CN114799526B - 超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法 - Google Patents

超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超高强钢厚板的窄间隙激光摆动‑填丝复合焊接方法，包括：坡口加工步骤：将超高强钢厚板加工为钝边I型坡口和超窄间隙U型坡口形式；焊前准备步骤：对坡口及周边焊接区域进行预处理，并用夹具进行装配、固定，确定复合焊枪的位置和姿态，进行焊接路径编程；打底焊接步骤：采用大功率激光对I型坡口进行深熔焊穿透焊接；填充焊接步骤：采用满足预设要求的功率对U型坡口进行逐层填充；盖面焊接步骤：采用摆动激光、填丝复合的焊接方式对超窄间隙U型坡口进行盖面焊接。

Description

超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法
技术领域
本发明涉及高附加值、高质量要求的焊接领域，具体地，涉及超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法，更为具体地，涉及一种航天超高强钢厚板的超窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法。
背景技术
航天超高强钢由于具有超高强度以及良好的塑韧性，主要用于固体火箭发动机壳体、飞机起落架等承载大载荷，轻量化要求严格的场合。而焊接是其结构件成型的其中非常关键的工艺之一。目前，对于火箭发动机壳体的焊接主要采用GTAW钨极氩电弧焊接和电子束焊接方法。GTAW焊接热输入大，内应力和热变形大，同时电弧功率密度较低，穿透力低，熔深浅，针对3mm以上的壁厚通常都需要开坡口进行多层多道焊接，并且焊前还需要预热，焊后需要去应力和消氢处理，工序复杂，焊接效率很低。而电子束焊接功率密度高，穿透性强，但存在焊前需要抽真空，填丝困难，路径跟踪困难，焊接产品尺寸受限于真空室的大小等问题。因此已无法满足当前快速研制任务的需求。
当前针对以D406A和30Cr3为主的航天超高强钢的焊接已经展开了纯激光熔焊、激光-TIG复合，以及激光-CMT复合等多种焊接方法的研究，取得了一定的效果，改善了焊接质量，提高了焊接效率。但上述的研究都主要针对6mm以下的薄板，而针对6mm以上的超高强钢厚板则还有许多问题需要解决，针对10mm以上的超高强钢激光焊接则几乎没有展开。
超高强钢含碳量以及合金元素较多，强度高，碳当量大，淬硬倾向大，尤其对于厚板来讲，存在较大的拘束应力，焊后存在较大的残余应力，极易产生裂纹；另外，含碳量以及合金元素多，导致液态熔池金属的粘度大，流动性差，气泡上浮困难，而激光焊接的大深宽比特征以及温度梯度大，冷却速度快的焊接特性，气泡在时间和空间上溢出都较为困难，致使在较厚的超高强钢的激光焊接中气孔很难避免；另外，由于深熔焊部分无低含碳量的焊丝进行成分调控，其塑韧性较差，难以满足发动机壳体等的焊接质量要求。航天超高强钢激光焊接当前面临的这些挑战无疑限制了激光焊接在航天超高强钢厚板中的应用。
然而，随着太空探索技术的发展，显著提高焊接质量和效率，研制更大直径、更大壁厚，更大推力负载的火箭发动机成为一种必然的趋势。因此，这对当前航天技术发展的任务需求，必须寻求一种更加高质、高效的激光焊接技术来解决当前航天超高强钢厚板焊接面临的挑战。由于TIG(钨极氩弧焊)和MAG(熔化极气体保护焊)的焊枪喷嘴直径较大，最小的也在14mm以上，电弧根本无法深入窄间隙坡口内部。而经过特殊设计的送丝机构宽度在3mm以下，不但被填充的焊丝可以很容易地深入到坡口底部，并且坡口可以设计得非常狭窄，显著地减少焊丝填充量和提高焊接效率，因此针对超高强钢厚板的窄间隙焊接，采用激光与填丝复合是一种更为理想的焊接方法。
