CN114654089A - 一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法 - Google Patents

一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法，首先预设激光加工头的焊接行进速度v,并据此计算出各个时长的值；将激光加工头在圆形焊缝起始点上方停留时长t1，激光功率由零逐渐上升；激光加工头沿着圆形焊缝的轨迹以v开始匀速行进，到达行进时长t3‑t1时，激光功率上升至恒定功率；激光加工头继续匀速行进时长t5，激光功率维持恒定功率不变；激光加工头继续匀速行进，激光功率由恒定功率逐渐下降；激光加工头在圆形焊缝终止点上方停留时长t2，激光功率持续下降至零，焊接结束。本发明的优点：采用控制激光加工头的行程和控制激光功率变化相结合的方式，控制焊接过程热输入，解决局部产生未焊透、烧穿、凹坑等缺陷的问题，并调整焊缝形貌，提高焊接质量。

Description

一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及的是一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法。
背景技术
板式换热器行业中常见圆形轨迹的叠加焊缝，圆形焊缝是换热器主要承压位置，其焊接质量直接影响换热器板整体的力学性能、密封性及使用寿命。
传统激光焊接板式换热器，常见到圆形焊缝出现局部虚焊现象导致的次品。分析其成因，，会发现此类圆形焊缝尺寸小且圆形焊缝首尾搭接，两块板材工件叠加使两块板材间存在间隙，再加上运动机构启停时的加减速过程和激光的热弛豫效应，一系列因素综合下使整个焊缝熔池的热输入高低不同且稳定性不佳。而在高焊接速度的加持下，整个焊接过程对各项参数的变化更为敏感，热输入不均匀的影响会被放大，造成局部区域熔深不够。
若单纯通过增大激光功率、降低焊接速度、改变离焦量等增加整体热输入的方式来增加熔深，会造成焊缝变宽、热影响区变大，不仅易导致散热性不佳、刚性差的薄钢板发生热变形，还可能使其接头强度变低，同时在原本热输入足够的区域有产生烧穿等缺陷的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法，在避免激光热弛豫效应冲击熔池的同时，解决焊接过程中热输入不均匀的问题，从而消除此类圆形焊缝常见的局部未焊透、凹坑、烧穿等缺陷。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法，所述激光叠焊方法用于两块薄钢板上圆形焊缝的焊接，所述激光叠焊方法按如下步骤依次进行：
步骤一、预设激光加工头的焊接行进速度v，根据公式t＝C/v计算得出激光加工头的焊接行进时长t，其中，C为圆形焊缝的周长，根据已知的圆形焊缝的直径d能得出C；
再根据出激光加工头的焊接行进时长t计算得出以下参数：
激光加工头在圆形焊缝起始点停留时长t1的计算公式为：t1＝(1％～4％)×t，
激光加工头在圆形焊缝终止点停留时长t2的计算公式为：t2＝(15％～20％)×t，
激光加工头的激光功率缓升时长t3的计算公式为：t3＝(30％～40％)×(t+t1+t2)；
激光加工头的激光功率缓降时长t4的计算公式为：t4＝(30％～40％)×(t+t1+t2)，
激光加工头的激光功率恒定维持时长t5的计算公式为：t5＝t+t1+t2-t3-t4，
其中，圆形焊缝起始点与圆形焊缝终止点重合；
步骤二、将两块薄钢板叠加摆放并固定夹紧，激光加工头运行至圆形焊缝起始点上方，启动激光器，激光器的激光加工头开始出光，此时激光焊接开始，激光加工头在圆形焊缝起始点上方停留时长t1，在此过程中，激光功率由零逐渐上升；
