CN112935549A - 一种窄间隙激光填丝焊接设备及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种窄间隙激光填丝焊接设备，包括激光头、固定在激光头上的保护气管、送丝机构、清渣刷及气刀管。本发明在常规的窄间隙激光填丝焊接过程中，通过清渣刷与气刀管作用于焊道，其中清渣刷直接作用于焊道及侧壁，促使附着在焊道及侧壁的焊渣剥落；此外，由于剥落的焊渣并不能脱离焊道，采用高压的气流或混合溶液将焊渣吹离焊道，借助气动压力系统，按激光焊接板材的规律和特点，将高压气体或混合溶液，通过固定在激光器的可控管道系统输送液体、气体到达焊道处，可以避免多层焊接时层间未熔合的问题，解决了窄间隙激光填丝焊后难以清渣，再次焊接时易产生层间未熔合、气孔、侧壁未熔合等缺陷，从而改善层间、侧壁的焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接设备及其方法，尤其是一种窄间隙激光填丝焊接设备及其方法。
背景技术
在金属材料的焊接领域，特别是矿山机械、航空航天、核电、船舶、汽车制造等设备制造，存在大型中厚壁构件的焊接。
目前，对于中厚板材的焊接主要有手工焊、埋弧焊和气体保护焊等方式，但常常会在焊缝区和热影响区产生晶粒粗大的情况。窄间隙激光填丝焊接技术和传统弧焊相比较，具有热影响区小，焊接变形较小，焊接效率高，甚至可以进一步的细化晶粒，达到提高接头力学性能的作用等特点，尤其在大厚板焊接中的优势更加明显。然而，对于中厚板材进行焊接时，由于窄间隙激光填丝焊坡口较窄，焊接要求较为苛刻，焊接后附着在焊道及侧壁的焊渣严重影响再次焊接时的焊接质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种窄间隙激光填丝焊接设备及其方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供窄间隙激光填丝焊接设备，包括激光头、固定在激光头上的保护气管、送丝机构、清渣刷及气刀管。
作为改进，保护气管设有角度调节器；保护气管输送Ar、CO2和He的一种气体或多种混合气；在焊接过程中，电压和送丝速度等一定的条件下，当保护气体成分发生变化时，即随着氦含量的增加，侧壁融合深度增加，焊接后的工件形貌光滑，焊接质量很好。25%He+75%CO2 （所占体积比例）熔深和熔宽深度最大，焊接效果最好。
作为改进，清渣刷采用硬质合金，通过电机驱动旋转进行清渣；清渣刷与气刀管方向与焊接方向相反，有效的避免吹离的焊渣破坏焊接熔池。
作为改进，送丝机构设有调节器；送丝机构与焊接方向的夹角呈锐角，采用前置送丝方式进行窄间隙激光填丝焊接。在窄间隙激光填丝焊的过程中。激光方向、填丝方向和保护气体通入的方向组成了不同的搭配。前置送丝和后置送丝为激光填丝焊接的两种基本的送丝方式，前送丝是将焊丝熔池的前方并与焊接方向呈锐角送入熔池；后送丝是将焊丝从熔池的后方并与焊接方向呈钝角送入熔池；侧向送丝是将焊丝从熔池的两侧或焊接方向的两侧送入熔池。送丝方法左右了焊丝的加热原理，对焊丝的熔化和填充过程有决定性的作用。后置送丝焊接时，能量不能实现焊丝的熔化的快速和充分，所以焊丝与基体反应不充分，导致焊接过程不稳定，焊缝成形不理想；而前置送丝焊接时，焊丝在远离激光束时主要依靠金属蒸气和光致等离子体的能量以及熔池的能量作用发生熔化，当靠近激光束时焊丝受到部分激光的直接照射而被进一步加热熔化，熔化充分，焊丝的熔入过程连续稳定，且焊丝先熔入到前方熔池中并随熔液流向后方，焊丝能均匀熔入到焊缝中。
作为改进，激光头发出的激光束和送丝机构的焊丝呈 α角，其角度值在20～80°之间。由于坡口尺寸较小，焊丝需要伸进坡口底端才能进行焊接，且这对于深槽来说，由于送丝嘴的直径大于坡口上表面宽度，只能将焊丝伸进深槽中，需要将焊丝伸长约40mm，这对焊丝的矫正有极高的要求，如果焊丝在焊接过程中出现摆动，将会导致激光束照射不到焊丝上，出现未熔合缺陷，将直接影响到焊接效果。在焊接前，送丝机构在送丝焊缝方向上通过调节器进行任意调节，且α角是在一定范围内进行调节，可选取最优角度进行送丝，保证焊接质量。
作为改进，焊接设备采用IPG 4kW 激光器，光纤芯径为200μm，聚焦镜直径为247mm、零离焦时光斑直径为160μm；在焊接过程中，避免激光束直射工件，造成光束反射损伤聚焦镜片，激光束与工件表面呈斜角，其角度值在2～5°之间。