专利文献CN105328342A公开了一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，针对10mm超高强钢D406A，开30度坡口，采用激光-TIG复合分两次焊接成形，虽然可能解决气孔问题，但焊接效率较低，焊丝填充量高，并且热输入较大，存在较大的热变形。
专利文献CN113182688A公开了一种厚板窄间隙双光束激光填丝高效焊接方法，该方法中，双光束前后排列。虽然该方法有助于抑制飞溅，控制凝固顺序，防止结晶裂纹，但该方法光束不摆动，对熔池无搅拌作用，很难抑制气孔，光束前后排列，热源的能量难以扩展到坡口两侧，容易发生侧壁未熔合问题。另外，如果双光束左右排列，虽然有助于解决侧壁未熔合问题，但飞溅抑制效果又较差，也不搅拌熔池从而难以抑制气孔的产生。
专利文献CN104384717A公开了一种厚板窄间隙实施对焊的摆动激光-热丝焊接方法。虽然针对厚板窄间隙提出了摆动激光-热丝焊接方法，但坡口较宽，达到6～10mm，基本无法实现单道单层的填充，填充焊道数量多，效率稍低，热输入较大，同时也未对打底焊道提出一种高效明确的解决方法，打底焊效率低。进一步也并未针对超高强钢厚板窄间隙焊接提出一种明确的解决方案。
专利文献CN111618434A公开了一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法。该专利仅仅针对窄间隙厚板的焊前预热进行了详细的说明，但并未针对打底、填充以及盖面提出明确的解决方案，尤其并未对超高强钢厚板的激光焊接提出明确的解决方案。
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超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法。
根据本发明提供的一种超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法，包括：
坡口加工步骤：将超高强钢厚板加工为钝边I型坡口和超窄间隙U型坡口形式；
焊前准备步骤：对U型坡口及周边焊接区域进行预处理，并用夹具进行装配、固定，确定复合焊枪的位置和姿态，进行焊接路径编程；
打底焊接步骤：采用大功率激光对I型坡口进行深熔焊穿透焊接；
填充焊接步骤：采用满足预设要求的功率对U型坡口进行逐层填充；
盖面焊接步骤：采用摆动激光、填丝复合的焊接方式对超窄间隙U型坡口进行盖面焊接。
优选地，所述钝边I型坡口为钝边的坡口角度为0度的直边形式；钝边厚度为6-30mm；所述的超窄间隙U型坡口为坡口角度为0-3度，底部坡口宽度为2mm-5mm。
优选地，所述焊前准备步骤：采用：对坡口及周边焊接区域进行机械打磨和化学清洗，去除表面的氧化物和油污，吹干后用夹具进行装配及固定。
优选地，所述打底焊接步骤采用：采用激光摆动并大功率深熔焊方式焊接I型坡口，一次性穿透钝边并双面成形，同时通过激光摆动对熔池进行搅拌。
优选地，所述打底焊接步骤采用：激光功率5000-30000W；焊接速度为0.4-1.6m/min；保护气流量为15-20L/min；保护气类型为纯度99.99％的Ar气或者80％Ar+20％Co2；离焦量d为0-+20mm；激光束流采用预设的摆动模式；摆动频率：50-200Hz，摆动幅度：1.0-3.0mm。
优选地，所述填充焊接步骤采用：每层采用单层单道的方式进行逐层叠加填充，在填充时采用激光摆动并填充焊丝的复合焊接方式实现窄间隙坡口的填充。
优选地，所述填充焊接步骤采用：激光功率3000w-6000w，送丝速度为2m-8m/min；焊接速度为0.3-1.2m/min；离焦量d为0～+30mm；光丝间距为0-6mm；激光束流采用预设的摆动模式；摆动频率：50-200Hz，摆动幅度：1.0-4.0mm；保护气类型为纯度99.99％的Ar气或者80％Ar+20％的Co2。
