CN115488509A - 一种复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合焊接方法，涉及材料加工工程技术领域，包括步骤：确定坡口加工形式；设定前导激光和后侧激光的离焦量、激光功率，前导电弧和后侧电弧的焊接电流、焊接速度；设定前导激光与前导电弧的距离、后侧激光与后侧电弧的距离、前导激光与后侧激光的距离；设定设备随焊接轨迹变化时的启停信号时序，设备的启动信号在同一位置，结束信号的触发也在同一位置；步骤五，检查设备的工作状态是否正常；步骤六，启动设备开始焊接。本发明既可用于中厚板的一次成形焊接，也可用于厚板的多层多道焊接，可以获得可靠的单面焊双面成形。

Description

一种复合焊接方法

技术领域

本发明涉及材料加工工程技术领域，特别是涉及一种复合焊接方法。

背景技术

相较于单激光焊接和单电弧焊接，激光电弧复合焊接是一种热输入低、焊接变形小、焊接效率高的优质焊接技术，在工程领域的应用范围也在不断加大。常规的激光电弧复合焊接一般指单激光与单电弧进行复合，两个热源共同作用于一个液态熔池内，具有焊接速度快、焊接变形小等优势，特别是对于中薄板的焊接，易于实现可靠的单面焊双面成形。当前在采用激光-电弧复合焊接中厚板时，通常采用万瓦级以上高功率激光与电弧复合来实现大熔深穿透焊接。一般而言随着板厚的增加和激光功率的增大，其焊接可靠性和焊接质量越来越差，不仅难以获得可靠的单面焊双面成形，而且容易产生焊缝气孔、焊接裂纹、表面飞溅和焊缝咬边等缺欠，这已经成为制约激光-电弧复合焊接技术在中厚板焊接中应用推广的最大技术屏障。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合焊接方法，以解决上述现有技术存在的问题，既可用于中厚板的一次成形焊接，也可用于厚板的多层多道焊接，可以获得可靠的单面焊双面成形。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种复合焊接方法，包括如下步骤：

步骤一，确定坡口加工形式；

步骤二，分别设定前导激光和后侧激光的离焦量、激光功率，前导电弧和后侧电弧的焊接电流、焊接速度；

步骤三，分别设定前导激光与前导电弧的距离、后侧激光与后侧电弧的距离、前导激光与后侧激光之间的距离，前导电弧位于前导激光辐照区的前端，而后侧电弧则位于后侧激光辐照区的后端；

步骤四，分别设定前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备随焊接轨迹变化时的启停信号时序，前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备的启动信号在同一位置，结束信号的触发也在同一位置；

步骤五，检查前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备、后侧弧焊设备、预热设备、控冷设备的工作状态是否正常；

步骤六，启动设备开始焊接。

可选的，步骤2中，在需要光束摆动的情况下，分别设定前导激光和后侧激光的摆动参数，摆动参数包括前导激光和后侧激光的摆动频率、摆动幅度、摆动方向，前导激光和后侧激光具有独立控制的光束摆动功能，可以以一定的频率和摆幅进行光束摆动，可以根据需要设定为摆动焊接或非摆动焊接；本申请限定了是一定频率和摆幅的光束进行摆动，而且是根据坡口间隙的变化自适应调整，在摆动焊接模式下，前导激光可以根据坡口间隙的变化自适应调整光束摆动幅度和激光功率，以确保打底焊缝侧壁和根部的可靠熔透，后侧激光的摆动幅度相对较大，以防止产生侧壁未熔合，确保盖面焊缝的焊接质量。