作为改进，气刀管输送酒精水溶液与Ar气的混合体，实现了在有效的保护焊道同时进行焊渣清理。
作为改进，还包括背板保护气管；所述背板保护气管输送N2气。保护气分为两种，第一焊接熔池保护气，背板保护气。目前，对于焊接熔池的保护，采用99.99%的Ar进行保护，同时也可采取He+CO2（体积比为1:3）混合气进行保护，在焊接过程中，保护气直吹焊接熔池进行保护。背板保护气仅在在首道钝边自熔焊时发挥开启，对焊板背面进行通气保护，该保护气为99.99%的N2气体。焊接熔池的保护气管与激光束的夹角β，其角度值在20～80°之间可调。在焊缝方向上，通过调节器进行任意调节。
在零离焦时，光斑直径为0.16mm，采用振镜调节光斑直径，调节最大直径为5mm。振镜调节光斑直径是通过激光头自带的wobble对光路进行调节实现在焊接过程中光路沿直线进行摆动，从而提高坡口适应性、光搅拌消除气孔，促进侧壁熔合。
本发明还一种窄间隙激光填丝焊接方法，包括以下步骤：
步骤（1）：拼装待焊接工件，将工件背部进行点焊，将待焊接工件进行加持工装；
步骤（2）：激光头移至待焊接工件起焊点进行对点，使光斑中心落于未焊工件缝隙上，将此空间点进行记录，以此对焊接终点进行标记；
步骤（3）：通过送丝机将焊丝前端送至光斑中心，使光斑落于焊丝前端；焊接时将送气、送丝、送光系统同时开启；
步骤（4）：背部保护气管在首道激光自熔焊接起焊时开启，在激光填丝焊接过程中保持关闭状态。
作为改进，光丝同步协调，指通过送丝机送出的焊丝能够被激光完全熔化，送丝过快会导致焊丝未熔，过慢会导致填充厚度较小。过慢会导致填充厚度较小，且出现侧壁未熔合现象。送丝过快时，由于激光在单位时间内输出能量无法将焊丝完全熔化，造成焊缝处出现未熔合焊丝，且由于焊丝堆积，在焊接过程中焊丝偏离激光束，造成焊丝未熔且偏离且冲出焊道造成焊接失败。
经研究发现，P（激光焊接功率）=3.6kW，V（焊接速度）=9mm/s的条件下，改变送丝速度进行对比，研究发现：在Vf(焊丝进给速度)=4.6m/min时，焊丝熔化充分，焊缝填充度较好；在Vf(焊丝进给速度)=6m/min时，焊丝出现未熔，且出现断焊现象；在Vf(焊丝进给速度)=2m/min，填充厚度较小，且出现侧壁未熔状况，未熔主要是由于送丝量过小，焊丝不足以熔化且流动充满同高度下的焊缝。
作为改进，增加焊丝进给速率，降低焊接速度，调整激光输出功率。焊丝进给速度取决于直接形成焊缝，直接决定坡口里的金属堆积形态。在魏国等在对高强度钢超窄间隙激光焊接中的工艺参数相互作用的研究中，发现表示填充道次数随着送丝速度的增加而下降，并且可以随着焊接速度的降低而下降。焊丝进给速率的增加和焊接速度的降低导致每单位长度沉积的填充材料的体积增加，并因此导致每个填充通道的平均高度的增加。这意味着给定厚度的焊缝将在更少的通过中完成。增加线材沉积速率也将导致接头完成时间缩短。
激光输出功率是影响窄间隙进行激光填丝焊接的关键技术条件，它决定了焊接热输入的作用，影响着一个焊缝的熔深和熔池的大小、填充量以及通过侧壁的熔合不良情况。增加激光的功率，提高了侧壁未熔合不良等缺陷。但是这个过程并不是一直为正比例函数的增长，当功率增到一个阈值时，焊缝的熔深和熔池的大小增加的速率会变得缓慢。经研究发现，在P=3.7kW，Vf(焊丝进给速度)=4.7m/min，V（焊接速度）=8.5m/s，保护气管输出25%He+75%CO2 （所占体积比例），功率的提升使得层间熔合较好，焊接效果达到最佳，熔深和熔宽深度最大，最大熔深可达5.37mm，熔宽为3.85mm，单边热影响区宽度为0.4mm。
本发明的有益效果在于：（1）、本发明在常规的窄间隙激光填丝焊接过程中，通过清渣刷与气刀管作用于焊道，其中清渣刷直接作用于焊道及侧壁，促使附着在焊道及侧壁的焊渣剥落；此外，由于剥落的焊渣并不能脱离焊道，采用高压的气流或混合溶液将焊渣吹离焊道，借助气动压力系统，按激光焊接板材的规律和特点，将高压气体或混合溶液，通过固定在激光器的可控管道系统输送液体、气体到达焊道处，可以避免多层焊接时层间未熔合的问题，解决了窄间隙激光填丝焊后难以清渣，再次焊接时易产生层间未熔合、气孔、侧壁未熔合等缺陷，从而改善层间、侧壁的焊接质量。（2）、清渣刷和气刀管能在窄间隙激光焊接的同时进行清渣作业，将焊接之后焊后清渣合为一步，大大提高了焊接效率，能够减少焊接板材清渣时间，提高多层焊接效率，清渣率可以达到90%以上。（3）、本发明采用高功率激光照射填丝使其熔化并与母材熔合在一起，克服了传统激光自熔焊接工件装配间隙容忍度小、焊接板材较薄等缺点。
