CN113941778A - 一种厚板超高功率激光-深熔tig复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种厚板超高功率激光‑深熔TIG复合焊接方法,属于厚板超高功率激光焊接技术领域。本发明解决现有厚板超高功率激光焊接过程中,焊接飞溅、塌陷严重所导致的焊缝表面成形控制难度大,以及对厚板超高功率激光‑传统TIG复合焊接过程稳定性差的问题。本发明将超高功率激光入射至深熔TIG电弧“匙孔”中,利用深熔TIG电弧挺度高和穿透力强,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,到达抑制厚板超高功率激光焊接飞溅,改善焊缝上表面成形和提高焊接过程稳定性的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,属于厚板超高功率激光焊接技术领域。
背景技术
厚板焊接技术是航空航天、海洋工程、石油化工、船舶桥梁等众多国民经济领域大尺寸结构件的最关键制造技术之一,它很大程度影响了最终产品的制造效率和质量。目前,广泛应用的中厚板焊接技术主要有大角度坡口多层多道电弧焊和小角度坡口窄间隙埋弧焊,但随着更大尺寸结构和更高强度材料的逐渐应用,其生产效率和接头质量已经很难满足现代焊接技术要求。
激光焊接技术是一种高能量密度的焊接方法,具有热影响区窄、焊接变形小、热输入量小、可焊接材料广等优点。而且激光焊接时,激光功率越高,熔池中产生的激光“匙孔”越深,因此能够显著增加单道焊缝熔深,非常适合厚板高效和高质量焊接。但是采用超高激光器和激光功率(功率≥10KW)进行厚板激光焊接时,与千瓦级激光器和激光功率(功率≤10KW)相比,激光能量密度由106~107W/cm2变为107~108W/cm2,造成材料剧烈蒸发,产生了与千瓦级激光焊接不同的新问题。例如体积极大的激光等离子、严重的焊接飞溅等。
另外,激光-传统TIG电弧复合焊接技术解决了激光焊接时能量利用率低、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,在汽车、航空航天等工程领域得到实际应用,但是其中传统TIG电弧焊接熔深小,所以该工艺主要针对中薄板焊接。当增加激光功率至超高功率进行厚板激光-传统TIG复合焊接时,超高功率激光产生的焊接飞溅和光致等离子体导致TIG钨极极易烧损,且对TIG电弧产生严重干扰,导致过程稳定性差。
现有技术公开了采用压缩气体输送经过预热处理的金属颗粒,到激光焊接熔池后沿。由于压缩气体的喷射,抵制了金属蒸汽对焊接熔池后沿的剪切力,同时增强了熔池流动性,抑制了飞溅。另外,填充的金属颗粒弥补了飞溅金属,克服了焊缝塌陷缺陷。然而,该方法要求预热和压缩气体,喷射金属颗粒,因此装置复杂,操作难度较大。
现有技术公开了在焊缝坡口底部增设熔融金属喷枪,采用超高功率激光焊接时,使用喷枪将熔融金属喷射到底部坡口,很好的解决了焊缝下表面塌陷等重大缺陷问题,但无法控制焊缝上表面飞溅。现有名称为“一种双通道保护气嘴及适用于超高功率激光焊接的保护气吹送装置”,解决了超高功率激光焊接过程中存在保护气流量小,对光致等离子体无明显抑制作用,而提高气流量影响焊接稳定性,影响焊接质量的问题。虽然该方法抑制了激光等离子体,增加了激光吸收率和焊接过程稳定性,但仍然无法消除焊接飞溅。
发明内容
本发明为了解决厚板超高功率激光焊接过程中,焊接飞溅、焊接塌陷严重所导致的焊缝表面成形控制难度大,以及对厚板超高功率激光-传统TIG复合焊接过程稳定性差的问题,提出一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法。
一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,其中深熔TIG是指一种基于传统TIG电弧,通过水冷钨极产生阴极收缩效应,并配合较大电流的新型电弧“匙孔”焊接方法,该复合焊接方法包括以下步骤:
S1,将待焊厚板坡口和待焊表面进行打磨或清洗,然后将待焊厚板工件对接并固定;
S2,利用夹具将激光头和深熔TIG焊枪固定,调整激光头与待焊工件表面法线方向夹角为0°~15°,调整深熔TIG焊枪和激光头之间的夹角为5°~45°,并调整待焊工件表面上激光斑点与深熔TIG焊枪的钨极尖端距离为0mm~10mm;
