CN113941777A - 一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔tig复合焊接的方法 - Google Patents

一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔tig复合焊接的方法 Download PDF

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邹吉鹏
聂鑫
武鹏博
蒋宝
孙谦
曹浩
梁晓梅
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Abstract

一种厚板超高功率激光扫描‑高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法。本发明属于焊接领域，主要为解决厚板常规超高功率激光‑深熔TIG复合焊接过程中气孔和裂纹倾向性严重的技术问题。方法：S1：对坡口和待焊表面进行打磨或清洗，设置成对接接头并固定；S2：设置激光头和TIG焊枪角度，设置TIG焊枪钨极尖端距待焊厚板表面上的激光扫描中心点的距离；S3：设置超高功率激光扫描‑高频脉冲深熔TIG复合焊接的参数；S4：设置保护气体；S5：通入保护气体，同步进行超高功率激光扫描‑高频脉冲深熔TIG复合焊接。本发明的复合焊接方法能抑制焊缝气孔和裂纹，改善焊缝成形质量。

Description

一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的 方法
技术领域
本发明属于焊接领域，具体涉及一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法。
背景技术
激光-传统TIG电弧复合焊接解决了单激光焊接的能量利用率低、对装配间隙要求高的问题，且增加了焊接熔深，降低了能耗，改善了接头质量，在航空航天、车辆工程、船舶制造等领域得到广泛应用。但是其中的传统TIG电弧焊接熔深小，所以该工艺主要针对中薄板焊接。激光-深熔TIG复合焊接技术是一种新型的激光-电弧复合焊接技术，其中深熔TIG是指一种基于传统TIG，通过水冷钨极产生阴极收缩，并配合较大电流的电弧“匙孔”焊接方法，由于深熔TIG电弧焊接熔深大，所以该工艺更适合厚板焊接。
当采用小功率激光与深熔TIG复合时，该工艺是一种深熔TIG电弧为主，小功率激光为辅的焊接方法。其中小功率激光产生的激光“匙孔”效应和激光等离子体，能够调控深熔TIG电弧，稳定了深熔TIG电弧“匙孔”，提升了深熔TIG焊接工艺窗口，而且激光入射至深熔TIG电弧“匙孔”底部，进一步增加了焊缝熔深。
当采用超高功率激光与深熔TIG复合时，该工艺是一种超高功率激光焊接为主，深熔TIG电弧为辅的焊接方法。其中深熔TIG电弧挺度高和穿透力强，将超高功率激光入射至深熔TIG电弧“匙孔”中，强制扩大超高功率激光“匙孔”开口面积的同时约束了激光“匙孔”开口处金属液柱飞出熔池表面，能够有效抑制厚板超高功率激光飞溅和表面塌陷等缺陷，明显改善焊缝成形，且增加了焊接过程稳定性，避免了钨极烧损，显著提高厚板焊接效率。
超高功率激光-深熔TIG复合焊接是一种很有应用前景的厚板焊接方法，但目前它还有如下缺点：超高功率激光“匙孔”窄而且极深，容易导致焊缝出现气孔、裂纹等缺陷问题；深熔TIG热输入大，导致焊缝组织粗大，热影响区大，焊接变形严重，不适用于热输入敏感材料的焊接。
发明内容
本发明为解决现有厚板常规超高功率激光-深熔TIG复合焊接所存在中气孔和裂纹倾向性严重的技术问题，同时改善深熔TIG热输入大导致焊缝组织粗大、热影响区大和焊接变形严重，提供了一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法。
本发明的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法按以下步骤进行：
S1：将待焊厚板的坡口和待焊表面进行打磨或清洗，然后将待焊厚板设置成对接接头并固定；
S2：设置激光头和深熔TIG焊枪角度，激光头与待焊厚板表面法线方向的夹角为0～15°，激光头与深熔TIG焊枪夹角为5～45°，设置深熔TIG焊枪钨极尖端距待焊厚板表面上的激光扫描中心点距离为0～10mm；
S3：设置超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的参数，所述激光扫描的参数为：激光输出功率为10KW～60KW，激光离焦量为+20mm～-20mm，激光扫描幅度为0.5mm～5mm，扫描频率为20Hz～2000Hz；所述高频脉冲深熔TIG焊的参数为：钨极直径为4mm～12mm，电源模式为脉冲直流或脉冲交流，焊接平均电流为480A～800A，脉冲频率为500Hz～100KHz，占空比为15％～85％；