步骤三、激光加工头沿着圆形焊缝的轨迹以焊接行进速度v开始匀速行进，在此过程中，激光加工头的激光功率持续上升，行进时长为t3-t1，到达行进时长t3-t1时，激光加工头的激光功率上升至恒定功率；
步骤四、激光加工头沿着圆形焊缝的轨迹继续以焊接行进速度v匀速行进，行进时长为t5，在此过程中，激光加工头的激光功率维持恒定功率上不变；
步骤五、激光加工头沿着圆形焊缝的轨迹继续以焊接行进速度v匀速行进直至到达圆形焊缝终止点上方，行进时长为t4-t2，在此过中，激光加工头的激光功率由恒定功率逐渐下降；
步骤六、激光加工头在圆形焊缝终止点上方停留时长t2，在此过程中，激光加工头的激光功率持续下降至零，焊接结束。
作为上述方法的优选方案，所述薄钢板的厚度为0.4～1.2mm，激光加工头的焊接行进速度v小于3m/min，所述激光加工头的激光恒定功率为1000～3000W。
作为上述方法的优选方案，所述薄钢板为不锈钢薄板。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明提供的一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法，其采用控制激光加工头的行程和控制激光功率变化相结合的方式，实现薄钢板的圆形焊缝的叠焊，相比于单纯通过增加激光功率的方法，本发明使用激光加工头停留在局部位置增加了特定位置的熔深，避免了过高热输入引起的板材变形，同时由于采用激光功率缓升和缓降的方式缓和了热输入曲线，不会出现凹坑，保证了整个焊缝热输入的均匀性，从而保证了整个焊缝的焊接质量；相比于通过焊缝起始点和终止点冗余搭接的方法，本发明的激光加工头行程简单，同时能避免圆形焊缝起始点和终止点搭接造成的局部应力集中，使得整个焊缝平整美观，一体性好；相比于通过改变激光加工头的离焦量、倾角等焊接姿态的方法，本发明在焊接过程中不需要改变激光加工头的焊接姿态，可始终保持激光加工头水平运动，对于坐标机床这类不太灵活的加工设备来说更友好。
附图说明
图1是本发明的两块薄钢板的圆形焊缝焊接完成后的纵剖图。
图2是本发明的激光加工头的行进轨迹示意图。
图中标号：1薄钢板，2圆形焊缝，3圆形焊缝起始点。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1至图2，本实施例公开了一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法，所述激光叠焊方法用于两块薄钢板1上圆形焊缝2的焊接，薄钢板1优选采用不锈钢薄板。
该激光叠焊方法按如下步骤依次进行：
步骤一、预设激光加工头的焊接行进速度v，根据公式t＝C/v计算得出激光加工头的焊接行进时长t，其中，C为圆形焊缝2的周长，根据已知的圆形焊缝2的直径d能得出C；
再根据出激光加工头的焊接行进时长t计算得出以下参数：
激光加工头在圆形焊缝起始点3停留时长t1的计算公式为：t1＝(1％～4％)×t，
激光加工头在圆形焊缝终止点停留时长t2的计算公式为：t2＝(15％～20％)×t，
激光加工头的激光功率缓升时长t3的计算公式为：t3＝(30％～40％)×(t+t1+t2)；
激光加工头的激光功率缓降时长t4的计算公式为：t4＝(30％～40％)×(t+t1+t2)，
激光加工头的激光功率恒定维持时长t5的计算公式为：t5＝t+t1+t2-t3-t4，
其中，圆形焊缝起始点3与圆形焊缝终止点重合；
步骤二、将两块薄钢板1叠加摆放并固定夹紧，激光加工头运行至圆形焊缝起始点3上方，启动激光器，激光器的激光加工头开始出光，此时激光焊接开始，激光加工头在圆形焊缝起始点3上方停留时长t1，在此过程中，激光功率由零逐渐上升；
步骤三、激光加工头沿着圆形焊缝2的轨迹以焊接行进速度v开始匀速行进，在此过程中，激光加工头的激光功率持续上升，行进时长为t3-t1，到达行进时长t3-t1时，激光加工头的激光功率上升至恒定功率；