优选地，所述填充焊丝的复合焊接方式采用：填充冷丝或热丝的复合焊接方式；
所述填充热丝是在焊丝送入熔池前由热丝焊接电源通过焊丝接触工件并与工件构成回路，基于电阻加热的原理对焊丝加热；所述热丝的参数为：热丝电流为10-200A，电流脉冲频率为：10-100Hz，电压为8-10V。
焊下一层之前，对焊道进行清理，然后用经过三滤的压缩空气将坡口内清理干净无污物；
对每层采用单道填充，每层焊道填充高度2-3mm；每焊完一层，焊枪上移一个标准距离，准备进行一层的焊接。
优选地，所述盖面焊接步骤采用：采用单道一次盖面完成的方式进行盖面焊接；
所述盖面焊接步骤采用：激光功率4000w-6000w；送丝速度为2m-12m/min；焊接速度为0.3-1.2m/min；离焦量d为0～+40mm；光丝间距为0-6mm；激光束流采用预设的摆动模式；摆动频率：50-200Hz，摆动幅度：2.0-5.0mm，通过摆动增加热源宽度，并将熔焊的液态金属向两侧铺展，以保障良好的盖面成形，焊缝饱满圆润无咬边，余高大于0.3-1.0mm；保护气流量为10-20L/min；保护气类型为纯度99.99％的Ar气或者80％Ar+20％的Co2。
优选地，所述填丝复合的焊接方式包括冷丝焊接或热丝焊接；
所述热丝焊接采用：通过配置的焊接电源对焊丝在送入熔池前进行加热。所述热丝的参数为：热丝电流为10-200A，电流脉冲频率为：10100Hz，电压为8-10V。
根据本发明提供的一种超高强钢，采用上述所述的超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法制备得到。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明是针对航天超高强钢厚板焊接提出的一种高质、高效的焊接方法；
2、本发明提出采用在大功率深熔焊穿透焊接的同时摆动激光，对熔池进行搅拌，加快熔池流动，促使气泡加速上浮，延缓匙孔后沿熔池金属的凝固速度，从而有效消除气孔；
3、在大钝边深熔焊时，由于无低含碳量的焊丝进行成分调控，在激光快热和极冷的高温度梯度下，焊缝金属脆性较大，塑韧性不足，通过激光束流的摆动搅拌熔池，有助于熔池各个部分传质传热的均匀化，降低熔池各个部分的温度梯度，破碎枝晶，细化晶粒，增加等轴晶比例，消除结晶裂纹，降低残余内应力，从而提高焊接接头的强韧综合性能；
4、针对窄间隙U型坡口的填充，通过激光束流的摆动，增大热源宽度，同时通过摆动推动熔化的液态金属向两侧流动，不但有助于解决超窄间隙焊接中的侧壁未熔合问题，同时通过推动熔化的液态金属向两侧流动，还有助于促使焊道填充金属形成凹面形状，消除层间未熔合的问题；
5、而针对盖面焊接，通过激光束流的摆动，显然有助于增大热源宽度并推动熔池金属向两侧铺展，覆盖整个焊缝，在单道盖面的情况下，很好地解决盖面宽度问题，使盖面焊缝饱满圆润，焊缝边缘无咬边，余高适当，获得良好的成形。显著的扩大焊缝的有效宽度，使得焊缝成形饱满而且熔合线侧过渡圆滑，消除了焊接接头应力集中的倾向。该焊接方法可以在高强钢或超高强钢等具有高附加值领域的焊接中得到广泛的应用；
6、在填充和盖面焊接中，如果采用热丝填充方法，通过焊接电源加热焊丝，可以进一步提高填充效率，以及熔池金属的润湿性和铺展性，改善焊缝成形；
7、通过大钝边I型坡口+窄间隙U型坡口的焊接方法，在显著提高焊接效率的同时，减小了焊接热输入，极大地减小了焊接残余内应力，显著降低了裂纹敏感性，这对于碳当量很高的航天超高强钢无疑是一种理想地解决方案；
8、通过激光束流的摆动搅拌熔池，促进熔池流动，促进熔池传质和传热的均匀化，降低温度梯度，延缓匙孔后沿熔池的结晶凝固速度，这对于细化晶粒，破碎枝晶生长并使晶粒各项异性，消除元素偏析，进一步降低残余应力，增强增韧及消除结晶裂纹都有好处，从而实现超高强钢厚壁结构的高质高效焊接。
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所示为超高强钢的坡口设计示意图。
