CN114850664B - 一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法及装置，包括坡口设计，打底焊和多层填充焊。本发明通GMAW焊枪产生的液态熔滴与形成匙孔的第二激光束有一定距离，即液态熔滴与匙孔的距离较远，可降低液态熔滴对匙孔的直接冲击，解决因形成熔池的激光熔化焊丝，而造成焊丝熔化后的熔滴冲击甚至堵塞匙孔，很难实现双侧匙孔贯通，降低匙孔稳定性的问题；双面对称布置热源的立向上焊可提高母材两侧受热的对称性，使两侧热源充分复合，保证了焊接的精度性，可大大降低焊接应力引起的变形，同时降低了中厚板立向上焊的填充道次，提高了焊接效率。

Description

一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法及装置
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法及装置。
背景技术
立焊作为全位置焊的重要组成部分之一，大型的金属结构件的焊接必须采用立向焊接。由于焊接难度比较大，很大程度上依旧依赖于手工电弧焊和电渣焊，手工电弧焊焊接效率低，需要专业培训的焊接技工。电渣焊虽热输入高，焊接效率高，但组织过热常引起焊接接头性能降。如何有效提高立焊的焊接效率和焊接质量是目前面临的重要问题。
激光焊具有能量密度高、同等热输入时熔深大、热影响区窄、焊接变形小等优点。中国专利一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法(授权公告号：CN 112719588 B)，公开了采用双侧激光焊接方式。但是此种方法由于焊丝需要激光的能量熔化，会造成作用于焊接工件的激光能量利用率降低，而且焊丝熔化后距离匙孔很近，焊丝熔化后的熔滴会冲击甚至堵塞匙孔，很难实现双侧匙孔贯通，这样降低了匙孔的稳定性。而且此方法，填充焊完成后，需要机械清洗或者激光清洗，用高压空气吹去覆盖在焊缝和坡口内的烟尘以及焊渣，降低了焊接效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现提高激光焊接能量利用率、提高中厚板多层焊接效率；解决因形成熔池的激光熔化焊丝，而造成焊丝熔化后的熔滴冲击甚至堵塞匙孔，很难实现双侧匙孔贯通，降低匙孔稳定性的问题，降低焊缝气孔率，提高焊接过程的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法，包括：
S1坡口设计：去除待焊工件表面杂质，将两个所述待焊工件加工出坡口，并将两个所述待焊工件固定在工作台上；
S2打底焊：在所述待焊工件两侧分别对称布置激光器，喷气系统和GMAW焊枪；两侧所述激光器和GMAW焊枪沿所述坡口的根部同步摆动，自熔焊接；所述喷气系统在焊接的过程中持续不断的喷出保护气，实施立向上焊；所述GMAW焊枪的焊丝尖端与所述待焊工件上激光光斑相切；
S3多层填充焊：在所述待焊工件两侧对称设置激光器，喷气系统，TIG焊枪和所述GMAW焊枪，采用多层填充焊接；两侧所述TIG焊枪和GMAW焊枪同步进丝，两侧所述激光器同步对所述坡口填充焊接；所述TIG焊枪和GMAW焊枪的电流输出类型为连续输出或脉冲输出。
进一步的，打底焊与填充焊均是在焊缝的两侧进行焊接。
进一步的，本发明中双面对称布置热源同步摆动的立向上焊，可解决多层焊接时侧壁未熔合的焊接缺陷，提高焊缝力学性能。
所述待焊工件的坡口形状为I型或双V型。
所述GMAW焊枪上安装有超声变幅杆，用于预先清理上一焊缝和所述坡口内的杂质。
所述激光器可同时激发出第一激光束和第二激光束；步骤二中，所述第一激光束与所述GMAW焊枪的间距小于所述第二激光束和所述所述GMAW焊枪的间距；
所述第一激光束的功率为100W-1000W，第二激光束的功率为2000W-10000W；所述第一激光束和第二激光束的热源距离为0.6-4mm；所述第一激光束和GMAW焊枪的热源间距为0.1-5mm；所述待焊工件的厚度为4.5-19mm。
所述喷气系统所喷出的保护气的流量和方向可调；步骤三和四中，GMAW焊枪的焊丝熔化成液态金属从熔池前方过渡进入所述熔池；所述熔池内会向下流淌金属液，所述保护气用于对所述金属液托举支撑，帮助焊缝成形。