附图说明
图1为本发明窄间隙激光填丝焊接设备的结构示意图；
图中：1、激光头；2、激光束；3、保护气管；4、送丝机构；5、焊接熔池；6、旋动开关；7、清渣刷；8、气阀开关；9、气刀管；10、约束扣1；11、母材；12、焊缝合金；13、约束扣2；14、背板保护气管；15、固定加强板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细说明。
如图1所示，激光器与激光头1之间通过光纤线缆连结，光纤线缆起到传输由激光发生器产生的激光作用。激光头1由螺栓固定在机械手臂上。送丝机构4、保护气管3分别固定在延长的固定加强板15上，固定加强板15固定在激光头1上。夹装工具作为加持工件的支撑，作为单独工件使用。约束扣1、约束扣2及背板保护气管为各自独立。约束扣1将7清渣刷与9气刀管固定在一起，且9气刀管与7清渣刷呈10°斜角。约束扣2，主要将多管气道固定在一起，使气管中的25%He+75%CO2混合气沿同一方向进行输送，多管气道输送出的气体能够将熔池充分包裹，达到较好的熔池保护效果。背板保护气管主要输送Ar气，该气道为单独开启，主要考虑对首道激光自熔焊接时对背面焊缝成形的保护。
在焊接之前，将激光器、送丝、送气系统进行调试，将保护气管3、送丝机构4、清渣刷7、气刀管9通过加强板固定在激光头1上。调试完毕后，使用丙酮将待焊接工件母材11部位进行清洗。为保证焊接工件的对准性，人工拼装后，将工件背部进行点焊。通过人工或者吊装方法将待焊接工件进行加持工装。焊接操作时同时开启激光束2、保护气管3、送丝机构4、旋动开关6、气阀开关8。开启激光束2作用于焊接熔池5左向进行焊接，激光束2发出的光作用于通过送丝机构4伸出的焊丝形成焊缝合金12。旋动开关6控制清渣刷7的旋动速度，在焊接的同时清渣刷7成顺时针旋动，并随着激光头1的左向运动进行清渣。气阀开关8在清渣刷7作用后，将清理下来的焊渣进行吹离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种窄间隙激光填丝焊接设备，包括激光头（1），其特征在于：还包括分别固定在激光头（1）上的保护气管（3）、送丝机构（4）、清渣刷（7）及气刀管（9）。
2.根据权利要求1所述的窄间隙激光填丝焊接设备，其特征在于：所述保护气管（3）输送Ar、CO2和He的一种气体或多种混合气。
3.根据权利要求1所述的窄间隙激光填丝焊接设备，其特征在于：所述保护气管（3）和/或送丝机构（4）设有角度调节器。
4.根据权利要求1所述的窄间隙激光填丝焊接设备，其特征在于：所述清渣刷采用硬质合金，通过电机驱动旋转进行清渣。
5.根据权利要求1所述的窄间隙激光填丝焊接设备，其特征在于：所述送丝机构（4）与焊接方向的夹角呈锐角，采用前置送丝方式进行焊接。
6.根据权利要求1所述的窄间隙激光填丝焊接设备，其特征在于：所述送丝机构（4）与激光头（1）发出的激光束（2）的夹角在20～80°之间；所述激光束（2）与保护气管（3）的夹角在20～80°之间。
7.根据权利要求1所述的窄间隙激光填丝焊接设备，其特征在于：所述激光束（2）与工件表面呈斜角，其角度值在2～5°之间。
8.根据权利要求1所述的窄间隙激光填丝焊接设备，其特征在于：还包括背板保护气管（14）。
9.一种窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一窄间隙激光填丝焊接设备；包括以下步骤：
步骤（1）：拼装待焊接工件，将工件背部进行点焊，将待焊接工件进行加持工装；
步骤（2）：激光头（1）移至待焊接工件起焊点进行对点，使光斑中心落于未焊工件缝隙上，将此空间点进行记录，以此对焊接终点进行标记；
步骤（3）：通过送丝机构（4）将焊丝前端送至光斑中心，使光斑落于焊丝前端；焊接时将激光头（1）、保护气管（3）、送丝机构（4）、清渣刷（7）及气刀（9）同时开启。
10.根据权利要求8所述的窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：在步骤（3）中，所述保护气管（3）输送的混合气为He、CO2，其体积比为1:3，激光焊接功率为3.7kW，焊丝进给速度为4.7m/min，焊接速度为8.5m/s。
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