可选的，前导激光和后侧激光沿着焊接方向串行排列，前导激光与位于焊接方向最前端的前导电弧复合，所形成的焊道统称为打底焊道，需要形成根部穿透焊接，因此前导激光的功率较大，后侧激光与位于焊接方向最后端的后侧电弧复合，所形成的焊道根据坡口形式不同称为填充焊道或盖面焊道，需要的激光功率相对较小，主要是实现与电弧热源的耦合，起到增加电弧稳定性并防止产生未熔合缺陷的作用。该焊接方法既可用于中厚板的一次成形焊接，也可用于厚板的多层多道焊接，前导电弧熔化焊丝和母材后形成的液态熔池具有较好的搭桥能力，可在大错边和大间隙的复杂工况下实现高质量打底焊接，提高打底焊工艺对错边和间隙的工况适应能力，后侧电弧功率相对较大，以获得较高的熔敷金属来实现高效的盖面填充。在上述不同焊接应用过程中，不同位置的激光和电弧所发挥的作用各不相同。

可选的，前导电弧为非熔化极气体保护焊电弧或单丝熔化极气体保护焊电弧；后侧电弧为单丝熔化极气体保护焊电弧或双丝熔化极气体保护焊电弧。

可选的，前导电弧和前导激光的距离为1-20mm；后侧激光和后侧电弧的距离为1-10mm；前导激光和后侧激光的距离为10-400mm。

可选的，所述前导激光和后侧激光的摆动频率为0-300Hz，摆动幅度为0-10mm。

在厚板工件多层多道焊接成形过程中：(1)打底焊接过程与上述要求相同；(2)多道填充焊接过程，前导激光和后侧激光均采用相对较小的激光功率，两束激光与两个电弧分别耦合后，电弧稳定性显著提高，两束激光均采用相对较大的摆幅，以获得可靠的焊缝熔合质量，防止焊接出现未熔合等缺陷；(3)两个电弧均选择相对较大的电弧功率，以获得相对较高的熔敷效率来实现高效填充。

在焊接过程中协同控制两个光束的激光功率、光丝间距和电弧参数，可以实现对液态熔池流动过程的稳定控制，进而实现对焊缝正、背面余高和宽度的可靠调控。在空间位置布局上，前导电弧和前导激光的距离L1设定范围为1-20mm；后侧激光和后侧电弧的距离L2设定范围为1-10mm；前导激光和后侧激光的距离L0为10-400mm。在解决问题的方法上，通过调整热源间距配合合适的工艺参数可实现对焊缝热循环的精准调控；工艺参数包括前导电弧电流、后侧电弧电流、前导激光功率和后侧激光功率，以及复合热源之间的间距。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

相较于传统的激光电弧复合焊接，本发明具有更高的焊接效率和更为可靠的焊接质量，可单道一次性实现单面焊双面成形，可焊接工件厚度提升50％，熔敷金属的效率提高2-3倍，特别是在焊接厚度为10-30mm结构件时，可实现可靠的单面焊双面成形。本发明通过焊接工艺参数的调控可实现单面焊双面成形，满足厚板的单侧一次焊接成形需求，极大的降低设备的投入成本；在工艺技术路线上，本发明前导电弧是熔化极电弧，可以有效的保证工况适应性，同时可以添加金属更好的控制焊缝背面成形。利用前导电弧形成液态金属的自流动填充和前导激光对坡口间隙的自适应控制，可显著提高打底焊接过程中对坡口间隙、错边等工况的适应能力，提高打底层的焊接质量。通过协同控制两个激光和两个电弧的热输入量、前导激光与前导电弧的距离L1、后侧激光与后侧电弧的距离L2、前导激光与后侧激光之间的距离L0和焊接速度，可以实现高强钢的无预热焊接。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明复合焊接方法焊接过程示意图；

附图标记说明：1-前导激光、2-后侧激光、3-前导激光聚焦镜、4-后侧激光聚焦镜、5-前导电弧焊炬、6-后侧电弧焊炬、7-前导电弧、8-后侧电弧、9-基体。

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。

本发明的目的是提供一种复合焊接方法，以解决上述现有技术存在的问题，既可用于中厚板的一次成形焊接，也可用于厚板的多层多道焊接，可以获得可靠的单面焊双面成形。

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。

本发明提供一种复合焊接方法，包括如下步骤：

步骤一：根据具体焊接技术要求，依据激光器功率和电弧填充能力确定基体9的坡口加工形式；

步骤二：分别设定前导激光1和后侧激光2的离焦量f1和f2，两个光束的激光功率P1和P2，在需要光束摆动的情况下，摆动参数包括摆动频率F1和F2，摆动幅度D1和D2和两个光束的摆动方向，前导电弧7和后侧电弧8的焊接电流A1和A2，以及焊接速度V；

