CN113385839A - 一种提高t型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法 - Google Patents

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马江坤
吴广明
韩正君
芦凤桂
邵晨东
兰玲
任闻杰
王高飞
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Abstract

本发明提供了一种提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，包括以下步骤：将待焊的T型接头中的面板和腹板的焊接面进行去污处理，并进行焊接工装固定，工装固定后保证面板和腹板之间间隙小于0.4mm；将待焊的面板和腹板，采用间距可调，功率分配可调的双光束焊接头进行激光焊接；根据面板和腹板的厚度，选在双光束束斑中心的距离为1～3mm，两光束束斑中心连线与垂直焊接方向夹角小于等于10°；双光束采用相同的功率和离焦量，并以合适的焊接参数完成面板和腹板的穿透接焊。本发明提高面板和腹板的结合处宽度，提高了三明治结构T型接头中面板和腹板之间的结合强度和钢度，为船用夹板或舱壁三明治结构焊缝性能的提升提供了新的思路。

Description

一种提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法
技术领域
本发明涉及三明治结构中T型接头的焊接技术领域，具体地，涉及一种提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法。
背景技术
金属夹芯三明治结构提高了船舶的强度、刚度和安全可靠性，且重量减轻了40％，提高了生产效率和降低制造成本，在欧洲船舶等领域获得了广泛的应用。三明治结构制造过程中通常采用激光焊接方法，利用激光焊接穿透性好且熔深大的特点，在面板上进行施焊，激光束垂直于面板表面入射并熔化面板，在激光束能量的作用下形成深熔小孔型焊接，穿透面板后，进一步熔化紧贴于面板下方的腹板，实现面板和腹板的连接。激光焊接薄壁轻量化三明治结构是通过激光焊接上下底板和腹板而成的，其接头形式以T型搭接接头为主。
T型搭接接头腹板和面板结合处焊缝宽度对T型搭接接头扭转刚度和抗冲击载荷影响最大。尤其当面板厚度大于3mm时腹板和面板结合处焊缝宽度较窄，约为腹板厚度的一半左右，很难将腹板整个厚度方向全部连接。后续有研究人员，通过调整焊接速度、功率及离焦量等参数来提高面板和腹板的结合处宽度，但结合处宽度仍然小于腹板厚度的70％。因此，三明治结构的整体钢度和抗冲击性能受面板和腹板之间连接的宽度制约较大。
由于激光焊接能量输入形式，其焊缝形状多为“酒杯型”，使得面板上部较宽，而腹板和面板结合处宽度较窄，影响三明治结构的使用性能。
公开号为CN111673280A的专利文献公开了一种T型接头搭接焊用双束并行激光焊接装置及方法，包括沿焊接方向一前一后设置的两个激光发射器；每个激光发射器发出的激光束均被分光镜分成两束并行的激光束，前方两束并行的激光束的两个激光斑点将面板熔化形成一个匙孔，且其能量不足以支撑其将腹板熔化，后方激光束的斑点将面板熔透后在腹板上形成一个后匙孔。但是该专利文献仍然存在面板上部较宽，而腹板和面板结合处宽度较窄的缺陷，影响三明治结构的使用性能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法。
根据本发明提供的一种提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，包括以下步骤：
步骤一：将待焊的T型接头中的面板和腹板的焊接面进行去污处理，并进行焊接工装固定，工装固定后保证面板和腹板之间间隙小于0.4mm；
步骤二：将待焊的面板和腹板，采用间距可调，功率分配可调的双光束焊接头进行激光焊接；
步骤三：根据面板和腹板的厚度，选在双光束束斑中心的距离为1～3mm，两光束束斑中心连线与垂直焊接方向夹角小于等于10°；
步骤四：双光束采用相同的功率和离焦量，并以合适的焊接参数完成面板和腹板的穿透接焊。
优选的，所述步骤一中，面板和腹板的厚度在2～5mm之间，面板厚度大于或等于腹板厚度。
优选的，所述步骤二中，采用分光束激光焊接头，利用光学原理将一束光分离成两束光。
优选的，所述步骤三中，根据不同板厚组合及不同激光束功率，来调节两束激光的距离和位置。
优选的，在确保焊接过程中两束激光同一个焊接熔池后，选择最大的光束距离，使结合处宽度值最大。
优选的，所述步骤三中，根据焊接材料的不同，增加光束连线与垂直方向夹角φ。
优选的，所述φ小于10°。
优选的，所述步骤四中，焊接时采用零离焦量进行焊接。
优选的，采用激光点焊方法确定焊接的起始点位置和终点位置。
优选的，采用机器人焊接完成面板和腹板的连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的面板和腹板的结合宽度可达到腹板厚度的70％以上，提高了焊缝强度；
2、本发明所获得的焊接接头中，焊缝凝冷却速率和晶粒生长方式得到有效调控，焊缝强度增加；
3、本发明焊接时采用双光束一次焊接完成，相比两次激光焊接方法，降低了焊缝总的热输入，减少焊接变形，降低热影响区淬硬倾向；
4、本发明确保双光束激光穿透面板后进入腹板，增加熔池宽度，从而提高面板和腹板的结合处宽度，提高了三明治结构T型接头中面板和腹板之间的结合强度和钢度，为船用夹板或舱壁三明治结构焊缝性能的提升提供了新的思路；
5、本发明使得面板和腹板结合宽度较宽，提高了三明治夹芯结构的刚度和抗冲击性能，为三明治金属夹芯结构的使用提供了焊接工艺支持；
6、本发明焊接接头中面板和腹板的结合处宽度明显大于其他焊接方法所获得的结合处宽度，有效提高了面板和腹板之间的结合强度和抗载能力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法的工艺示意图；
图2为单光束激光焊接方法的焊缝金相图；
图3为采用本发明所述的焊接方法的焊缝金相图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明一种提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，包括以下步骤：