图2为超高钢厚板的焊道规划示意图。
图3所示为大钝边打底激光摆动穿透焊接示意图。
图4所示为U型窄间隙坡口激光摆动+填丝复合焊接填充示意图。
图5所示为激光在窄间隙U型坡口内摆动的示意图。
图中，1-工件，2-钝边I型坡口，3-激光束，4-激光束摆动轨迹，5-保护气管，6-打底焊接，7-打底焊道，8-填充焊道，9-盖面焊道，10-焊丝，11-窄间隙坡口的左右侧壁，12-窄间隙U型坡口，13-填充焊接。
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。
实施例1
根据本发明提供的一种超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法，如图1至5所示，包括：
如图1-2所示，坡口加工步骤：将超高强钢厚板加工为钝边I型坡口和超窄间隙U型坡口形式；图2(a)为带坡口角度的超高钢厚板的焊道规划；图2(b)为坡口角度为0度的超高钢厚板的焊道规划。
具体地，所述钝边I型坡口为钝边的坡口角度为0度的直边形式；钝边厚度为6-30mm；所述的超窄间隙U型坡口为坡口角度为0-3度，底部坡口宽度为2mm-5mm。在坡口设计上将大幅度减少填充面积，显著提高焊接效率。
焊前准备步骤：对坡口及周边焊接区域进行预处理，并用夹具进行装配、固定，确定复合焊枪的位置和姿态，进行焊接路径编程；
具体地，所述焊前准备步骤采用：对坡口及周边焊接区域进行机械打磨和化学清洗，去除表面的氧化物和油污，吹干后用夹具进行装配及固定，并确定复合焊枪的位置和姿态，进行焊接路径编程。
所述焊前准备步骤采用：激光加工头角度80-90度(与焊接方向)，送丝角度30-60度(与工件表面)，激光前置或后置，光丝间距0-6mm；H10的焊丝，焊丝直径为1.0-1.2mm。
打底焊接步骤：采用大功率激光对I型坡口进行深熔焊穿透焊接；
具体地，所述打底焊接步骤采用：采用大功率激光并摆动深熔焊方式焊接I型坡口，一次性穿透钝边并双面成形，实现单面焊双面成形，同时通过激光摆动对熔池进行搅拌，改善焊接成形。
具体地，所述打底焊接步骤采用：激光功率5000-30000W；焊接速度为0.4-1.6m/min；保护气流量为15-20L/min；保护气类型为纯度99.99％的Ar气或者80％Ar+20％Co2；离焦量d为0-+20mm；激光束流采用预设的摆动模式；摆动模式包括：“|”，“○”以及“8”“∞”等多种模式；摆动频率：50-200Hz，摆动幅度：1.0-3.0mm，通过摆动以解决超高强钢大深熔焊的气孔问题。
填充焊接步骤：采用较小功率对U型坡口进行逐层填充；
具体地，所述填充焊接步骤采用：每层采用单层单道的方式进行逐层叠加填充，在填充时采用激光摆动并填充焊丝的复合焊接方式实现窄间隙坡口的填充。
具体地，所述填充焊接步骤采用：激光功率3000w-6000w，送丝速度为2m-8m/min；焊接速度为0.3-1.2m/min；离焦量d为0～+30mm；光丝间距为0-6mm；激光束流采用预设的摆动模式；所述摆动模式采用：“|”，“○”以及“8”“∞”等多种模式；摆动频率：50-200Hz，摆动幅度：1.0-4.0mm，通过摆动增加热源宽度，熔化侧壁并推动熔池向两侧流动，以很好地解决侧壁未熔合问题；保护气类型为纯度99.99％的Ar气或者80％Ar+20％的Co2。
具体地，所述填充焊丝的复合焊接方式采用：填充冷丝或热丝的复合焊接方式；
所述填充热丝是在焊丝送入熔池前由热丝焊接电源通过焊丝接触工件并与工件构成回路，基于电阻加热的原理对焊丝加热，通过加热焊丝，可以减少激光熔化焊丝的能量，提高填充效率；参数为：热丝电流为10-200A，电流脉冲频率为：10-100Hz，电压为8-10V。
焊下一层之前，对焊道进行清理，如大的飞溅颗粒或者氧化物等，然后用经过三滤的压缩空气将坡口内清理干净无污物；