一种中厚板激光电弧双面同步立焊装置，包括GMAW焊枪，超声变幅杆，激光器，喷气系统，摆动装置和TIG焊枪；所述GMAW焊枪和TIG焊枪分设于所述坡口两侧，所述摆动装置设置有两个，且分别设置于所述坡口两侧，所述摆动装置与所述激光器及GMAW焊枪固定连接；所述GMAW焊枪和TIG焊枪上均安装有所述超声变幅杆；每一所述GMAW焊枪或TIG焊枪上均同轴安装有一所述喷气系统。
两所述摆动装置的运动方向与所述GMAW焊枪的焊接方向相垂直。
本发明公开了以下技术效果：因GMAW焊枪产生的液态熔滴与形成匙孔的第二激光束有一定距离，即液态熔滴与匙孔的距离较远，可降低液态熔滴对匙孔的直接冲击。解决因形成熔池的激光熔化焊丝，而造成焊丝熔化后的熔滴冲击甚至堵塞匙孔，很难实现双侧匙孔贯通，降低匙孔稳定性、焊缝气孔率高的问题。
第一激光束与GMAW焊枪的焊丝距离较近，这样不但增强激光吸引压缩电弧特性，而且增大GMAW电弧挺度进而提高熔滴过渡的稳定性和熔滴过渡频率，进一步增强了熔滴对熔池的搅拌作用，提高了熔池的稳定性，同时提高了焊接效率。
填充焊时，沿焊接方向，GMAW焊枪在前，GMAW焊枪上安装超声变幅杆，可预先清理上一道焊缝和坡口内的烟尘以及焊渣、氧化膜等表面杂质，这样极大程度上提高了焊接效率。
双面对称布置热源的立向上焊可提高母材两侧受热的对称性，使两侧热源充分复合，保证了焊接的精度性，可大大降低焊接应力引起的变形，同时降低了中厚板立向上焊的填充道次，提高了焊接效率。
GMAW焊枪的焊丝熔化成液态金属从熔池前方过渡进入熔池，可解决立向上焊受重力影响，匙孔前方熔池金属下流而形成“空腔”的问题。而且熔滴填充的方向与熔池表面金属流动的方向相同可提高焊缝组织的均匀性。这种热源排布方式可避免焊接裂纹的产生，提高焊缝成型质量。
喷气系统在焊接过程中源源不断的喷出大量保护气喷气系统可变换喷出的保护气的流量和方向，从而可避免立向上焊过程受重力的影响，熔池金属下淌的问题。通过保护气对熔池下淌金属起到托举支撑作用，提高熔池的稳定性，有利于获得良好的焊缝成型。
双面对称布置热源同步摆动的立向上焊，可解决多层焊接时侧壁未熔合的焊接缺陷，提高焊缝力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法及装置-打底焊工作原理图；
图2为一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法及装置-填充焊工作原理图；
图3为中厚板双侧摆动激光填丝同步立向上焊的焊缝纵截面示意图；
图4为本发明中厚板激光电弧双面同步立向上焊的焊缝纵截面示意图；
其中，1为立焊的焊接工件，2为GMAW焊枪，3为超声变幅杆，4为第一激光束，5为第二激光束，6为喷气系统，7为TIG焊枪，8为喷气系统喷射的保护气，9为焊缝，10为熔池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法，包括：
S1坡口设计：去除待焊工件表面杂质，将两个待焊工件加工出坡口，并将两个待焊工件固定在工作台上；
S2打底焊：在待焊工件两侧分别对称布置激光器，喷气系统和GMAW焊枪；两侧激光器和GMAW焊枪沿坡口的根部同步摆动，自熔焊接；喷气系统在焊接的过程中持续不断的喷出保护气，实施立向上焊；GMAW焊枪的焊丝尖端与待焊工件上激光光斑相切；
S3多层填充焊：在待焊工件两侧对称设置激光器，喷气系统，TIG焊枪和GMAW焊枪，采用多层填充焊接；两侧TIG焊枪和GMAW焊枪同步进丝，两侧激光器同步对坡口填充焊接；TIG焊枪和GMAW焊枪的电流输出类型为连续输出或脉冲输出。
待焊工件1的坡口形状为I型或双V型。
GMAW焊枪2上安装有超声变幅杆3，用于预先清理上一焊缝和坡口内的杂质。
激光器可同时激发出第一激光束4和第二激光束5；步骤二中，第一激光束4与GMAW焊枪2的间距小于第二激光束5和GMAW焊枪2的间距；
第一激光束4的功率为100W-1000W，第二激光束5的功率为2000W-10000W；第一激光束4和第二激光束5的热源距离为0.6-4mm；第一激光束4和GMAW焊枪2的热源间距为0.1-5mm；待焊工件的厚度为4.5-19mm。
进一步的，中厚板的厚度值是通过根据国家标准GB/T15574-2016得出的。
