CN113182688B - 一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，属于激光加工技术领域。本发明解决现有厚板窄间隙激光填丝焊接过程中存在的大厚度钝边激光打底焊液柱及飞溅问题和焊缝中心焊接结晶裂纹问题。本发明在大厚度钝边熔透的激光打底焊接过程中，采用前束激光作为辅助热源，用于改变熔池形态以抑制后束高功率激光深熔焊接的熔池液柱及焊接飞溅，后束激光作为焊接主热源，用于实现大厚度钝边的穿透焊接。在窄间隙坡口多道填充焊接过程中，采用前束激光作为熔化焊丝的主热源，实现窄间隙坡口的焊接填充；后束激光作为热补偿辅助热源，控制大送丝量填充时形成大深宽比激光焊缝的熔池凝固顺序，实现自下而上的梯度顺序凝固，防止产生焊接结晶裂纹。

Description

一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法
技术领域
本发明涉及一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，属于激光加工技术领域。
背景技术
能源设备、舰船制造、石油化工、海洋工程等高端装备制造业对大型结构件中的中厚板高效优质焊接有着迫切需求。现有厚板的焊接方法众多，其中厚板窄间隙激光填丝焊接方法是一种高效优质的焊接技术，与传统的弧焊技术相比，具有焊接速度快、焊接热输入低、接头强度高、焊缝晶粒细化等优点。采用该方法焊接厚板以及大厚板时，应当尽量减小坡口的填充面积，这就需要采用大钝边窄坡口设计，但是现有高功率激光焊接大钝边坡口时，很容易在熔池前沿形成液柱并产生大量飞溅，严重影响激光打底焊缝的成形，且在填充焊中为了尽可能提高熔敷效率，需要大送丝量填充，但因坡口宽度较小，大送丝量填充量时，导致单层焊缝深宽比较大(即焊缝成形系数较小)，焊缝凝固过程容易导致因焊缝中心位置最后凝固，并因缺少液态金属的补缩，最终在焊缝中心位置形成结晶裂纹，因此在实际焊接过程中为控制焊缝成形系数不易采用大送丝量填充，这严重影响焊接效率。因此，为解决上述技术问题，提供一种高效的厚板窄间隙双光束激光焊接中厚板的方法是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有厚板窄间隙激光填丝焊接过程中存在的大厚度钝边激光打底焊液柱及飞溅问题和焊缝中心焊接结晶裂纹问题，提供一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，该方法特别涉及到采用大钝边、小角度的窄间隙坡口设计，通过双光束能量匹配控制抑制焊接飞溅和结晶裂纹，显著减小坡口填充面积，提高单道焊缝的熔敷效率，实现厚板窄间隙高效焊接。
本发明的技术方案：
一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，坡口设计：在两个待焊试件之间加工出带有钝边的坡口，所述的坡口为单面或双面U型窄间隙坡口，在坡口设计上大幅减小坡口填充面积；
步骤2，焊前准备：焊前对坡口附近进行机械打磨和化学清洗，吹干后将两个待焊试件装夹固定在工作台上；
步骤3，打底焊接：采用万瓦级高功率激光深熔焊对钝边进行单面单道或双面双道熔透焊接；所述的万瓦级高功率激光采用双光束激光，双光束的光束排列方式为沿着焊接方向前后排列，并采用前辅后主的双光束激光热源模式，实现钝边的穿透焊接；
步骤4，填充焊接：采用万瓦级高功率激光填丝焊对窄间隙坡口进行多道填充焊接；所述的万瓦级高功率激光采用双光束激光，双光束的光束排列方式为沿着焊接方向前后排列，并采用前主后辅的双光束激光热源模式，实现窄间隙坡口的焊接填充。
进一步限定，步骤1中坡口的钝边尺寸10mm-50mm，坡口单边角度1°-3°，坡口根部间隙2mm-5mm。