S3,设置超高功率激光-深熔TIG复合焊接参数,预通保护气体,先启动深熔TIG焊枪,再启动超高功率激光入射,并使激光头和深熔TIG焊枪相对待焊厚板工件同步移动,进行超高功率激光-深熔TIG电弧复合焊接。
进一步地,待焊厚板工件厚度为20mm~200mm。
进一步地,S3所述超高功率激光焊接参数为:输出功率为30KW~60KW,激光离焦量为+20mm~-20mm;所述深熔TIG焊枪焊接参数为:钨极直径为4mm~12mm,电源模式为直流或脉冲直流,平均焊接电流为480A~800A。
进一步地,S3所述超高功率激光焊接参数为:激光输出功率为40KW~50KW,激光离焦量为+20mm~-20mm;所述深熔TIG焊枪焊接参数为:电源模式为直流或脉冲直流,焊接平均电流为480A~650A。
进一步地,S3所述超高功率激光焊接参数为:激光输出功率为30KW~60KW,激光离焦量为+20mm~-20mm;所述深熔TIG焊枪焊接参数为: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%。
进一步地,S3所述的超高功率激光焊接参数具体为:激光输出功率为30KW~60KW,激光离焦量为+20mm~-20mm;深熔TIG焊枪焊接参数具体为:钨极直径为4mm~12mm,电源模式为脉冲直流或脉冲交流,焊接电流为480A~800A,脉冲频率为500Hz~100KHz,占空比为15%~85%。
进一步地,保护气体为惰性保护气体,气体流量为10L/min~50L/min。
进一步地,S3中激光头和深熔TIG焊枪相对待焊工件同步移动速度为0.5m/min~15m/min。
进一步地,所述超高功率工业激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器;激光器的激光输出为连续激光或脉冲激光。
本发明具有以下有益效果:本发明将超高功率激光入射至深熔TIG电弧“匙孔”中,利用深熔TIG电弧挺度高和穿透力强,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,到达抑制厚板超高功率激光焊接飞溅,改善焊缝上表面成形和提高焊接过程稳定性,解决了厚板超高功率激光焊缝表面成形控制难度大,以及超高功率激光-传统TIG电弧复合稳定性差的难题,极大提高了厚板焊接质量和效率。此外,本方明还具有以下效果:
(1)与传统TIG电弧相比,深熔TIG电弧挺度高和穿透力强,能够强制扩大超高功率激光“匙孔”开口面积,使金属蒸汽从激光“匙孔”喷出时得到缓冲,降低了对熔池表面液态金属的剪切应力,减弱了熔池表面震荡。
(2)与传统TIG电弧相比,深熔TIG产生电弧“匙孔”现象,当超高功率激光入射至深熔TIG产生的电弧“匙孔”内部时,激光“匙孔”开口处所产生的金属液柱受到电弧“匙孔”液态金属壁面的限制,避免了飞出熔池所造成的焊接飞溅。
(3)深熔TIG电弧与超高功率激光复合,增大了熔池尺寸,能够增强对焊接坡口间隙的适应性。厚板超高功率激光焊接时,激光直接作用于深熔TIG电弧“匙孔”底部,增加了焊缝熔深。
(4)高频脉冲深熔TIG能够进一步收缩电弧,增加电弧挺度和穿透力,抑制厚板超高功率激光焊接飞溅效果更佳,并且高频脉冲深熔TIG电弧对熔池有搅拌、振动等作用,可进一步提高焊接速度和细化焊缝晶粒,改善焊接质量。
附图说明
图1(a)为深熔TIG焊接过程熔池示意图
图1(b)为传统TIG焊接过程熔池示意图;
图2为厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接过程飞溅抑制机理示意图;
图3为厚板超高功率激光-传统TIG复合焊接过程飞溅抑制机理示意图;
图4为激光输出功率为20KW时,(a)超高功率单激光焊接、(b)超高功率激光-传统TIG复合焊接和(c)超高功率激光-深熔TIG复合焊接获得焊缝对比图;
图5为激光输出功率为30KW时,(a)超高功率单激光焊接、(b)超高功率激光-传统TIG复合焊接和(c)超高功率激光-深熔TIG复合焊接获得焊缝对比图;
图中1-钨极、2-深熔TIG电弧、3-深熔TIG电弧“匙孔”、4-熔池、5-超高功率激光、6-超高功率激光“匙孔”、7-金属蒸汽、8-金属液柱、9-飞溅熔滴、10-传统TIG电弧。
