后使用夹具将母材1固定；
(3)打开焊枪4、水冷装置、低功率连续激光器3准备进行左焊法焊接，水冷装置使冷却激光器温度保持在24±0.5℃，冷却激光镜头温度保持在18±0.5℃，电弧在后，低功率连续激光在前引导，焊接电流170A，焊接电压22V，气流量15L/min，干伸长12mm，焊接速度280mm/min，激光功率200W，焊枪角度α＝75°，激光入射角度β＝85°，激光离焦量x＝0mm，光丝间距y＝1mm。
图4为焊缝形态图，焊缝熔深为2.56mm。相较于实施例1焊缝熔深方面增加了14％，因此本实施例为最优实施例。
如图5，采集焊接时的电流电压值，绘制U-I图，通过分析焊接时电流电压参数的密集性评定焊接状态的稳定性。从图中可以看出，电流电压值比较集中，大电流大电压的值减少了，表明电弧更加的稳定。
实施例3
一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，包括如下步骤：
(1)选取碳钢作为焊接母材1，焊接填充材料2选择合金焊丝，焊接过程中的保护气体为CO2气体，采用低功率连续激光诱导CO2电弧焊接，严格控制激光输出功率，CO2电弧参数采用实际生产过程中常用的经验参数，焊接母材1选用Q235B钢板，填充材料2选择直径为1.2mm的低合金钢焊丝，保护气体为CO2，激光器使用的是Raycus公司的RCL-C500，焊枪4使用的是OTC公司的XD500S；
(2)用80目砂轮片打磨母材1的表面后，除去表面的锈、氧化膜及油污等，将打磨好的母材1放在夹具上，调整焊枪4与激光的位置，调整好离焦量，然后使用夹具将母材1固定；
(3)打开焊枪4、水冷装置、低功率连续激光器3准备进行左焊法焊接，水冷装置使冷却激光器温度保持在24±0.5℃，冷却激光镜头温度保持在18±0.5℃，电弧在后，低功率连续激光在前引导，焊接电流150A，焊接电压20V，气流量10L/min，干伸长10mm，焊接速度250mm/min，激光功率200W，焊枪角度α＝45°，激光入射角度β＝85°，激光离焦量x＝-2mm，光丝间距y＝0mm。
实施例4
一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，包括如下步骤：
(1)使用碳钢作为焊接母材1，焊接填充材料2选择合金焊丝，焊接过程中的保护气体为CO2气体，采用低功率连续激光诱导CO2电弧焊接，严格控制激光输出功率，CO2电弧参数采用实际生产过程中常用的经验参数，焊接母材1选用Q235B钢板，填充材料2选择直径为1.2mm的ER70S-6焊丝，保护气体为CO2，激光器使用的是Raycus公司的RCL-C500，焊枪4使用的是OTC公司的XD500S；
(2)用80目砂轮片打磨母材1的表面后，除去表面的锈、氧化膜及油污等，将打磨好的母材1放在夹具上，调整焊枪4与激光的位置，调整好离焦量，然后使用夹具将母材1固定；
(3)打开焊枪4、水冷装置、低功率连续激光器3准备进行左焊法焊接，水冷装置使冷却激光器温度保持在24±0.5℃，冷却激光镜头温度保持在18±0.5℃，电弧在后，低功率连续激光在前引导，焊接电流200A，焊接电压24V，气流量18L/min，干伸长15mm，焊接速度320mm/min，激光功率300W，焊枪角度α＝75°，激光入射角度β＝90°，激光离焦量x＝+2mm，光丝间距y＝3mm。
实施例5
一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，包括如下步骤：
(1)使用Q235B钢作为焊接母材1，焊接填充材料2选择合金焊丝，焊接过程中的保护气体为CO2气体，采用低功率连续激光诱导CO2电弧焊接，严格控制激光输出功率，CO2电弧参数采用实际生产过程中常用的经验参数，焊接母材1选用Q235B钢板，填充材料2选择直径为1.2mm的ER70S-6焊丝，保护气体为CO2，激光器使用的是Raycus公司的RCL-C500，焊枪4使用的是OTC公司的XD500S；
(2)用80目砂轮片打磨母材1的表面后，除去表面的锈、氧化膜及油污等，将打磨好的母材1放在夹具上，调整焊枪4与激光的位置，调整好离焦量，然后使用夹具将母材1固定；