对每层采用单道填充，每层焊道填充高度2-3mm；每焊完一层，焊枪上移一个标准距离，准备进行一层的焊接。
盖面焊接步骤：采用摆动激光、填丝复合的焊接方式对超窄间隙U型坡口进行盖面焊接。所述的激光摆动需要采用比填充焊更大的摆动幅度以及较大的填丝量以确保盖面饱满无咬边等缺陷。
具体地，所述盖面焊接步骤采用：为了提高效率，保证焊缝成形，盖面仍然采用单道一次盖面完成的方式进行盖面焊接；为此，需要采用稍大的激光功率、送丝速度以及摆动幅度。盖面宽度要适当超过熔池宽度1mm以上。盖面余高要大于0.3-1mm之间为宜。
所述盖面焊接步骤采用：激光功率4000w-6000w；送丝速度为2m-12m/min；焊接速度为0.3-1.2m/min；离焦量d为0～+40mm；光丝间距为0-6mm；激光束流采用预设的摆动模式；所述摆动模式采用：“|”，“○”以及“8”“∞”等多种模式；摆动频率：50-200Hz，摆动幅度：2.0-5.0mm，通过摆动增加热源宽度，并将熔焊的液态金属向两侧铺展，以保障良好的盖面成形，焊缝饱满圆润无咬边，余高大于0.3-1.0mm；保护气流量为10-20L/min；保护气类型为纯度99.99％的Ar气或者80％Ar+20％的Co2。
具体地，所述填丝复合的焊接方式包括冷丝焊接或热丝焊接；
所述热丝焊接采用：通过配置的焊接电源对焊丝在送入熔池前进行加热，参数为：热丝电流为10-200A，电流脉冲频率为：0-100Hz，电压,8-10V。
根据本发明提供的一种超高强钢，采用上述所述的超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法制备得到。
实施例2
实施例2是实施例1的优选例
本发明首先采用高激光功率，激光摆动搅拌熔池的方式，对大钝边进行深熔焊穿透焊接，实现大钝边的一次焊接成形，然后采用较小的功率激光摆动+填丝复合的方式对窄间隙U型坡口进行逐层填充，最后采用激光摆动+填丝复合的方式实现盖面焊接，填充和盖面均为单层单道。具体实施步骤如下：
步骤一：坡口加工：
材料为D406A航天超高强钢，板厚30mm。I型坡口钝边厚度为10mm，U型窄间隙填充坡口底部宽度为5mm，坡口角度0度，坡口等宽的目的是便于机器人自动化焊接，每次填充的焊接参数一样，填充的高度一样，大大简化了自动化生产的难度，也提高了焊接质量的可控性。
步骤二：焊前准备：
对窄间隙坡口及周边焊接区域进行机械打磨和化学清洗，以去除表面的氧化物和油污等，吹干后进行用夹具进行装配、固定，并确定复合焊枪的位置和姿态，并进行焊接路径编程；
具体为：激光加工头角度85度(与焊接方向)，送丝角度45度(与工件表面)，焊丝前置，光丝间距3mm；H10的焊丝，焊丝直径为1.2mm。
步骤三：打底焊接：
采用大功率激光对大钝边进行深熔焊穿透焊接，一次性穿透钝边并双面成形，所述的激光采用摆动激光方式，在深熔焊穿透大钝边的同时还对熔池进行搅拌，改善焊接成形。
不加焊丝，采用大功率激光深熔焊，并摆动激光对10mm钝边进行穿透焊接，实现单面焊双面成形。激光功率8000w-10000w；焊接速度为0.6m/min；保护气流量为15～20L/min；保护气为80％Ar+20％的Co2；离焦量d为10mm；激光束采用“○”圆形扫描方式，扫描频率：100Hz，扫描幅度：2.0mm，通过混合气体减小熔池表面张力，增加润湿性，通过激光束流的摆动搅拌熔池，加速气泡溢出，从而抑制气孔的产生。
步骤四：填充焊接：
采用较小功率对U型超窄间隙坡口进行逐层填充，每层采用单层单道的方式进行逐层叠加填充，在填充时采用激光摆动+填丝的复合焊接方式实现窄间隙坡口的填充。