步骤四、激光加工头沿着圆形焊缝2的轨迹继续以焊接行进速度v匀速行进，行进时长为t5，在此过程中，激光加工头的激光功率维持恒定功率上不变；
步骤五、激光加工头沿着圆形焊缝2的轨迹继续以焊接行进速度v匀速行进直至到达圆形焊缝终止点上方，行进时长为t4-t2，在此过中，激光加工头的激光功率由恒定功率逐渐下降；
步骤六、激光加工头在圆形焊缝终止点上方停留时长t2，在此过程中，激光加工头的激光功率持续下降至零，焊接结束。
上述方法中，所述薄钢板1的厚度为0.4～1.2mm，所述激光加工头的激光恒定功率为1000～3000W，激光加工头的焊接行进速度v小于3m/min。
其中，激光加工头的焊接行进速度v是根据同等条件下激光束刚好能焊透叠加摆放的两层板材时激光加工头的行进速度。该速度可通过预先在试样上进行激光叠韩试验获得。
以下是申请人采用原始焊接方法和本发明的焊接方法分别对同样的不锈钢薄板的圆形焊接进行焊接的描述：
需要焊接的两块不锈钢薄板为304不锈钢板，单块不锈钢薄板的尺寸为：长605mm、宽280mm、厚1mm，在两块不锈钢薄板上焊接59个圆形焊缝2，单个圆形焊缝2的直径为12mm，此处圆形焊缝2的直径指的是激光加工头的中心点运行轨迹形成的圆的直径。
使用的设备为：3KW半导体光纤耦合激光器(品牌型号：ZKSX-3004)，400微米光纤芯径，有光闸缓升缓降功能；坐标机床；同轴吹气焊接加工头(品牌型号：ZKSX-W120P120)。
首先预设激光加工头的焊接行进速度v，具体过程为：
取两块板厚为1mm的板材作为试样，在保持激光功率为1400W、离焦量0mm、送气速度10L/min不变的情况下，进行直线焊缝的激光叠焊，经测试得到刚好能焊透叠加摆放的两层板材时激光加工头的行进速度为1.5m/min，以此作为以下实施例预设的焊接行进速度v。
采用原始焊接方法的实施例作为参照实施例，采用本发明的焊接方法的实施例作为本实施例。
参照实施例的方法如下：
焊接参数为：激光功率为1400W、离焦量为0mm、送气速度为10L/min，焊接行进速度v为1.5m/min；此实施例中，激光加工头出光的同时，激光加工头便从圆形焊缝2的起始点开始沿着圆形焊缝2的轨迹以1.5m/min的速度匀速行进，直至激光加工头到达圆形焊缝2的终止点结束，在此过程中，激光功率始终恒定在1400W不变。
焊接结果为：连续焊接59个圆形焊缝2，出现了8个圆形焊缝2未焊透的缺陷。
本实施例的方法如下：
步骤一、预设激光加工头的焊接行进速度v为1.5m/min，根据公式t＝C/v计算得出激光加工头的焊接行进时长t，其中，C为圆形焊缝2的周长，根据已知的圆形焊缝2的直径d能得出C，本实施例中，圆形焊缝2的直径d为12mm，则根据周长的公式C＝πd，即可得出C的值为37.69mm，进而计算出t的值为1508ms；
再根据出激光加工头的焊接行进时长t计算得出以下参数：
激光加工头在圆形焊缝起始点3停留时长t1的计算公式为：t1＝(1％～4％)×t，此处t1取值为50ms；
激光加工头在圆形焊缝终止点停留时长t2的计算公式为：t2＝(15％～20％)×t，此处t2取值为300ms；
激光加工头的激光功率缓升时长t3的计算公式为：t3＝(30％～40％)×(t+t1+t2)；此处t3取值为700ms；
激光加工头的激光功率缓降时长t4的计算公式为：t4＝(30％～40％)×(t+t1+t2)，此处t4取值为700ms；
激光加工头的激光功率恒定维持时长t5的计算公式为：t5＝t+t1+t2-t3-t4，得出t5的值为458ms；
其中，圆形焊缝起始点3与圆形焊缝终止点重合；
步骤二、将两块不锈钢薄板叠加摆放并在坐标机床上利用工装夹具固定夹紧，激光加工头运行至圆形焊缝起始点3上方，启动激光器，激光器的激光加工头开始出光，此时激光焊接开始，激光加工头在圆形焊缝起始点3上方停留时长50ms，在此过程中，激光功率由零逐渐上升；
