CN115781025A - 三热源复合焊接的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三热源复合焊接的方法及装置，在方法中，依次进行等离子电弧焊接、激光焊接和气体保护焊接；通过等离子电弧焊接熔化坡口两侧的部分焊件母材，在坡口底部形成一个微小熔池，填补坡口间隙或钝边之间的间隙，避免随后的激光束透过间隙漏出；通过激光焊接熔化坡口或熔化钝边，形成封闭的坡口底部；通过气体保护焊接熔化所述坡口两侧的焊件母材，使其填充满坡口和钝边，完成焊接；等离子电弧焊接、激光焊接和气体保护焊接对应的设备为等离子焊炬、激光焊接头和气体保护焊焊枪。本发明利用不同热源各自的特点来增强或弥补其他热源的焊接效果，实现了打底焊、填充、行走一次性完成整体焊缝的焊接，大幅度提高生产效率，简化了操作难度。
Description
技术领域
本发明涉及焊接的方法和装置，具体讲是一种三热源复合焊接的方法及装置。
背景技术
目前对金属进行复合焊接技术包括有：激光-电弧(GMA)双热源复合焊，等离子-电弧(GMA)双热源复合焊，激光-TIG(非熔化极惰性气体保护电弧)双热源复合焊等。其中上述的“电弧”指的是“气体保护焊接”即GMA焊接。以激光-GMA为例，激光-GMA(气体保护焊接)包括激光-MIG(熔化极惰性气体保护焊)和激光-MAG(熔化极活性气体保护焊)两种，这两种焊接方法原理相同，只是保护气体不同。
针对金属焊件，对于激光-电弧双热源复合焊，激光的作用是对电弧在坡口处产生的熔化金属所形成的熔池继续加热，因此激光的能量是通过复合热源形成的熔池把能量传递给被焊接的材料，因此，这种方式没有利用激光的深熔穿透能力，即减弱了激光-电弧复合焊单道焊的能力。从国家标准：“激光-电弧复合焊接推荐工艺方法”GB/T 37893-2019中第12页的内容可以看到，对于举例10毫米板厚高强钢焊接，需要进行打底、填充、盖面三道焊接工序。就是说，激光-电弧双热源复合焊是以电弧焊为主，激光焊为辅，采用多层多道焊的焊接方式。
对于等离子-电弧(MIG)双热源复合焊，可以利用等离子焊炬发出的等离子电弧快速加热被焊接坡口，同时使用MIG进行大熔覆量的填充，可以获得高于常规MIG焊的焊接效率，达到单道焊接一定厚度板材的能力，比较典型的是单道焊接12毫米钢板，以及较低的焊接输入能量，可以获得更好的焊接质量。但是这种工艺无法精确控制输出能量做到焊缝背部刚刚焊透而又能保证焊缝正面成形，因此需要预先做一次打底焊或在焊缝背面布置衬垫来辅助完成焊接。对于很多封闭结构的焊接，由于无法进入内部布置焊缝衬垫，或焊后衬垫无法取出，需要增加打底焊工序，降低了生产效率，使得这种复合焊工艺的使用受到限制。
例如，在实际工作中使用等离子-MIG复合焊接时，等离子与MIG电弧作用在同一熔池内，可以实现金属板厚8～12毫米焊接，焊接时的熔深能力是由等离子电弧和MIG电弧共同作用形成的，在复合电弧焊透板厚后，熔化金属在两种电弧推力和自身重力的作用下继续漏出，无法精确控制焊缝背部成形，因此需要在焊缝背面根据需要加装辅助衬垫，用来托住背面流出的熔化金属使其冷却强制成形。对于许多焊接后形成密闭空间的构件，例如封闭的金属梁、压力容器、舱室等，以及小于人体体积的零件内部等结构，无法在构件内部焊前布置和焊后取出焊接用的工艺衬垫，使得这种高效的复合焊接方法在许多场景受限，无法使用。目前解决此种情况的通常做法是，先由人工或其他自动焊的方式先进行一次打底焊，把焊缝坡口根部的钝边金属熔化，形成封闭的焊缝底部，然后再采用上述复合焊接方法焊接，很明显这样操作降低了生产效率。
发明内容
本发明提供了一种三热源复合焊接的方法及装置，通过三种焊接热源的特点复合作用在坡口中的同一熔池内，相互增强或弥补其他热源的焊接效果，并且减少焊接工序，提高焊接效率。
本发明三热源复合焊接的方法，对相邻的两个焊件进行焊接时，沿焊接移动方向，对同一焊点依次进行等离子电弧焊接、激光焊接和气体保护焊接；其中，
所述等离子电弧焊接通过等离子电弧加热两个焊件之间坡口两侧的焊件母材，并熔化部分焊件母材后，在坡口底部形成一个微小熔池，所述微小熔池的作用是填补坡口间隙或钝边之间的间隙，避免随后的激光束透过间隙漏出；
所述激光焊接通过激光束熔化坡口或熔化钝边，形成封闭的坡口底部；激光束作用在所述微小熔池上，微小熔池吸收和传递作用其上的激光能量；通过激光焊接熔化预设厚度的坡口或钝边，并利用激光焊接的熔深能力形成打底焊；
所述气体保护焊接通过气体保护焊接电弧熔化所述坡口两侧的焊件母材，使熔化后的焊丝和焊件母材填充满坡口和钝边，完成焊接；
所述等离子电弧焊接、激光焊接和气体保护焊接各自对应的焊接设备为等离子焊炬、激光焊接头和气体保护焊焊枪。