进一步限定，步骤3中双光束激光的光斑间距为4mm-20mm，前束激光功率为1kW-5kW，后束激光功率10kW-30kW，前束激光光斑直径为后束激光光斑直径的1-5倍。
更进一步限定，前束激光光斑直径通过增大离焦量或光束整形实现，或采用激光摆动的方式实现，激光摆幅1mm-5mm，摆动频率1Hz-200Hz。
更进一步限定，步骤3中前束激光与工件表面的夹角θ1为75°-90°，后束激光与工件表面的夹角θ2为75°-90°。
进一步限定，步骤4中双光束激光的光斑间距为2mm-10mm，前束激光功率为3kW-8kW，后束激光功率1kW-3kW，并将后束激光照射到前束激光形成的焊缝表面中心位置。
更进一步限定，步骤4中前束激光与工件表面的夹角θ1为75°-90°，后束激光与工件表面的夹角θ2为75°-90°。
进一步限定，步骤4中焊丝直径Φ0.8mm-Φ1.2mm，焊丝与工件表面的夹角θ3为15°-45°，送丝速度4m/min-10m/min。
进一步限定，两束激光可以是两束相互独立的激光，也可以是一束激光经光学透镜分光后获得的两束光束。
本发明具有以下有益效果：本发明提出一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，在大厚度钝边熔透的激光打底焊接过程中，采用“前辅后主”的双光束激光热源模式，前束激光作为辅助热源，熔化大功率激光束前端的固态金属来降低刚度，同时改变熔池形态，以抑制后束高功率激光深熔焊接的熔池液柱及焊接飞溅；后束激光作为焊接主热源，用于实现大厚度钝边的穿透焊接。在窄间隙坡口的多道填充焊接过程中，采用“前主后辅”的双光束激光热源模式，前束激光作为熔化焊丝的主热源，用于实现窄间隙坡口的焊接填充，可采用较大激光光斑或者采用激光摆动的方式，控制焊缝中的气孔以及侧壁未熔合等缺陷；后束激光作为热补偿辅助热源，用于控制大送丝量填充时形成大深宽比激光焊缝的熔池凝固顺序，实现自下而上的梯度顺序凝固，防止产生焊接结晶裂纹。此外，本发明还具有以下效果：
(1)本发明是厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，其中坡口的根部间隙小和坡口角度小，钝边尺寸大，所需填充的焊缝金属少，焊后焊缝横截面面积小，大大提高了填充效率；
(2)本发明打底焊采用万瓦级高功率激光深熔焊实现大厚度钝边的单面单道或双面双道熔透焊接，实现高效打底焊接；
(3)本发明填充焊以及盖面焊采用双光束激光梯度冷却控制高效填充焊接工艺，选择大送丝量填充，提升单层填充焊道的熔敷金属量，提高单道填充效率。
附图说明
图1为本发明打底焊接过程示意图；
图2为本发明填充焊接过程示意图；
图3为填充焊接过程中双光束梯度冷却控制裂纹原理图；
图4为实施例1中坡口设计示意图；
图5为实施例2中坡口设计示意图；
图中1-前束激光，2-后束激光，3-保护气装置，4-焊接熔池，5-焊缝，6-工件，7-焊丝，8-焊缝横截面，9-裂纹。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
本发明通过以下技术方案实现：
具体操作步骤为：
(1)坡口设计：在两个待焊试板之间加工出带有钝边的坡口，钝边厚度t为10mm-50mm，坡口根部宽度D为2mm-5mm，坡口角度θ为1°-3°(如图3和图4所示)，试板底部与坡口垂直，便于装夹固定；
(2)定位：将两个待焊试件置于夹具中，需要进行多处点焊固定，防止打底焊接过程中开裂；