采用采用较小功率激光摆动+热丝复合，对窄间隙U型坡口进行单层单道的逐层填充。激光功率3600-4000w，送丝速度为3-5m/min；焊接速度为0.6m/min；离焦量d为+20mm；光丝间距为3mm；激光束流采用“○”进行圆形扫描(实际扫描轨迹为螺旋线)，扫描频率150Hz，扫描幅度：2.0mm，通过摆动增加热源宽度，熔化侧壁并推动熔池向两侧流动，以很好地解决侧壁未熔合问题，保护气流量为15-20L/min，保护气为80％Ar+20％的Co2；为提高填充效率，采用热丝填充方式，热丝电流为120A，电源电压为10V，焊接电源为福尼斯的TPSi500A，选用恒流/恒压模式。
焊下一层之前，对焊道进行必要的清理，如大的飞溅颗粒或者氧化物等，然后用干燥、清洁的压缩空气将坡口内清理干净无污物。
焊道填充高度约为2.6mm，共需7到完成填充焊接，每焊完一层，焊枪上移一个标准距离，准备进行一层的焊接。
步骤五：盖面焊接：
采用摆动激光+填丝复合的方式进行窄间隙坡口的盖面焊接，所述的激光摆动需要采用较大的摆动幅度以及较大的填丝量以确保盖面饱满无咬边等缺陷。
为提高效率，保证焊缝成形，盖面仍然采用单道一次盖面完成的方式。为此，需要采用稍大的激光功率、送丝速度以及摆动幅度。盖面宽度要适当超过熔池宽度1mm以上。盖面余高要大于0.3-1mm之间为宜。盖面焊接参数为：
激光功率4200-4500w，送丝速度为4-6m/min；焊接速度为0.6m/min；离焦量d为+20mm；光丝间距为3mm；激光束流的摆动模式用“○”进行圆形扫描(实际扫描轨迹为螺旋线)，扫描频率50Hz，扫描幅度：3.0mm，通过摆动增加热源宽度，并将熔焊的液态金属向两侧铺展，以保障良好的盖面成形，焊缝饱满圆润无咬边，余高大于0.3-1.0mm。保护气流量为15-20L/min，保护气为80％Ar+20％的Co2；为提高填充效率，采用热丝填充方式，热丝电流为120A，电源电压为10V，焊接电源为福尼斯的TPSi500A，选用恒流/恒压模式。
在本实施例中，纯激光深熔焊打底1道，窄间隙填充7道，盖面1道，总共只需要9道即可完成30mm厚超高强钢的焊接。
实施例3
实施例3是实施例1的优选例
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一超高强钢厚板的激光摆动-填丝复合焊接方法，该焊接方法解决了现有技术中大钝边穿透焊接无法消除气孔，窄间隙无法解决侧壁未熔合，以及残余应力和热变形较大等缺陷，实现了超高强钢厚板的高质、高效焊接。
本发明首先采用高激光功率，激光摆动搅拌熔池的方式，对大钝边进行深熔焊穿透焊接，实现大钝边的一次焊接成形，然后采用较小的功率激光摆动+填丝复合的方式对窄间隙U型坡口进行逐层填充，最后采用激光摆动+填丝复合的方式实现盖面焊接，填充和盖面均为单层单道。具体实施步骤如下：
步骤一：坡口加工：
材料为30Cr3航天超高强钢，厚板16mm。I型钝边厚度为10mm，U型坡口底部宽度为4mm，坡口角度2度，坡口深度为6mm。当坡口的约束较小时，在进行窄间隙焊接时坡口会发生收缩，其目的仍然是在考虑焊缝收缩的情况下，实现逐层等高填充的目的，简化每层填充高度的调节，保证填充焊接质量的稳定性和一致性。
步骤二：焊前准备：
对窄间隙坡口及周边焊接区域进行机械打磨和化学清洗，以去除表面的氧化物和油污等，吹干后进行用夹具进行装配、固定，并确定复合焊枪的位置和姿态，并进行焊接路径编程；
具体为：激光加工头角度85度(与焊接方向)，送丝角度45度(与工件表面)，焊丝前置，光丝间距3mm；H10的焊丝，焊丝直径为1.2mm。
步骤三：打底焊接：
采用大功率激光对大钝边进行深熔焊穿透焊接，一次性穿透钝边并双面成形，所述的激光采用摆动激光方式，在深熔焊穿透大钝边的同时还对熔池进行搅拌，改善焊接成形。
不加焊丝，采用大功率激光深熔焊，并摆动激光对10mm钝边进行穿透焊接，实现单面焊双面成形。激光功率8000w-10000w；焊接速度为0.6m/min；保护气流量为15～20L/min；保护气为80％Ar+20％的Co2；离焦量d为10mm；激光束采用“|”垂直焊接方向左右摆动，摆动频率：100Hz，摆动幅度：2.0mm，通过混合气体减小熔池表面张力，增加润湿性，通过激光束流的摆动搅拌熔池，加速气泡溢出，从而抑制气孔的产生。