S4：设置保护气体为惰性气体或CO2/O2的混合气体；
S5：通入保护气体，先启动高频脉冲深熔TIG电弧，再启动激光扫描入射，使激光头和深熔TIG焊枪相对待焊厚板一起移动，同步进行超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接。
进一步限定，S1中所述待焊厚板的厚度为15mm～200mm。
进一步限定，S2中所述激光头与待焊厚板表面法线方向的夹角为15°，所述激光头与TIG焊枪夹角为30°，所述TIG焊枪钨极尖端距待焊厚板表面上的激光扫描中心点的距离为2mm。
进一步限定，S3中所述激光输出功率为20KW～50KW，所述焊接平均电流为480A～650A。
进一步限定，S3中所述激光输出功率为30KW～40KW，所述焊接平均电流为480A～600A。
进一步限定，S3中所述激光扫描的路径为一字形、8字形、圆形、多边形、锯齿形或正弦波形。
进一步限定，每种激光扫描的路径有顺时针和逆时针两种不同的运动方向。
进一步限定，S3中所述激光的输出方式为连续激光或脉冲激光。
进一步限定，S4中所述保护气体的流量为10L/min～50L/min。
进一步限定，S5中所述激光的激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
进一步限定，S5中所述复合焊接的焊接速度为0.5m/min～15m/min。
进一步限定，S5中所述复合焊接时采用激光引导电弧或电弧引导激光的方式。
本发明与现有技术相比具有的显著效果，具体如下：
1)采用超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接时，其中激光扫描能够扩大激光“匙孔”直径，增加匙孔稳定性，具有抑制焊缝气孔和裂纹的能力，同时激光扫描能够增强熔池流动的搅拌作用，降低熔池温度梯度，改变柱状晶择优生长方向，抑制其生长，从而细化晶粒，最终改善接头组织性能。
2)采用超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接时，其中高频脉冲深熔TIG能够进一步收缩电弧，提高电弧挺度和穿透力，对熔池有搅拌和振动等作用，可改善焊缝成形质量、提高焊接速度、细化焊缝晶粒。
3)激光扫描能够扩大热源作用区域，降低了对装配间隙的敏感度，在厚板焊接时，便于工程实施制造。激光扫描能够改变激光能量的空间分布，提高焊接过程稳定性，从而避免咬边等缺陷。另外，当激光扫描入射至高频脉冲深熔TIG电弧“匙孔”底部时，进一步增加了焊缝熔深。
4)本发明的复合焊接方法的激光扫描路径与形状较多，因此对焊接的调控更加灵活。
附图说明
图1为本发明超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接与常规超高功率激光-深熔TIG复合焊接的对照图，其中图1a-实施例1，图1b-对比例；
其中：1-钨极、2-高频脉冲深熔TIG电弧、3-高频脉冲深熔TIG电弧“匙孔”、4-熔池、5-扫描激光、6-扫描激光“匙孔”、7-深熔TIG电弧、8-常规激光、9-深熔TIG电弧“匙孔”、10-常规激光“匙孔”；
图2为本发明激光扫描路径图；
图3为实施例1超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的焊缝照片；
图4为对比例常规超高功率激光-深熔TIG复合焊接的焊缝照片。
具体实施方式
实施例1(参见图1a)：本实施例中的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法按以下步骤进行：
S1：待焊厚板为300mm×150mm×40mm，对待焊厚板坡口和待焊表面进行打磨，然后将待焊厚板设置成对接接头并固定；
S2：设置激光头和深熔TIG焊枪角度，激光头与待焊厚板表面法线方向的夹角为15°，激光头与TIG焊枪夹角为30°，设置TIG焊枪钨极尖端距待焊厚板表面上的激光扫描中心点的距离为2mm；
S3：设置超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的参数，所述激光扫描的参数为：激光的输出方式为连续激光，激光扫描路径为圆形，按顺时针方向运动，激光输出功率为12KW，激光离焦量为-10mm，激光扫描幅度(扫描圆直径)为1.5mm，扫描频率为200Hz；所述高频脉冲深熔TIG焊的参数为：电源模式为脉冲直流，焊接平均电流为500A，钨极直径为4.8mm，钨极高度为3mm，脉冲频率为900Hz，占空比为50％；
