CN113857672B - 基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于旁轴激光‑同轴送丝‑电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，主要步骤如下：提供第一母材和第二母材并对接形成窄间隙接头，采用激光自熔焊完成打底焊；提供激光填丝焊接系统；开启激光填丝焊接系统，焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头、第一电磁线圈、第二电磁线圈和旁轴喷嘴同步移动，实施焊接；本发明还公开了基于旁轴激光‑同轴送丝‑电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接系统。本发明方案解决了现有高强钢厚板窄间隙激光焊接工艺中焊接热输入大导致热影响区组织粗大、裂纹等问题，具有工艺稳定性好和焊接效率高等突出优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法与系统。
背景技术
随着现代工程机械的大型化、高承载的发展，高强钢厚板焊接的应用越来越普遍。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，兼顾了窄间隙焊接和激光焊接的优点，既有窄间隙坡口所需填充较少的金属，又克服了传统电弧焊的热损伤大、焊缝晶粒粗大、焊接效率低等缺点。但是采用该方法焊接厚板时，由于坡口宽度较小，在较大的填充量时，导致单层焊缝的熔化金属在深度方向较大，焊缝深宽比大，由于焊缝底部以及两侧的凝固速度较快，焊缝中心的凝固速度最慢，在凝固后期，在焊缝中心偏上的位置缺少液态金属的补充，最终形成结晶裂纹。在较小的填充量时，即焊丝直径较小，旁轴送丝激光填丝焊接存在光丝耦合行为差的问题；采用多层多道焊接方法，存在相邻两道之间的组织不均匀和未熔合等缺陷。不可忽视地，对于高强钢厚板而言，焊接热输入过大会造成热影响区组织粗大而发生脆化和软化等问题，
在2021年7月30日公布的，公布号为“CN 113182687 A”，发明名称为“ 一种基于焊缝梯度凝固控制的窄间隙双光束激光填丝焊接方法”公布了一种基于焊缝梯度凝固控制的窄间隙双光束激光填丝焊接方法，该方法采用沿焊接方向前后排列的两束激光作用在窄间隙坡口内并填充焊丝，前束激光作为焊接主热源，后束激光作为辅助热源，用于控制焊缝的熔池凝固顺序，实现自下而上的梯度顺序凝固，抑制了焊缝裂纹的产生。但该方法仍存在问题：旁轴送丝焊接过程中，光-丝-母材之间的相互作用过程处于一个不稳定的波动状态，影响焊缝成型质量的稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对工程机械用高强钢厚板窄间隙激光焊接时出现热输入大导致热影响区组织粗大而发生脆化和软化，以及熔池不均匀凝固导致结晶裂纹的问题，提出基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法和系统。
本发明提供基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：提供第一母材和第二母材，并对接形成窄间隙接头，采用激光自熔焊完成窄间隙接头打底焊。
步骤2：提供激光填丝焊接系统，激光填丝焊接系统包括：同轴送丝系统、旁轴双光束激光系统、电磁场系统、旁轴保护气供给系统、焊缝表面轮廓检测仪和工控机。
所述同轴送丝系统包括同轴送丝头和送丝机。
所述旁轴双光束激光系统包括第一激光头、第二激光头、第一传输光纤、第二传输光纤、第一激光器和第二激光器。
所述电磁场系统包括第一电磁线圈和第二电磁线圈。
所述旁轴保护气供给系统包括旁轴喷嘴和保护气瓶。
步骤3：焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴沿焊接方向前后成列布置，同步移动；第一电磁线圈安装于同轴送丝头上，第二电磁线圈设置在熔池下方并与第一电磁线圈同步移动。
步骤4：开启激光填丝焊接系统，焊缝表面轮廓检测仪对焊接前方进行轮廓检测，工控机根据轮廓形貌实时调整送丝速度、激光功率和电磁场强度，调控金属熔滴的形态；同轴送丝头垂直向下推送焊丝；第一激光头和第二激光头分别输出第一激光束和第二激光束旁轴倾斜辐照焊丝前端，熔化焊丝并加热焊接区；第一电磁线圈产生向下的电磁力、第二电磁线圈产生向上的电磁力作用于金属熔滴；旁轴喷嘴吹送保护气体。