步骤四：填充焊接：
采用较小功率对U型超窄间隙坡口进行逐层填充，每层采用单层单道的方式进行逐层叠加填充，在填充时采用激光摆动+填丝的复合焊接方式实现窄间隙坡口的填充。
采用采用较小功率激光摆动+热丝复合，对窄间隙U型坡口进行单层单道的逐层填充。激光功率3600-4000w，送丝速度为3.0-5m/min；焊接速度为0.6m/min；离焦量d为+10mm；光丝间距为3mm；激光束流采用“|”垂直于焊接方向左右摆动，摆动频率100Hz，摆动幅度：2.0mm，通过摆动增加热源宽度，熔化侧壁并推动熔池向两侧流动，以很好地解决侧壁未熔合问题，保护气流量为15-20L/min，保护气为80％Ar+20％的Co2；为提高填充效率，采用热丝填充方式，热丝电流为120A，电源电压为10V，焊接电源为福尼斯的TPSi500A，选用恒流/恒压模式。
焊下一层之前，对焊道进行必要的清理，如大的飞溅颗粒或者氧化物等，然后用干燥、清洁的压缩空气将坡口内清理干净无污物。
焊道填充高度约为2.4mm，共需2道完成填充焊接。每焊完一层，焊枪上移一个标准距离，准备进行一层的焊接。
步骤五：盖面焊接：
采用摆动激光+填丝复合的方式进行窄间隙坡口的盖面焊接，所述的激光摆动需要采用较大的摆动幅度以及较大的填丝量以确保盖面饱满无咬边等缺陷。
为提高效率，保证焊缝成形，盖面仍然采用单道一次盖面完成的方式。为此，需要采用稍大的激光功率、送丝速度以及摆动幅度。盖面宽度要适当超过熔池宽度1mm以上。盖面余高要大于0.3-1mm之间为宜。盖面焊接参数为：
激光功率4200w，送丝速度为4-6m/min；焊接速度为0.6m/min；离焦量d为+30mm；光丝间距为3mm；激光束流的摆动模式用：“|”垂直于焊接方向左右摆动。摆动频率50Hz，摆动幅度：3.0mm，通过摆动增加热源宽度，并将熔焊的液态金属向两侧铺展，以保障良好的盖面成形，焊缝饱满圆润无咬边，余高大于0.3-1.0mm。保护气流量为10-20L/min；保护气为80％Ar+20％的Co2；为提高填充效率，采用热丝填充方式，热丝电流为120A，电源电压为10V，焊接电源为福尼斯的TPSi500A，选用恒流/恒压模式。
本实施例中，纯激光深熔焊打底1道，窄间隙填充2道，盖面1道，总共只需要4到即可完成16mm厚超高强钢的焊接。
针对大钝边，采用高功率激光深熔焊穿透焊接，可显著提高焊接效率，而通过激光摆动搅拌熔池，降低表面张力，加快熔池流动，可加快气孔上浮速度，有效解决气孔问题。而搅拌也促进了熔池传热和传质的均匀化，降低熔池各个部分的温度梯度，有助于解决激光深熔焊厚板焊接中凝固结晶裂纹现象。
而在窄间隙填充中，通过激光的摆动增大热源宽度，熔化侧壁同时推动熔池金属向侧壁移动，有效解决侧壁未熔合问题以及形状下凹型焊缝形貌，防止层间未熔合。
而在盖面焊接时，盖面焊道应该完全覆盖坡口区域且超出一定的宽度，而通过激光摆动增加热源跨度，并推动熔池金属向两侧移动，确保单道即可实现良好的盖面焊接。而激光搅拌熔池，加速熔池对流，也促进了熔池金属的铺展性和润湿性，可显著降低焊缝咬边的可能性，使焊缝饱满圆润，过渡圆滑光顺，无咬边，焊瘤等焊缝成形不良缺陷。
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 (6)

1.一种超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法，其特征在于，包括：
坡口加工步骤：将超高强钢厚板加工为钝边I型坡口和超窄间隙U型坡口形式；
焊前准备步骤：对坡口及周边焊接区域进行预处理，并用夹具进行装配、固定，确定复合焊枪的位置和姿态，进行焊接路径编程；
打底焊接步骤：采用大功率激光对I型坡口进行深熔焊穿透焊接；