喷气系统6所喷出的保护气的流量和方向可调；步骤三和四中，GMAW焊枪2的焊丝熔化成液态金属从熔池10前方过渡进入熔池10；熔池10内会向下流淌金属液，保护气8用于对金属液托举支撑，帮助焊缝9成形。
进一步的，步骤三和四中GMAW焊枪2设置于TIG焊枪7焊接前方，GMAW焊枪2的焊丝熔化成液态金属从熔池10前方过渡进入熔池10；与TIG焊枪7同轴喷出的保护气8用于对金属液托举支撑，帮助焊缝9成形。
一种中厚板激光电弧双面同步立焊装置，包括GMAW焊枪2，超声变幅杆3，激光器，喷气系统6，摆动装置和TIG焊枪7；GMAW焊枪2和TIG焊枪7分设于坡口两侧，摆动装置设置有两个，且分别设置于坡口两侧，摆动装置与激光器及GMAW焊枪2固定连接；GMAW焊枪2和TIG焊枪7上均安装有超声变幅杆3；每一GMAW焊枪2或TIG焊枪7上均同轴安装有一喷气系统6。
在本发明的一个实施例中，步骤二中喷气系统6与GMAW焊枪2同轴设置，步骤三种喷气系统6与TIG焊枪7同轴设置；两摆动装置的运动方向与GMAW焊枪2的焊接方向相垂直。
由图3可知，焊缝表面凹凸不平，而且焊缝纵截面有气孔缺陷。主要是因为此种方法由于焊丝需要激光的能量熔化，会造成作用于焊接工件的激光能量利用率降低，而且焊丝熔化后距离匙孔很近，焊丝熔化后的熔滴会冲击甚至堵塞匙孔，很难实现双侧匙孔贯通，这样降低了匙孔的稳定性，容易产生焊接气泡，最终在焊缝中形成气孔缺陷。立向上焊，受重力的影响熔池金属下淌，加之焊板两侧匙孔稳定性差产生的蒸气作用力的不稳定，因此焊缝表面凹凸不平。
由图4可知，本发明的中厚板激光电弧双面同步立向上焊的焊缝纵截面成型良好，焊缝气孔较少；这是因为GMAW焊枪2产生的液态熔滴与形成匙孔的大能量的激光束有一定距离，即液态熔滴与匙孔的距离较远，可降低液态熔滴对匙孔的直接冲击，提高了匙孔稳定性、焊缝气孔率低。填充时，沿焊接方向在对接立焊板的两侧分别依次对称布置GMAW焊枪2、第一激光束4、第二激光束5、TIG焊枪7。GMAW焊枪2的焊丝熔化成液态金属从熔池前方过渡进入熔池，可解决立向上焊受重力影响，匙孔前方熔池金属下流而形成“空腔”的问题。喷气系统在焊接过程中源源不断的喷出大量保护气，喷气系统可变换喷出的保护气的流量和方向，从而可避免立向上焊过程受重力的影响，熔池金属下淌的问题。通过保护气对熔池下淌金属起到托举支撑作用，提高熔池的稳定性，有利于获得良好的焊缝成型。
在本发明的一个实施例中，打底焊时，沿焊接方向，第一激光束4位于第二激光束5的后方，GMAW电弧位于第一激光束4后方，可以使熔池10拉长，可细化晶粒，降低裂纹缺陷，同时借助GMAW电弧同轴安装有一喷气系统，这样可降低熔池10受重力影响出现的焊缝表面凹凸不平的形貌。
进一步的，打底焊时，沿焊接方向，第一激光束4的离焦量为0mm，这样激光是聚焦状态有利于吸引压缩GMAW电弧，第二激光束5离焦量为-0.1--7mm，为负离焦有利于形成较大的熔深，提高焊接效率。
打底焊时，第一激光束4功率为100W-500W(因为第一激光束4在第二激光束5后方也就是说小能量的激光束在第二激光束5形成的熔池10后方，因此无需过大的能量)，第二激光束5功率为3000W-10000W。
打底焊，焊接速度为1m/min-6m/min，GMAW电流为40-300A，超声变幅杆的超声振动频率为2-600kHz，振动幅度为1-200um，喷气系统6保护气流量为：10-60L/min。
填充焊时，沿焊接方向，GMAW电弧在前，GMAW焊枪的焊丝熔化成液态金属从熔池10前方过渡进入熔池，可解决立向上焊受重力影响，匙孔前方熔池金属下流而形成“空腔”的问题。而且熔滴填充的方向与熔池表面金属流动的方向相同可提高焊缝组织的均匀性。这种热源排布方式可避免焊接裂纹的产生，提高焊缝成型质量。GMAW焊枪2上安装超声变幅杆3，可预先清理上一道焊缝和坡口内的烟尘以及焊渣、氧化膜等表面杂质，这样极大程度上提高了焊接效率。
再次填充焊时，沿焊接方向，TIG电弧在大能量的激光束后方，可以使熔池拉长，可细化晶粒，降低裂纹缺陷，同时借助TIG电弧同轴安装有一所述喷气系统，这样可降低熔池受重力影响出现的焊缝表面凹凸不平的形貌。
进一步的，填充焊时，沿焊接方向，第一激光束4的离焦量为0mm--0.5mm，第二激光束5离焦量为-1--7mm，为负离焦有利于形成较大的熔深，降低填充层数，提高焊接效率。