(3)打开焊枪4、水冷装置、低功率连续激光器3准备进行左焊法焊接，水冷装置使冷却激光器温度保持在24±0.5℃，冷却激光镜头温度保持在18±0.5℃，电弧在后，低功率连续激光在前引导，焊接电流175A，焊接电压22V，气流量14L/min，干伸长13mm，焊接速度285mm/min，激光功率250W，焊枪角度α＝55°，激光入射角度β＝87°，激光离焦量x＝0mm，光丝间距y＝1mm。
实施例6
一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，包括如下步骤：
(1)使用Q235B钢作为焊接母材1，焊接填充材料2选择合金焊丝，焊接过程中的保护气体为CO2气体，采用低功率连续激光诱导CO2电弧焊接，严格控制激光输出功率，CO2电弧参数采用实际生产过程中常用的经验参数，填充材料2选择直径为1.2mm的ER70S-6焊丝，保护气体为CO2，激光器使用的是Raycus公司的RCL-C500，焊枪4使用的是OTC公司的XD500S；
(2)翼板、腹板的尺寸分别为300×200×30mm和300×100×30mm，材质为Q235B，采用T型接头的形式进行装夹，钝边和装配间隙为1mm，装配完成后，对工件焊缝坡口及附近20mm范围内进行打磨抛光、除锈和除油处理。
(3)打开焊枪4、水冷装置、低功率连续激光器3准备进行左焊法焊接，水冷装置使冷却激光器温度保持在24±0.5℃，冷却激光镜头温度保持在18±0.5℃，电弧在后，低功率连续激光在前引导，焊接电流200A，焊接电压24V，气流量18L/min，干伸长15mm，焊接速度320mm/min，激光功率300W，激光离焦量x＝+2mm，光丝间距y＝1mm，最终得到图6的焊缝成形图。
对比例1
为了对焊接效果进行对比，采用与实施例6发相同CO2电弧焊接的参数，即焊接电流200A，焊接电压24V，气流量18L/min，干伸长15mm，焊接速度320mm/min，进行焊接，最终得到图7的焊缝成形图。由图6及图7可以看出，由本申请的方法所焊接的材料形貌更好。图6采用的方法焊接中厚板T型结构后，T型构件未出现明显焊接缺陷，从截面图看，母材与填充材料融合良好。图7采用纯CO2电弧进行焊接，在焊接中厚板T型结构后，T型构件焊缝根部出现明显未融合区域，焊缝根部出现缺陷(例如未焊透等)，在实际使用过程中会出现焊件根部断裂等情况。
对比例2
以高功率激光-电弧复合焊接技术作为对比例，具体包括如下步骤：
(1)使用Q235B钢作为焊接母材1，焊接填充材料2选择合金焊丝，焊接过程中的保护气体为CO2气体以及He气体的混合物(当He占据气体含量的0-80％，在高功率激光-电弧复合焊接时，飞溅数量较少，工艺稳定性较好)，采用高功率激光-电弧焊接，严格控制激光输出功率，电弧焊参数采用实际生产过程中常用的经验参数，焊接母材1选用Q235B钢板，填充材料2选择直径为1.2mm的ER056焊丝，保护气体为CO2和He，激光器使用的是Rofin TR0505kw激光器，焊枪4使用的是OTC公司的XD500S；
(2)用80目砂轮片打磨母材1的表面后，除去表面的锈、氧化膜及油污等，将打磨好的母材1放在夹具上，调整焊枪4与激光的位置，调整好离焦量，然后使用夹具将母材1固定；
(3)打开焊枪4、水冷装置、低功率连续激光器3准备进行左焊法焊接，水冷装置使冷却激光器温度保持在28±0.5℃，冷却激光镜头温度保持在22±0.5℃，电弧在后，低功率连续激光在前引导，焊接电流175A，焊接电压22V，气流量14L/min，干伸长13mm，焊接速度370mm/min，激光功率4.5kW，焊枪角度α＝60°，激光入射角度β＝87°，激光离焦量x＝0mm，光丝间距y＝2mm。
表1焊接试样性能测试
| 测试项目 | 实施例5 | 对比例2 |
| 拉伸强度 | 420.7MPa | 403.2MPa |
| 弯曲强度 | 合格(弯曲过程未出现裂纹) | 合格(弯曲过程未出现裂纹) |
| 冲击功 | 58.64J | 49.61J |
| 金相 | 合格 | 合格 |