(3)打底焊：采用万瓦级高功率激光深熔焊实现大厚度钝边的单面单道或双面双道熔透焊接，实现高效打底焊接；在大厚度钝边熔透的激光打底焊接过程中，采用“前辅后主”的双光束激光热源模式(如图1所示)，前束激光作为辅助热源，与工件的夹角θ1为75°-90°，用于改变熔池形态以抑制后束高功率激光深熔焊接的熔池液柱及焊接飞溅，后束激光作为焊接主热源，与工件的夹角θ2为75°-90°，用于实现大厚度钝边的穿透焊接，两束激光沿焊接方向前后布置，两束激光间距4mm-20mm，前束激光功率1kW-5kW,后束激光功率10kW-30kW，前束激光光斑直径为后束激光光斑直径的1-5倍，可通过增大离焦量或光束整形实现，也可采用激光摆动的方式实现，激光摆幅1mm-5mm，摆动频率1-200Hz；前束激光主要用于实现母材熔化并确保在两束激光之间形成液态熔池通道，使后束激光深熔焊接形成的前沿初始液柱在激光匙孔金属蒸汽反作用力的推动下沿液态熔池通道前进，形成“浪涌”现象，防止液柱在垂直方向长大并演化为飞溅，解决大钝边高功率激光焊接的焊接飞溅问题；
(4)填充焊：在窄间隙坡口的多道填充焊接过程中，采用“前主后辅”的双光束激光热源模式(如图2所示)，前束激光作为熔化焊丝的主热源，与工件的夹角θ1为75°-90°，用于实现窄间隙坡口的焊接填充，后束激光作为热补偿辅助热源，与工件的夹角θ2为75°-90°，用于控制大送丝量填充时形成大深宽比激光焊缝的熔池凝固顺序，实现自下而上的梯度顺序凝固，防止产生焊接结晶裂纹。焊丝直径Φ0.8mm-Φ1.2mm，与工件的夹角θ3为15°-45°，送丝速度4m/min-10m/min，两束激光间距2mm-10mm，前束激光功率3kW-8kW，后束激光功率1kW-3kW，将后束激光照射到前束激光形成的焊缝表面中心位置，通过对两光束间距的优化调整，确保后束激光照射位置的前束激光焊缝中心区域尚未完全凝固，通过对后束激光功率的优化调整，确保后束激光焊缝熔深达到前束激光焊缝熔深的30％-60％，用后束激光输入能量控制焊缝中心区域至焊缝上表面的凝固顺序，阻止焊缝表面的液态金属先于焊缝中心的液态金属凝固，防止将残余的少量液态金属封闭在焊缝中心位置并在拉应力作用下最终形成结晶裂纹。
实施例1：
进行厚度为120mm高强钢厚板的焊接，具体焊接过程如下：
步骤一：试验母材为10Ni5CrMoV高强钢，型材状态为调质状态，板材规格为500×200×120mm，接头形式为双侧对接接头，如图3所示，开设1°坡口，坡口根部间隙为3.2mm，坡口钝边为40mm厚。所用焊丝为直径Φ1.2mm的JS80焊丝。
步骤二：采用万瓦级高功率激光深熔焊实现大厚度钝边的双面双道熔透焊接，实现高效打底焊接；采用双光束激光梯度冷却控制高效填充焊接工艺，选择大送丝量填充，提升单层填充焊道的熔敷金属量，提高单道填充效率。实施过程中的双面双道打底焊的焊接参数：焊接速度1.0m/min，前束激光功率3kW，激光束与工件夹角为80°，后束激光功率20kW，激光束与工件夹角为80°，两束激光间距10mm，采用高纯氩气保护，保护气流量为20L/min。
步骤三：填充焊的焊接参数：采用前送丝，焊接速度0.5m/min，前束激光功率6kW，激光束与工件夹角为80°，后束激光功率2kW，激光束与工件夹角为80°，两束激光间距10mm，送丝速度为6m/min采用高纯氩气保护，保护气流量为20L/min。
焊后工件焊接变形小，X射线探伤显示焊缝质量满足产品设计要求，焊接过程熔覆效率是单光束窄间隙激光填丝焊接2倍。
实施例2：
进行厚度40mm高强钢厚板的焊接，具体焊接过程如下：
步骤一：试验母材为10Ni5CrMoV高强钢，型材状态为调质状态，板材规格为500×200×40mm，接头形式为单面坡口，板厚为40mm，坡口钝边厚度为10mm，根部间隙为3.2mm，坡口角度为1°，所用焊丝为直径Φ1.2mm的JS80焊丝。
步骤二：采用万瓦级高功率激光深熔焊实现大厚度钝边的单道熔透焊接，实现高效打底焊接；采用双光束激光梯度冷却控制高效填充焊接工艺，选择大送丝量填充，提升单层填充焊道的熔敷金属量，提高单道填充效率。实施过程中的打底焊的焊接参数：焊接速度1.5m/min，前束激光功率3kW，激光束与工件夹角为80°，后束激光功率15kW，激光束与工件夹角为80°，两束激光间距10mm，采用高纯氩气保护，保护气流量为20L/min。