S4：设置保护气体为99.999％高纯Ar气，Ar气流量为20L/min；
S5：通入Ar气，先启动高频脉冲深熔TIG电弧，再启动激光扫描入射，使激光头和TIG焊枪相对待焊厚板一起移动，同步进行超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接，焊接速度为1.2m/min，采用激光引导电弧的方式。
对比例(参见图1b)：本实施例与实施例1不同的是：采用常规超高功率激光-深熔TIG进行复合焊接，具体参数为激光的输出方式为连续激光，激光输出功率为12KW，激光离焦量为-10mm，深熔TIG参数为：电源模式为直流，焊接电流为500A。其他步骤及参数与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
S1：将待焊厚板的坡口和待焊表面进行打磨或清洗，然后将待焊厚板设置成对接接头并固定；
S2：设置激光头和深熔TIG焊枪角度，激光头与待焊厚板表面法线方向的夹角为0～15°，激光头与深熔TIG焊枪夹角为5～45°，设置深熔TIG焊枪钨极尖端距待焊厚板表面上的激光扫描中心点距离为0～10mm；
S3：设置超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的参数，所述激光扫描的参数为：激光输出功率为10KW～60KW，激光离焦量为+20mm～-20mm，激光扫描幅度为0.5mm～5mm，扫描频率为20Hz～2000Hz；所述高频脉冲深熔TIG焊的参数为：钨极直径为4mm～12mm，电源模式为脉冲直流或脉冲交流，焊接平均电流为480A～800A，脉冲频率为500Hz～100KHz，占空比为15％～85％；
S4：设置保护气体为惰性气体或CO2/O2的混合气体；
S5：通入保护气体，先启动高频脉冲深熔TIG电弧，再启动激光扫描入射，使激光头和深熔TIG焊枪相对待焊厚板一起移动，同步进行超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接。
2.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，S1中所述待焊厚板的厚度为15mm～200mm。
3.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，S2中所述激光头与待焊厚板表面法线方向的夹角为15°，所述激光头与TIG焊枪夹角为30°，所述TIG焊枪钨极尖端距待焊厚板表面上的激光扫描中心点的距离为2mm。
4.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，S3中所述激光输出功率为20KW～50KW，所述焊接平均电流为480A～650A。
5.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，S3中所述激光输出功率为30KW～40KW，所述焊接平均电流为480A～600A。
6.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，S3中所述激光扫描的路径为一字形、8字形、圆形、多边形、锯齿形或正弦波形，每种激光扫描的路径有顺时针和逆时针两种不同的运动方向。
7.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，S3中所述激光的输出方式为连续激光或脉冲激光。
8.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，S4中所述保护气体的流量为10L/min～50L/min。
9.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，S5中所述激光的激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
10.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光扫描-高频脉冲深熔TIG复合焊接的方法，其特征在于，S5中所述复合焊接的焊接速度为0.5m/min～15m/min，复合焊接时采用激光引导电弧或电弧引导激光的方式。
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