具体实施方式
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。但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1:
本实施例采用40mm厚度低碳钢板,进行厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接。
采用30KW超高功率连续光纤激光器,激光波长为1070nm,激光聚焦直径为0.69mm。
采用额定电流630A深熔TIG焊机和焊枪。
S1,将待焊工件的表面进行打磨和清洗,使用夹具夹持在焊接平台上。
S2,利用夹具将超高功率激光头和深熔TIG焊枪刚性固定,超高功率激光与工件表面法线方向倾斜15度,深熔TIG焊枪与激光头倾斜35度。
S3,设置焊接参数,具体为:激光功率为20KW,离焦量-10mm,深熔TIG钨极直径为4.8mm,焊接电流500A,工件表面上,激光斑点与钨极尖端间距为1mm。焊接速度1.2m/min。采用保护气体为99.999%高纯氩气,由深熔TIG焊枪喷出,气流量为20L/min。
S4,采用激光引导电弧焊接方式,预通保护气体,先启动深熔TIG焊枪,再启动激光头,并使激光头和深熔TIG焊枪相对待焊工件同步移动,进行超高功率激光-深熔TIG电弧复合焊接,获得焊缝如图4中(c)所示,超高功率激光-深熔TIG复合焊接过程飞溅抑制机理示意如图2所示,由图2可知,超高功率激光入射至深熔TIG电弧“匙孔”3中,超高功率激光“匙孔”开口增大,金属蒸汽7喷出趋缓,而且激光“匙孔”开口的液柱8处于深熔TIG电弧“匙孔”内,受壁面约束无法溢出熔池表面,避免了飞溅产生。其中深熔TIG焊接过程熔池示意如图1中(a)所示,相比与常规TIG,由于深熔TIG电弧压力大,能够排斥电弧下方的液态金属,形成电弧“匙孔”3。
实施例2:
本实施例与实施例1不同处仅为焊接时激光输出功率为30KW,其余参数设置以及操作过程与实施例1相同,获得的焊缝如图5中(c)所示。
实施例3:
本实施例采用40mm厚度低碳钢板,进行厚板超高功率单激光焊接。
采用30KW超高功率连续光纤激光器,激光波长为1070nm,激光聚焦直径为0.69mm。
S1,将待焊工件表面进行打磨和清洗,然后使用夹具夹持在焊接平台上。
S2,利用夹具将超高功率激光头刚性固定,超高功率激光与工件表面法线方向倾斜15度。
S3,设置焊接参数,具体为:激光功率为20KW,离焦量-10mm。焊接速度1.2m/min。采用保护气体为99.999%高纯氩气,气流量为20L/min。
S4,预通保护气体,启动激光入射,并使激光头相对待焊工件移动,进行超高功率单激光焊接,获得焊缝如图4中(a)所示。
实施例4:
本实施例与实施例3不同处仅为焊接时激光输出功率为30KW,其余参数设置以及操作过程与实施例3相同,获得的焊缝如图5中(a)所示。
实施例5:
本实施例采用40mm厚度低碳钢板,进行厚板超高功率激光-传统TIG复合焊接。
采用30KW超高功率连续光纤激光器,激光波长为1070nm,激光聚焦直径为0.69mm。
采用额定电流350A传统TIG焊机和焊枪。
S1,将待焊工件表面进行打磨和清洗,然后使用夹具夹持在焊接平台上。
S2,利用夹具将超高功率激光头和传统TIG焊枪刚性固定,超高功率激光与工件表面法线方向倾斜15度,传统TIG焊枪与激光头倾斜35度。
S3,设置焊接参数,具体为:激光功率为20KW,离焦量-10mm,传统TIG钨极直径为3.2mm,焊接电流250A,工件表面上,激光斑点与钨极尖端间距为3mm。焊接速度1.2m/min。采用保护气体为99.999%高纯氩气,由传统TIG焊枪喷出,气流量为20L/min。
S4,采用激光引导电弧焊接方式,预通保护气体,先启动深熔TIG焊枪,再启动激光头,并使激光头和深熔TIG焊枪相对待焊工件同步移动,进行超高功率激光-深熔TIG电弧复合焊接,获得的焊缝如图4中(b)所示。
厚板超高功率激光-传统TIG复合焊接过程飞溅产生机理示意如图3所示,由图3可知,超高功率激光“匙孔”开口处于熔池表面,开口处金属液柱8受金属蒸汽7的作用下,脱离熔池表面产生焊接飞溅9,其中传统TIG焊接过程熔池示意如图1中(b)所示,由于电弧压力小,焊接熔池平整,没有产生电弧“匙孔”。