步骤5：焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴沿焊接方向同步移动，实施单道焊接。
步骤6：完成单道焊接后，焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴回到起始位置并沿垂直于焊接移动方向向上移动，开始下一道焊接。
步骤7：重复步骤5和步骤6，直至填满母材坡口，关闭激光填丝焊接系统，完成焊接过程。
进一步地，在步骤4中第一激光头、第二激光头与同轴送丝头之间的夹角为α，α的调节范围为10°~ 45°。
进一步地，在步骤4中焊丝直径为1.6~2.5 mm。
进一步地，在步骤4中焊丝前端与焊缝上表面距离为h，h的调节范围为5~15 mm。
进一步地，在步骤4中第一电磁线圈和第二电磁线圈产生的磁场强度大小为20~200 mT。
进一步地，在步骤6中，焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴沿垂直于焊接移动方向向上移动的距离为单道厚度，0.5~2 mm。
本发明还提供基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接系统，包括同轴送丝系统、旁轴双光束激光系统、电磁场系统、旁轴保护气供给系统、焊缝表面轮廓检测仪和工控机。所述同轴送丝系统包括同轴送丝头和送丝机；所述旁轴双光束激光系统包括第一激光头、第二激光头、第一传输光纤、第二传输光纤、第一激光器和第二激光器；所述电磁场系统包括第一电磁线圈和第二电磁线圈；所述旁轴保护气供给系统包括旁轴喷嘴和保护气瓶。焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴沿焊接方向前后成列布置，同步移动；第一电磁线圈安装于同轴送丝头上，第二电磁线圈设置在熔池下方并与第一电磁线圈同步移动。
本发明的有益效果在于：
1. 本方案通过两束旁轴高功率激光直接辐照同轴向下推送的大直径焊丝形成大颗粒金属熔滴，避免了高功率激光直接辐照在熔池区域造成极大焊接热输入导致高强钢焊接热影响区组织粗大的问题；与此同时，通过竖直方向上两电磁线圈对旁轴激光和同轴送丝获得的金属熔滴施加电磁力，使得“泪滴”状金属熔滴转变为“扁平”状金属熔滴，而“扁平”状金属熔滴的中心温度与表面温度之间梯度变化小，如此，“扁平”状金属熔滴在焊接熔池中可以均匀凝固，有效抑制焊缝结晶裂纹的产生。
2. 本方案通过旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同作用获得“扁平状”的大颗粒金属熔滴，能够实现高强钢厚板窄间隙焊接的多层单道焊接，避免了传统多层多道焊接过程中相邻两道之间的组织不均匀、存在气孔等缺陷。
3. 本方案通过焊缝表面轮廓检测仪，对焊接前方进行轮廓检测，工控机根据轮廓形貌实时调整送丝速度、激光功率和电磁场强度，调控金属熔滴的形态，得到平整性优良的焊缝。
4. 本方案采用同轴送丝激光填丝焊接，且焊丝直径较旁轴送丝大，大大改善了光丝耦合稳定性和焊接效率。
附图说明
图1是基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法和系统所涉及的设备与母材布置示意图。
图2是图1所示方法中焊接区横截面示意图。
图3是本发明得到的焊缝横截面成型示意图。
图4是常规厚板窄间隙焊缝横截面成型示意图。
图中，
1、第一母材；2、第二母材；3、焊缝表面轮廓检测仪；4、工控机；
51、同轴送丝头；52、送丝机；53、焊丝；54、“泪滴”状熔滴；55、“扁平”状熔滴；
61、第一激光束；62、第二激光束；63、第一激光头；64、第二激光头；65、第一传输光纤；66、第二传输光纤；67、第一激光器；68、第二激光器；
71、旁轴喷嘴；72、保护气瓶；
81、第一电磁线圈；82、第二电磁线圈；
9、打底焊缝；
10、单层多道焊缝；
11、多层多道焊缝。
实施方式
以下将结合附图1-4以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-4所示，本发明实施例提供基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，包括如下步骤：