填充焊接步骤：采用满足预设要求的功率对U型坡口进行逐层填充；
盖面焊接步骤：采用摆动激光、填丝复合的焊接方式对超窄间隙U型坡口进行盖面焊接；
所述打底焊接步骤采用：采用激光摆动并大功率深熔焊方式焊接I型坡口，一次性穿透钝边并双面成形，同时通过激光摆动对熔池进行搅拌；
所述填充焊接步骤采用：每层采用单层单道的方式进行逐层叠加填充，在填充时采用激光摆动并填充焊丝的复合焊接方式实现窄间隙坡口的填充；
所述超高强钢厚板为D406A航天超高强钢；
所述钝边I型坡口为钝边的坡口角度为0度的直边形式；钝边厚度为6-30mm；所述的超窄间隙U型坡口为坡口角度为0-3度，底部坡口宽度为2mm-5mm；
所述打底焊接步骤采用：激光功率5000-30000W；焊接速度为0.4-1.6m/min；保护气流量为15-20L/min；保护气类型为纯度99.99％的Ar气或者80％Ar+20％Co2；离焦量d为0-+20mm；激光束流采用预设的摆动模式；摆动频率：50-200Hz，摆动幅度：1.0-3.0mm。
2.根据权利要求1所述的超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法，其特征在于，所述焊前准备步骤采用：对坡口及周边焊接区域进行机械打磨和化学清洗，去除表面的氧化物和油污，吹干后用夹具进行装配及固定。
3.根据权利要求1所述的超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法，其特征在于，所述填充焊接步骤采用：激光功率3000w-6000w，送丝速度为2m-8m/min；焊接速度为0.3-1.2m/min；离焦量d为0～+30mm；光丝间距为0-6mm；激光束流采用预设的摆动模式；摆动频率：50-200Hz，摆动幅度：1.0-4.0mm；保护气类型为纯度99.99％的Ar气或者80％Ar+20％的Co2。
4.根据权利要求1所述的超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法，其特征在于，所述填充焊丝的复合焊接方式采用：填充冷丝或热丝的复合焊接方式；
所述填充热丝是在焊丝送入熔池前由热丝焊接电源通过焊丝接触工件并与工件构成回路，基于电阻加热的原理对焊丝加热；
焊下一层之前，对焊道进行清理，然后用经过三滤的压缩空气将坡口内清理干净无污物；
对每层采用单道填充，每层焊道填充高度2-3mm；每焊完一层，焊枪上移一个标准距离，准备进行一层的焊接。
5.根据权利要求1所述的超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法，其特征在于，所述盖面焊接步骤采用：采用单道一次盖面完成的方式进行盖面焊接；
所述盖面焊接步骤采用：激光功率4000w-6000w；送丝速度为2m-12m/min；焊接速度为0.3-1.2m/min；离焦量d为0～+40mm；光丝间距为0-6mm；激光束流采用预设的摆动模式；摆动频率：50-200Hz，摆动幅度：2.0-5.0mm，通过摆动增加热源宽度，并将熔焊的液态金属向两侧铺展，以保障良好的盖面成形，焊缝饱满圆润无咬边，余高大于0.3-1.0mm；保护气流量为10-20L/min；保护气类型为纯度99.99％的Ar气或者80％Ar+20％的Co2；
所述盖面的填充焊丝可以为冷丝或者热丝，所述热丝是在焊丝送入熔池前由热丝焊接电源通过焊丝接触工件并与工件构成回路，基于电阻加热的原理对焊丝加热；所述热丝的焊接参数为：热丝电流为10-200A，电流脉冲频率为：10-100Hz，电压为8-10V。
6.一种超高强钢，其特征在于，采用权利要求1至5中任一权利要求所述的超高强钢厚板的窄间隙激光摆动-填丝复合焊接方法制备得到。
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