步骤一：将待焊的T型接头中的面板和腹板的焊接面进行去污处理，并进行焊接工装固定，工装固定后保证面板和腹板之间间隙小于0.4mm；
步骤二：将待焊的面板和腹板，采用间距可调，功率分配可调的双光束焊接头进行激光焊接，双光束之间并行排列，双光束之间的距离d1为1～3mm，两个光束的功率相等；
步骤三：根据面板和腹板的厚度，选在双光束束斑中心的距离为1～3mm，两光束束斑中心连线与垂直焊接方向夹角小于等于10°；
步骤四：双光束采用相同的功率和离焦量，并以合适的焊接参数完成面板和腹板的穿透接焊。
步骤一中，面板和腹板的厚度在2～5mm之间，面板厚度大于或等于腹板厚度，装配过程中尽量保证面板和腹板间无间隙。步骤二中，采用分光束激光焊接头，利用光学原理将一束光分离成两束光。步骤三中，根据不同板厚组合及不同激光束功率，来调节两束激光的距离和位置；在确保焊接过程中两束激光同一个焊接熔池后，选择最大的光束距离，使结合处宽度值最大；根据焊接材料的不同，增加光束连线与垂直方向夹角
Figure BDA0003152602480000041
避免双光束焊接过程出现凝固裂纹，
Figure BDA0003152602480000042
小于10°，以免影响结合处宽度d2值。步骤四中，焊接时采用零离焦量进行焊接，并采用激光点焊方法确定焊接的起始点位置和终点位置，最后采用机器人焊接完成面板和腹板的连接。
如图1所示，为本发明的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法的工艺示意图。
在本实施案例中，试验材料为BS960船用高强钢，面板和腹板厚度均为5mm：
步骤1：选择面板并加工尺寸为：5mm厚，200mm宽，400mm长，腹板尺寸为5mm厚，50mm宽，400mm长；
步骤2：将焊接面进行机械打磨，去除焊接面氧化皮。将所述表面处理后的两块E36钢板，放在焊接工装上进行固定；
步骤3：采用激光点焊的方法，将焊接首尾端进行点焊，以防焊接过程中发生变形。同时对焊接轨迹进行校验，尽量保证光斑中心处于腹板中心位置；
步骤4：采用Precitec双光束激光焊接头，将激光束分为最小直径0.45mm的两束激光，调节两光束中心距离为2mm，激光束并行分布，与焊接方向垂直
Figure BDA0003152602480000043
调制两束激光均为0离焦位置；
步骤5：采用IPG光纤激光器配备KUKA机器人完成自动化焊接，焊接速度为1.5m/min，总功率为8kW，其中每束激光功率分别为4kW，保护气体为纯氩气，流量为15L/min；
步骤6：将焊好的面板和腹板冷却后，从工装上取下，完成焊接。
单光束激光焊接金相图见图2所示。采用本专利方法双光束激光焊接焊缝横截面金相图如图3所示。双光束焊接完成后面板和腹板结合面宽度为3.61mm，而单光束结合面宽度为1.72mm，结合面宽度提高了一倍，极大提高了面板和腹板的结合强度和抗冲击载荷能力。
本发明提供了一种提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，主要用于三明治结构中3～5mm厚度的面板和腹板中T型接头的连接，依靠双光束模式，从面板直接穿透进入腹板，完成T型接头焊接。依靠双光束焊接模式下较大的激光束斑尺寸，从而获得较宽的熔池尺寸，提高T型接头中面板和腹板的结合处d2的宽度，达到增加T型接头中面板和腹板之间的结合强度目的。
本发明采用双光束激光焊接方法，两束光束功率相等，两束光束之间的距离为1～3mm，两光束圆心连线的夹角与焊接方向法线方向夹角小于10°，采用机器人自动化焊接完成金属夹芯结构面板和腹板之间的焊接。该方法可有效增加面板和腹板的结合宽度，提高金属夹芯结构的焊缝强度和承载能力。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待焊的T型接头中的面板和腹板的焊接面进行去污处理，并进行焊接工装固定，工装固定后保证面板和腹板之间间隙小于0.4mm；
步骤二：将待焊的面板和腹板，采用间距可调，功率分配可调的双光束焊接头进行激光焊接；
步骤三：根据面板和腹板的厚度，选在双光束束斑中心的距离为1～3mm，两光束束斑中心连线与垂直焊接方向夹角小于等于10°；
步骤四：双光束采用相同的功率和离焦量，并以合适的焊接参数完成面板和腹板的穿透接焊。
2.根据权利要求1所述的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，所述步骤一中，面板和腹板的厚度在2～5mm之间，面板厚度大于或等于腹板厚度。
3.根据权利要求1所述的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，所述步骤二中，采用分光束激光焊接头，利用光学原理将一束光分离成两束光。
4.根据权利要求1所述的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，所述步骤三中，根据不同板厚组合及不同激光束功率，来调节两束激光的距离和位置。
5.根据权利要求4所述的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，在确保焊接过程中两束激光同一个焊接熔池后，选择最大的光束距离，使结合处宽度值最大。
6.根据权利要求1所述的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，所述步骤三中，根据焊接材料的不同，增加光束连线与垂直方向夹角
Figure FDA0003152602470000011
7.根据权利要求6所述的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，所述
Figure FDA0003152602470000012
小于10°。
8.根据权利要求1所述的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，所述步骤四中，焊接时采用零离焦量进行焊接。
9.根据权利要求8所述的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，采用激光点焊方法确定焊接的起始点位置和终点位置。
10.根据权利要求9所述的提高T型接头中面板和腹板激光焊缝强度的方法，其特征在于，采用机器人焊接完成面板和腹板的连接。
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