步骤1：提供30 mm厚的第一母材1和30 mm厚的第二母材2，所开坡口上端宽度为5mm，下端宽度为3 mm，并对接形成窄间隙接头，采用激光自熔焊完成窄间隙接头打底焊获得打底焊缝9。
步骤2：提供激光填丝焊接系统，激光填丝焊接系统包括：同轴送丝系统、旁轴双光束激光系统、电磁场系统、旁轴保护气供给系统、焊缝表面轮廓检测仪3和工控机4。
所述同轴送丝系统包括同轴送丝头51和送丝机52。
所述旁轴双光束激光系统包括第一激光头63、第二激光头64、第一传输光纤65、第二传输光纤66、第一激光器67和第二激光器68。
所述电磁场系统包括第一电磁线圈81和第二电磁线圈82。
所述旁轴保护气供给系统包括旁轴喷嘴71和保护气瓶72。
步骤3：焊缝表面轮廓检测仪3、第一激光头63、同轴送丝头51、第二激光头64和旁轴喷嘴71沿焊接方向前后成列布置，同步移动；第一电磁线圈81安装于同轴送丝头上，第二电磁线圈82设置在熔池下方并与第一电磁线圈81同步移动。
步骤4：开启激光填丝焊接系统，焊缝表面轮廓检测仪3对焊接前方进行轮廓检测，工控机4根据轮廓形貌实时调整送丝速度、激光功率和电磁场强度，调控金属熔滴的形态；同轴送丝头51垂直向下推送焊丝53；第一激光头63和第二激光头64分别输出第一激光束61和第二激光束62旁轴倾斜辐照焊丝53前端，熔化焊丝53并加热焊接区；第一电磁线圈81产生向下的电磁力、第二电磁线圈82产生向上的电磁力作用于金属熔滴；旁轴喷嘴71吹送保护气体。本实施例中，第一激光头63、第二激光头64与同轴送丝头51之间的夹角为α，α的调节范围为10°~ 45°；第一激光头63和第二激光头64的功率为2~4 kW；第一激光束61和第二激光束62的瑞利长度为5~20 mm；焊丝53直径为1.6~2.5 mm；送丝机52的送丝速度为1~5 m/min；焊丝53前端与焊缝上表面距离为h，h的调节范围为5~15 mm；第一电磁线圈81和第二电磁线圈82产生的磁场强度大小为20~200 mT。
步骤5：焊缝表面轮廓检测仪3、第一激光头63、同轴送丝头51、第二激光头64和旁轴喷嘴71沿焊接方向同步移动，实施单道焊接。
步骤6：完成单道焊接后，焊缝表面轮廓检测仪3、第一激光头63、同轴送丝头51、第二激光头64和旁轴喷嘴71回到起始位置并沿垂直于焊接移动方向向上移动0.5~3 mm，开始下一道焊接。
步骤7：重复步骤5和步骤6，直至填满母材坡口，关闭激光填丝焊接系统，完成焊接过程。
本方案通过两束旁轴高功率激光直接辐照同轴向下推送的大直径焊丝形成大颗粒金属熔滴，避免了高功率激光直接辐照在熔池区域造成极大焊接热输入导致高强钢焊接热影响区组织粗大的问题；与此同时，通过竖直方向上两电磁线圈对旁轴激光和同轴送丝获得的金属熔滴施加电磁力，使得“泪滴”状金属熔滴转变为“扁平”状金属熔滴，而“扁平”状金属熔滴的中心温度与表面温度之间梯度变化小，如此，“扁平”状金属熔滴在焊接熔池中可以均匀凝固，有效抑制焊缝结晶裂纹的产生。
本方案通过旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同作用获得“扁平状”的大颗粒金属熔滴，获得了高强钢厚板窄间隙焊接的多层单道焊缝10，避免了传统多层多道焊接过程中多层多道焊缝11相邻两道之间的组织不均匀、存在气孔等缺陷。
如图1所示，本发明实施例还提供基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接系统，包括同轴送丝系统、旁轴双光束激光系统、电磁场系统、旁轴保护气供给系统、焊缝表面轮廓检测仪3和工控机4。所述同轴送丝系统包括同轴送丝头51和送丝机52；所述旁轴双光束激光系统包括第一激光头63、第二激光头64、第一传输光纤65、第二传输光纤66、第一激光器67和第二激光器68；所述电磁场系统包括第一电磁线圈81和第二电磁线圈82；所述旁轴保护气供给系统包括旁轴喷嘴71和保护气瓶72。焊缝表面轮廓检测仪3、第一激光头63、同轴送丝头51、第二激光头64和旁轴喷嘴71沿焊接方向前后成列布置，同步移动；第一电磁线圈81安装于同轴送丝头上，第二电磁线圈82设置在熔池下方并与第一电磁线圈81同步移动。