步骤三：填充焊的焊接参数：采用前送丝，焊接速度0.5m/min，前束激光功率6kW，激光束与工件夹角为80°，后束激光功率2kW，激光束与工件夹角为80°，两束激光间距10mm，送丝速度为6m/min采用高纯氩气保护，保护气流量为20L/min。
焊后获得了成形良好的焊接接头，X射线探伤表明焊缝质量满足产品设计要求，分两层取样进行拉伸力学性能测试，抗拉强度达到母材的90％。
实施例3：
本实施例与实施例1不同为：步骤二中前束激光摆动，离焦量为+5mm，摆动幅度为2mm，摆动频率频率为60Hz。
实施例4：
本实施例与实施例1不同为：步骤三中后束激光摆动，离焦量为+5mm，摆动幅度为2mm，摆动频率频率为60Hz。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，坡口设计：在两个待焊试件之间加工出带有钝边的坡口，所述的坡口为单面或双面的U型窄间隙坡口；
步骤2，焊前准备：焊前对坡口附近进行机械打磨和化学清洗，吹干后将两个待焊试件装夹固定在工作台上；
步骤3，打底焊接：采用万瓦级高功率激光深熔焊对钝边进行单面单道或双面双道熔透焊接；
所述的万瓦级高功率激光采用双光束激光，双光束激光的光束排列方式为沿着焊接方向前后排列，并采用前辅后主的双光束激光热源模式，实现钝边的穿透焊接；
所述的步骤3中双光束激光的光斑间距为4mm-20mm，前束激光功率为1kW-5kW，后束激光功率10kW-30kW，前束激光光斑直径为后束激光光斑直径的1-5倍；
步骤4，填充焊接：采用万瓦级高功率激光填丝焊对窄间隙坡口进行多道填充焊接；
所述的万瓦级高功率激光采用双光束激光，双光束激光的光束排列方式为沿着焊接方向前后排列，并采用前主后辅的双光束激光热源模式，实现窄间隙坡口的焊接填充；
所述的步骤4中双光束激光的光斑间距为2mm-10mm，前束激光功率为3kW-8kW，后束激光功率1kW-3kW，并将后束激光照射到前束激光形成的焊缝表面中心位置。
2.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，其特征在于，所述的步骤1中坡口的钝边尺寸10mm-50mm，坡口单边角度1º-3º，坡口根部间隙2mm-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，其特征在于，所述的前束激光光斑直径的大小通过增大离焦量或光束整形实现，或前束激光光斑直径的大小采用激光摆动的方式实现，激光摆幅1mm-5mm，摆动频率1Hz-200Hz。
4.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，其特征在于，所述的步骤3中前束激光与工件表面的夹角θ1为75º-90º，后束激光与工件表面的夹角θ2为75º-90º。
5.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，其特征在于，所述的步骤4中前束激光与工件表面的夹角θ1为75º-90º，后束激光与工件表面的夹角θ2为75º-90º。
6.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，其特征在于，所述的步骤4中填丝焊使用的焊丝直径Φ0.8mm-Φ1.2mm，焊丝与工件表面的夹角θ3为15º-45º，送丝速度4m/min-10m/min。
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