步骤三：分别设定前导激光1与前导电弧7的距离L1、后侧激光2与后侧电弧8的距离L2、前导激光1与后侧激光2之间的距离L0；

步骤四：根据焊接样件特征，分别设定前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备随焊接轨迹变化时的启停信号时序，前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备的启动信号在同一位置，结束信号的触发也在同一位置，前导激光设备包括前导激光聚焦镜3，后侧激光设备包括后侧激光聚焦镜4，前导弧焊设备包括前导电弧焊炬5，后侧弧焊设备包括后侧电弧焊炬6；

步骤五：检查设备激光设备、从焊枪设备、主焊枪设备、预热设备、控冷设备的工作状态是否正常；

步骤六：启动设备开始焊接，焊接状态如图1所示，图1中水平箭头方向为焊接方向。

实施案例1：

综合该方法的技术要点，以20mm厚Q1100高强钢焊接试板为例进行说明，其单块试板的具体尺寸为1000*400*20mm，所用焊丝牌号为ER120S-G，要求焊后无裂纹、气孔等明显缺陷，实现单面焊双面成形，依据该技术要求，其具体焊接操作步骤如下：

步骤一：根据具体焊接技术要求，在两个激光器最大输出功率分别为30kW和6kW时，将焊缝坡口定为Y型，钝边厚度定为12mm，双边角度设定为40°；

步骤二：分别设定前导激光1离焦量f1为-3mm，后侧激光2的离焦量f2为+8mm，前导激光1的摆动频率F1为50HZ，后侧激光2的摆动频率F2为300HZ，前导激光1的摆动幅度D1为2mm，后侧激光2的摆动幅度D2为5mm，前导激光1的摆动方向采用正向摆动，后侧激光2的摆动方式采用反向摆动，前导激光1的输出激光功率P1为8kW，后侧激光2的输出激光功率P2为2kW，前导电弧7的焊接电流A1为240A，后侧电弧8的焊接电流A2为270A，焊接速度V为0.8m/min；

步骤三：分别设定前导激光1与前导电弧7的距离L1为4mm、后侧激光2与后侧电弧8的距离L2为6mm、前导激光1与后侧激光2之间的距离L0为40mm；

步骤四：根据焊接样件特征，分别设定前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备随焊接轨迹变化时的启停信号，前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备的启动信号在同一位置，结束信号的触发也在同一位置；

步骤五：检查设备激光设备、从焊枪设备、主焊枪设备、预热设备、控冷设备的工作状态是否正常；

步骤六：启动设备开始焊接。

针对20mm厚Q1100高强钢，利用常规电弧或激光电弧复合焊接方法均需要经过多道多层焊接，焊接效率低，采用该方法只需一次焊接即可完成该厚度材料的单面焊双面成形工艺控制，焊接效率提高2.5倍以上；且该材料在以往的焊接过程中，均需要焊前预热，即增加了焊接工序控制难度，也增加了焊接成本，采用该工艺通过前导激光1与前导电弧7，后侧激光2与后侧电弧8，以及两激光与后激光束距离L0的联合调节，实现了对焊接过程热循环的精准调控，无需复杂的预热过程即可实现无裂纹、高质量焊接。

实施案例2：

以大厚度Q960E高强钢T型焊接样件为例进行说明，其立板尺寸为1000*500*50mm，平板尺寸为1000*400*40mm，前导电弧所用焊丝牌号为ER100S-G，后侧电弧所用焊丝牌号为E120S-G，要求焊接结构无气孔、裂纹、咬边等明显缺陷，焊角尺寸为15mm，采用双面焊接方法进行施焊，依据该技术要求，其具体焊接操作步骤如下：