对实施例5、对比例2的焊接试样进行性能测试，可以看出：实施例5的采用低功率激光诱导CO2电弧，与传统工业上采用的高功率激光电弧复合方焊接法(对比例2相比，在大幅降低设备采购、维护成本的同时，焊后试样在拉伸强度、冲击功方面也具有一定优势。同时，弯曲强度及焊缝金相符合国家标准。
首先从焊接时的原理出发，高功率激光-电弧复合焊接的原理，是高功率激光在焊接过程中是主导热源,承担直接加热工件、促使母材的熔化或气化、产生熔池的作用，在复合焊接中作为主要输入热源；而实施例5提及的技术，低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法的原理，是低功率激光用于激发离子通道、诱导并钉扎电弧，以实现电弧燃烧过程的稳定以及焊缝熔深的增加，此时低功率连续激光是作为辅助热源，而电弧为主要输入热源以实现焊缝熔深的形成。
实施例5提及的技术与高功率激光-电弧复合焊接，两者的激光在复合焊接过程中承担的作用完全不同，一个是作为辅助热源，作用是激发离子通道、诱导并钉扎电弧；另一个是作为主导热源，作用是提供熔化母材和填充材料的热量，加热形成熔池。所以实施例5提及的技术与高功率激光-电弧复合焊接技术在原理上截然不同其次，高功率激光-电弧复合焊接通常需要采用混合气体进行焊接，混合时需控制两种或多种气体的比例及相应气体流量，操作相应复杂。如果气体混合比例控制不当，易出现焊接缺陷，工艺稳定性明显降低；而本专利提及的技术，使用纯CO2气体即可进行焊接，可有效避免气体混合比例不当而产生的问题。
同时实施例5由于采用低功率连续激光器，在使用过程中消耗能量少，同时设备易于采购及维护，可明显降低使用及后续的维护成本。结合下表1可以看出：在较小热输入的情况下实现了焊件的有效焊接，母材因热输入产生的形变及应力较小，因此在部分力学检测上优于采用高功率激光-电弧复合焊接技术制成的试样。弯曲检测的弯曲角度是180°，弯轴直径4a，实施例5和对比例的试样弯曲到规定角度，拉伸面上焊缝和热影响区，任何方向上没有开口缺陷，弯曲结果合格。
Claims (7)
1.一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
(a)选取焊接母材(1)和焊接填充材料(2)，焊接过程中的保护气体为CO2气体，采用低功率连续激光器(3)，其功率小于等于500W；
(b)打磨母材(1)的表面后，放在夹具上，调整焊枪(4)与激光的位置，调整好离焦量，然后使用夹具将母材(1)固定；
(c)打开焊枪(4)、水冷装置、低功率连续激光器(3)，焊接工艺参数为：焊接电流150～200A，焊接电压20～24V，气流量10～18L/min，干伸长10～15mm，焊接速度250～320mm/min，激光功率200～300W，焊枪角度45～75°，激光入射角度85～90°，激光离焦量-2～+2mm，光丝间距0～3mm。
2.根据权利要求1所述的一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，其特征在于：所述母材(1)为碳钢或Q235B钢。
3.根据权利要求1所述的一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，其特征在于：所述焊接填充材料(2)为低合金钢焊丝或ER70S-6焊丝。
4.根据权利要求1所述的一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，其特征在于：所述低功率连续激光器(3)为连续光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，其特征在于：所述焊接进行时，电弧在后，激光在前引导。
6.根据权利要求1所述的一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，其特征在于：所述水冷装置为双温双控冷水机。
7.根据权利要求6所述的一种低功率连续激光诱导二氧化碳电弧焊接方法，其特征在于：所述双温双控冷水机使冷却激光器温度保持在23.5～24.5℃，冷却激光镜头温度保持在17.5～18.5℃。
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