步骤三、激光加工头沿着圆形焊缝2的轨迹以焊接行进速度1.5m/min开始匀速行进，在此过程中，激光加工头的激光功率持续上升，行进时长为650ms，到达行进时长650ms时，激光加工头的激光功率上升至恒定功率1400W；
步骤四、激光加工头沿着圆形焊缝2的轨迹继续以焊接行进速度1.5m/min匀速行进，行进时长为458ms，在此过程中，激光加工头的激光功率维持恒定功率1400W不变；
步骤五、激光加工头沿着圆形焊缝2的轨迹继续以焊接行进速度1.5m/min匀速行进直至到达圆形焊缝终止点上方，行进时长为400ms，在此过中，激光加工头的激光功率由恒定功率1400W逐渐下降；
步骤六、激光加工头在圆形焊缝终止点上方停留时长300ms，在此过程中，激光加工头的激光功率持续下降至零，焊接结束。
上述过程中，激光功率上升采用的是线性上升方式，激光功率下降采用的是线性下降的方式。
采用上述方法连续焊接了59个圆形焊缝2，全部成型良好，圆形焊缝2外观平滑，板材变形减小，以最大工作压力的1.5倍对该焊接成型件做水压测试，未出现泄露情况。相比于参照实施例，本实施例大大提高了工件良品率。
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 (3)

1.一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法，所述激光叠焊方法用于两块薄钢板上圆形焊缝的焊接，其特征在于，所述激光叠焊方法按如下步骤依次进行：
步骤一、预设激光加工头的焊接行进速度v，根据公式t＝C/v计算得出激光加工头的焊接行进时长t，其中，C为圆形焊缝的周长，根据已知的圆形焊缝的直径d能得出C；
再根据出激光加工头的焊接行进时长t计算得出以下参数：
激光加工头在圆形焊缝起始点停留时长t1的计算公式为：t1＝(1％～4％)×t，
激光加工头在圆形焊缝终止点停留时长t2的计算公式为：t2＝(15％～20％)×t，
激光加工头的激光功率缓升时长t3的计算公式为：t3＝(30％～40％)×(t+t1+t2)；
激光加工头的激光功率缓降时长t4的计算公式为：t4＝(30％～40％)×(t+t1+t2)，
激光加工头的激光功率恒定维持时长t5的计算公式为：t5＝t+t1+t2-t3-t4，
其中，圆形焊缝起始点与圆形焊缝终止点重合；
步骤二、将两块薄钢板叠加摆放并固定夹紧，激光加工头运行至圆形焊缝起始点上方，启动激光器，激光器的激光加工头开始出光，此时激光焊接开始，激光加工头在圆形焊缝起始点上方停留时长t1，在此过程中，激光功率由零逐渐上升；
步骤三、激光加工头沿着圆形焊缝的轨迹以焊接行进速度v开始匀速行进，在此过程中，激光加工头的激光功率持续上升，行进时长为t3-t1，到达行进时长t3-t1时，激光加工头的激光功率上升至恒定功率；
步骤四、激光加工头沿着圆形焊缝的轨迹继续以焊接行进速度v匀速行进，行进时长为t5，在此过程中，激光加工头的激光功率维持恒定功率上不变；
步骤五、激光加工头沿着圆形焊缝的轨迹继续以焊接行进速度v匀速行进直至到达圆形焊缝终止点上方，行进时长为t4-t2，在此过中，激光加工头的激光功率由恒定功率逐渐下降；
步骤六、激光加工头在圆形焊缝终止点上方停留时长t2，在此过程中，激光加工头的激光功率持续下降至零，焊接结束。
2.如权利要求1所述的一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法，其特征在于：所述薄钢板的厚度为0.4～1.2mm，激光加工头的焊接行进速度v小于3m/min，所述激光加工头的激光恒定功率为1000～3000W。
3.如权利要求1所述的一种薄钢板圆形焊缝的激光叠焊方法，其特征在于：所述薄钢板为不锈钢薄板。
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