步骤一：根据具体焊接技术要求，前导激光1用激光器最大输出功率为20kW，后侧激光2用激光器最大输出功率为6kW，焊缝不加工坡口，焊枪与水平工件焦距为45°，激光枪与水平方向夹角为30°；

步骤二：分别设定前导激光1离焦量f1为0mm，后侧激光2的离焦量f2为+5mm，前导激光1采用单激光不摆动焊接模式，后侧激光2的摆动频率F2为300HZ，后侧激光2的摆动幅度D2为8mm，后侧激光2沿焊接方向为顺时针摆动，前导激光1输出激光功率P1为15kW，后侧激光2的输出激光功率P2为5kW，前导电弧7的焊接电流A1为160A，后侧电弧8的焊接电流A2为280A，焊接速度V为1.2m/min；

步骤三：分别设定前导激光1与前导电弧7的距离L1为3mm、后侧激光2与后侧电弧8的距离L2为5mm、前导激光1与后侧激光2之间的距离L0为80mm；

步骤四：根据焊接样件特征，分别设定前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备随焊接轨迹变化时的启停信号，前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备的启动信号在同一位置，结束信号的触发也在同一位置；

步骤五：检查设备激光设备、从焊枪设备、主焊枪设备、预热设备、控冷设备的工作状态是否正常；

步骤六：启动设备开始一侧焊接。

步骤七：一侧焊接完成后，将工件翻转，重复步骤四至步骤六即可完成整个工件的焊接。

针对Q960E高强钢T型接头焊接变形大，焊接效率低、多道多层焊接焊缝内部缺陷多等技术难题，采用提出的双光束扫描激光电弧复合焊接方法只需要两侧经过两道双面焊接即可解决，与传统弧焊技术相比，该方法无需预热，焊缝无裂纹，焊接效率提升了600％，焊缝内部气孔率降低了87％，无层间未熔合等缺陷。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种复合焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，确定坡口加工形式；

步骤二，分别设定前导激光和后侧激光的离焦量、激光功率，前导电弧和后侧电弧的焊接电流、焊接速度；

步骤三，分别设定前导激光与前导电弧的距离、后侧激光与后侧电弧的距离、前导激光与后侧激光之间的距离；

步骤四，分别设定前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备随焊接轨迹变化时的启停信号时序，前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备和后侧弧焊设备的启动信号在同一位置，结束信号的触发也在同一位置；

步骤五，检查前导激光设备、前导弧焊设备、后侧激光设备、后侧弧焊设备、预热设备、控冷设备的工作状态是否正常；

步骤六，启动设备开始焊接。

2.根据权利要求1所述的复合焊接方法，其特征在于：步骤2中，在需要光束摆动的情况下，分别设定前导激光和后侧激光的摆动参数，摆动参数包括前导激光和后侧激光的摆动频率、摆动幅度、摆动方向。

3.根据权利要求1所述的复合焊接方法，其特征在于：前导激光和后侧激光沿着焊接方向串行排列，前导激光与位于焊接方向最前端的前导电弧复合，后侧激光与位于焊接方向最后端的后侧电弧复合。

4.根据权利要求1所述的复合焊接方法，其特征在于：前导电弧为非熔化极气体保护焊电弧或单丝熔化极气体保护焊电弧；后侧电弧为单丝熔化极气体保护焊电弧或双丝熔化极气体保护焊电弧。

5.根据权利要求1所述的复合焊接方法，其特征在于：前导电弧和前导激光的距离为1-20mm；后侧激光和后侧电弧的距离为1-10mm；前导激光和后侧激光的距离为10-400mm。

6.根据权利要求2所述的复合焊接方法，其特征在于：所述前导激光和后侧激光的摆动频率为0-300Hz，摆动幅度为0-10mm。

Images