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 (7)
1.基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：提供第一母材和第二母材，并对接形成窄间隙接头，采用激光自熔焊完成窄间隙接头打底焊；
步骤2：提供激光填丝焊接系统，激光填丝焊接系统包括：同轴送丝系统、旁轴双光束激光系统、电磁场系统、旁轴保护气供给系统、焊缝表面轮廓检测仪和工控机；
所述同轴送丝系统包括同轴送丝头和送丝机；
所述旁轴双光束激光系统包括第一激光头、第二激光头、第一传输光纤、第二传输光纤、第一激光器和第二激光器；
所述电磁场系统包括第一电磁线圈和第二电磁线圈；
所述旁轴保护气供给系统包括旁轴喷嘴和保护气瓶；
步骤3：焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴沿焊接方向前后成列布置，同步移动；第一电磁线圈安装于同轴送丝头上，第二电磁线圈设置在熔池下方并与第一电磁线圈同步移动；
步骤4：开启激光填丝焊接系统，焊缝表面轮廓检测仪对焊接前方进行轮廓检测，工控机根据轮廓形貌实时调整送丝速度、激光功率和电磁场强度，调控金属熔滴的形态；同轴送丝头垂直向下推送焊丝；第一激光头和第二激光头分别输出第一激光束和第二激光束旁轴倾斜辐照焊丝前端，熔化焊丝并加热焊接区；第一电磁线圈产生向下的电磁力、第二电磁线圈产生向上的电磁力作用于金属熔滴；旁轴喷嘴吹送保护气体；
步骤5：焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴沿焊接方向同步移动，实施单道焊接；
步骤6：完成单道焊接后，焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴回到起始位置并沿垂直于焊接移动方向向上移动，开始下一道焊接；
步骤7：重复步骤5和步骤6，直至填满母材坡口，关闭激光填丝焊接系统，完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，在步骤4中第一激光头、第二激光头与同轴送丝头之间的夹角为α，α的调节范围为10°~ 45°。
3.根据权利要求1所述的基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，在步骤4中焊丝直径为1.6~2.5 mm。
4.根据权利要求1所述的基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，在步骤4中焊丝前端与焊缝上表面距离为h，h的调节范围为5~15 mm。
5.根据权利要求1所述的基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，在步骤4中第一电磁线圈和第二电磁线圈产生的磁场强度大小为20~200 mT。
6.根据权利要求1所述的基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，在步骤6中，焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴沿垂直于焊接移动方向向上移动的距离为单道厚度，单道厚度为0.5~2 mm。
7.基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接系统，用于实现权利要求1-6任一项所述的基于旁轴激光-同轴送丝-电磁场协同的高强钢厚板窄间隙焊接方法，其特征在于，包括同轴送丝系统、旁轴双光束激光系统、电磁场系统、旁轴保护气供给系统、焊缝表面轮廓检测仪和工控机；所述同轴送丝系统包括同轴送丝头和送丝机；所述旁轴双光束激光系统包括第一激光头、第二激光头、第一传输光纤、第二传输光纤、第一激光器和第二激光器；所述电磁场系统包括第一电磁线圈和第二电磁线圈；所述旁轴保护气供给系统包括旁轴喷嘴和保护气瓶；焊缝表面轮廓检测仪、第一激光头、同轴送丝头、第二激光头和旁轴喷嘴沿焊接方向前后成列布置，同步移动；第一电磁线圈安装于同轴送丝头上，第二电磁线圈设置在熔池下方并与第一电磁线圈同步移动。
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