实施例6:
本实施例与实施例5不同处仅为焊接时激光输出功率为30KW,其余参数设置以及操作过程与实施例5相同,获得的焊缝如图5中(b)所示。
对比图4和图5可知,厚板超高功率激光-深熔TIG电弧复合焊接焊缝成形,焊缝成形均匀性和连续性良好,且焊缝两侧无飞溅和表面塌陷缺陷,表明了超高功率激光-深熔TIG复合有效改善了焊缝表面成形和焊接稳定性。
Claims (9)
1.一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
S1,将待焊厚板工件的坡口及两侧表面进行打磨和清洗,然后使用夹具夹持在焊接平台上;
S2,利用夹具将激光头和深熔TIG焊枪固定,调整激光头与待焊厚板工件表面法线方向夹角为0°~15°,调整深熔TIG焊枪和激光头之间的夹角为5°~45°,并调整待焊工件表面上激光斑点与深熔TIG焊枪钨极尖端的距离为0mm~10mm;
S3,设置超高功率激光-深熔TIG复合焊接参数,预通保护气体,先启动深熔TIG焊枪,再启动激光入射,使激光头和深熔TIG焊枪相对待焊工件同步移动,进行超高功率激光-深熔TIG电弧复合焊接。
2.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,其特征在于,所述的待焊工件厚度为20mm~200mm。
3.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,其特征在于,所述的激光头由30KW~60KW超高功率工业激光器提供,超高功率工业激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器;激光器的激光输出为连续激光或脉冲激光。
4.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,其特征在于,S3中超高功率激光焊接参数具体为:激光输出功率为30KW~60KW,激光离焦量为+20mm~-20mm;深熔TIG焊枪焊接参数具体为:钨极直径为4mm~12mm,电源模式为直流或脉冲直流,焊接电流为480A~800A。
5.根据权利要求1或4所述的一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,其特征在于,S3中超高功率激光焊接参数具体为:激光输出功率为40KW~50KW,激光离焦量为+20mm~-20mm;深熔TIG焊枪焊接参数具体为:钨极直径为4mm~12mm,电源模式为直流或脉冲直流,焊接电流为480A~650A。
6.根据权利要求1或4所述的一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,其特征在于,S3中超高功率激光焊接参数具体为:激光输出功率为30KW~60KW,激光离焦量为+20mm~-20mm;深熔TIG焊枪焊接参数具体为:钨极直径为4mm~12mm,电源模式为脉冲直流或脉冲交流,焊接电流为480A~800A,脉冲频率为500Hz~100KHz,占空比为15%~85%。
7.根据权利要求1或4所述的一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,其特征在于,S3所述的超高功率激光焊接参数具体为:激光输出功率为40KW~50KW,激光离焦量为+20mm~-20mm;深熔TIG焊枪焊接参数具体为:钨极直径为4mm~12mm,电源模式为脉冲直流或脉冲交流,焊接电流为480A~650A,脉冲频率为500Hz~100KHz,占空比为15%~85%。
8.根据权利要求1所述的一种厚板超高功率激光-深熔TIG复合焊接方法,其特征在于,所述的保护气体为惰性保护气体,气体流量为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-深熔TIG复合焊接方法,其特征在于,S3中激光头和深熔TIG焊枪相对待焊工件同步移动速度为0.5m/min~15m/min。
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