填充焊时，小能量的激光束的功率为300W-1000W(因为第一激光束4在第二激光束5前方不但要预热母材而且要吸引压缩GMAW电弧，因此激光功率不能过低)，第二激光束5功率为2000W-9000W。
填充焊，焊接速度为1m/min-4m/min，GMAW电流为80-500A，超声变幅杆的超声振动频率为60-800kHz，振动幅度为1-200um，TIG电流为10-300A，喷气系统6保护气流量为：15-90L/min
进一步的，负离焦时激光熔透的深度更大，不但可以降低填充层的数量，而且可以提高双侧第二激光束5的相互贯通性，当双侧匙孔相互贯通时可提高匙孔的稳定性，同时有利于熔池10气泡从匙孔中逃逸出来，降低焊缝气孔率。
在本发明的一个实施例中，第一激光束4的功率为100W-1000W，第二激光束5功率为2000W-10000W，焊接速度为1m/min-6m/min，GMAW电流为40-500A，TIG电流为10-300A，喷气系统6保护气流量为：10-90L/min，第一激光束4与第二激光束5的热源距离为：0.6-4mm，第一激光束4与GMAW的热源间距为：0.1-5mm，摆动装置的最大摆动速度为2000mm/s，最大摆动频率为100Hz，超声变幅杆3的超声振动频率为2-800kHz，振动幅度为1-200um。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种厚板激光电弧双面同步立焊方法，其特征在于，包括：
S1 坡口设计：去除待焊工件表面杂质，将两个所述待焊工件加工出坡口，并将两个所述待焊工件固定在工作台上；
S2 打底焊：在所述待焊工件两侧分别对称布置激光器，喷气系统和GMAW焊枪；两侧所述激光器和GMAW焊枪沿所述坡口的根部同步摆动；所述喷气系统在焊接的过程中持续不断的喷出保护气，实施立向上焊；所述GMAW焊枪的焊丝尖端与所述待焊工件上激光光斑相切；
S3 多层填充焊：在所述待焊工件两侧对称设置激光器，喷气系统，TIG焊枪和所述GMAW焊枪，采用多层填充焊接；两侧所述TIG焊枪和GMAW焊枪同步进丝，两侧所述激光器同步对所述坡口填充焊接；所述TIG焊枪和GMAW焊枪的电流输出类型为连续输出或脉冲输出；
所述GMAW焊枪（2）上安装有超声变幅杆（3），用于预先清理上一焊缝和所述坡口内的杂质；所述激光器可同时激发出第一激光束（4）和第二激光束（5）；S2中，所述第一激光束（4）与所述GMAW焊枪（2）的间距小于所述第二激光束（5）和所述所述GMAW焊枪（2）的间距；
所述第一激光束（4）的功率为100W-1000W，第二激光束（5）的功率为2000W-10000W；所述第一激光束（4）和第二激光束（5）的热源距离为0.6-4mm；所述第一激光束（4）和GMAW焊枪（2）的热源间距为0.1-5mm；所述待焊工件的厚度为4.5-19mm；
所述喷气系统（6）所喷出的保护气的流量和方向可调；S3中，GMAW焊枪（2）的焊丝熔化成液态金属从熔池（10）前方过渡进入所述熔池（10）；所述熔池（10）内会向下流淌金属液，所述保护气用于对所述金属液托举支撑，帮助焊缝（9）成形。
2.根据权利要求1所述的一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法，其特征在于：所述待焊工件（1）的坡口形状为I型或双V 型。
3.一种中厚板激光电弧双面同步立焊装置，用于权利要求1所述的一种中厚板激光电弧双面同步立焊方法，其特征在于：包括GMAW焊枪（2），超声变幅杆（3），激光器，喷气系统（6），摆动装置和TIG焊枪（7）；所述GMAW焊枪（2）和TIG焊枪（7）分设于所述坡口两侧，所述摆动装置设置有两个，且分别设置于所述坡口两侧，所述摆动装置与所述激光器及GMAW焊枪（2）固定连接；所述GMAW焊枪（2）上安装有所述超声变幅杆（3）；每一所述GMAW焊枪（2）或TIG焊枪（7）上均同轴安装有一所述喷气系统（6）。
4.根据权利要求3所述的一种中厚板激光电弧双面同步立焊装置，其特征在于：两所述摆动装置的运动方向与所述GMAW焊枪（2）的焊接方向相垂直。
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