本发明中涉及到对各焊接热源的控制程序，本领域技术人员均可根据与现有技术相同或相似的原理得以实现，该控制程序不是本发明的创新所在。
三种热源从外部进入坡口的起点处时，依次启动，并保持连续工作，直到移动到坡口终点后，再依次停止。本发明是先利用等离子电弧的加热能力来增强焊件材料对激光能量的吸收率，以及加热坡口侧壁材料，增加气体保护焊接的熔深填充能力；再利用激光的高密度能量来增加焊接的熔深，实现比气体保护焊接或等离子电弧更大的焊接熔深，并能够完成熔化钝边的作用，起到完成打底焊作用；最后利用气体保护焊接的填充熔化焊件材料的能力，填充坡口间隙，弥补激光焊面积偏窄的弱点，得到比单独等离子焊更快的焊接速度和熔深，气体保护焊接电弧作用在已经被等离子电弧加热和被激光束熔化形成底部封闭的坡口中，气体保护焊接电弧熔化的金属熔滴和熔化的焊丝熔滴可快速填充坡口的间隙，因此可以使用更大的焊接电流或焊丝熔化速率来进行焊接，从而可以达到单独气体保护焊接无法实现的更高焊接效率。测试得知，三热源复合后的焊接效率和熔深能力优于激光-电弧复合焊或等离子-电弧复合焊。
并且，在《电焊机》杂志2022年10月第52卷第10期中，有刊文“万瓦级激光-电弧复合穿透焊接成形缺陷研究”，(作者：蒋宝，徐富家，杨义成，聂鑫，宋扬，刘孔丰)，在17页记载有：“由图可知，采用激光在前时的焊缝表面成形稳定性相对较差，因此后续试验仍然采用电弧在前的焊接形式。”。由此可见，本领域中对同时应用激光和电弧(即GMA，气体保护焊接)焊接时，认为电弧焊应在前，激光焊在后，否则焊接效果差。而本发明中，却是激光焊在前，电弧焊在后，并且取得了比现有技术更优越的焊接效果，也是对现有技术中技术偏见的一种革新。而且，从上述刊文21页的结论中可以看出，采用激光-电弧复合焊接方法进行20mm厚低碳钢单面焊接双面成形时，因其所述的各种原因导致焊接不能达到所需的工艺要求。并且，本领域对于中厚板焊接时，都是采用多层多道焊的焊接方式，而本发明通过三热源复合焊接的方式，通过测试对三种热源的各项参数进行匹配性调整和设置，解决了在中厚板焊接时的多个技术难点，实现了打底焊、填充、行走一次性完成整体焊缝的焊接，极大的提高了焊接效率。
为了操作便利，以及确保焊接的准确性，所述等离子焊炬、激光焊接头和气体保护焊焊枪的喷嘴投影沿直线分布，并且在焊接过程中，三种热源以相同的焊接速度行进，并且所述等离子电弧、激光束和气体保护焊接电弧均作用在同一个熔池中。这样能够保证焊接速度的一致性，并且充分利用三种热源各自的优势，保证最终的焊接质量和效率。
另一方面，在焊接过程中，等离子焊炬的喷嘴端面到焊件表面的距离为0～8毫米，激光焊接头的激光束焦点位于焊件表面以下0～20毫米，气体保护焊焊枪的电弧喷嘴的端面到等离子焊炬的喷嘴端面的高度差为0～10毫米；等离子电弧的中心线与激光束在焊件表面处的间距为8～20毫米，激光束到气体保护电弧的中心线在钝边处的间距为0～6毫米。
另一方面，根据不同的焊件、坡口等情况，还可以在进行激光焊接的过程中，根据需要对激光束进行振镜摆动，例如：横摆、圆形摆、三角形摆等。
其中一种可选的方式为，所述振镜摆动从起始点起的幅度为小于或等于5毫米。
另一种可选的方式为，在摆动过程中，振镜摆动频率为10～1000赫兹。这样有利于熔化钝边，完成坡口底部成形。
另一方面，还可以根据不同的需要，控制等离子焊炬的工作电流为50～400A，激光焊接头的激光束能量为1～12kW，气体保护焊焊枪的工作电流为50～800A。
可选的，所述的气体保护焊接为MIG焊接或MAG焊接。根据不同的情况进行相应的选择。
本发明还提供了一种用于上述方法的三热源复合焊接的装置，在一个焊炬中沿焊接行进的方向由前往后依次设有直线排列的等离子焊炬、激光焊接头和气体保护焊焊枪。
将三种类型的热源设备按所述排列集成在一个焊炬中，利用不同热源各自的特点来增强或弥补其他热源的焊接效果，以此达到焊接效率和熔深能力优于激光-电弧复合焊和等离子-MIG复合焊的目的，并且大幅度提高了生产效率，简化了焊接流程。
一种优选的结构为，所述等离子焊炬、激光焊接头和气体保护焊焊枪相互之间的位置关系为：气体保护焊焊枪的电弧喷嘴的端面到等离子焊炬的喷嘴端面的高度差为0～10毫米；等离子焊炬发射出的等离子电弧的中心线与激光焊接头发射的激光束在焊件表面处的间距为8～20毫米，激光焊接头发射的激光束到气体保护焊焊枪发射的气体保护电弧的中心线在焊件的钝边处的间距为0～6毫米。通过发射的热源在焊件上的位置来确定对应三个热源设备之间的位置。
本发明的有益效果包括：
1、通过三热源焊接的方式，将三种不同的热源作用在一个熔池中，利用不同热源各自的特点来增强或弥补其他热源的焊接效果，解决了在中厚板焊接时的多个技术难点，实现了打底焊、填充、行走一次性完成整体焊缝的焊接，显著减少了焊接工序，大幅度提高了焊接效率。
2、保证了三种热源焊接的速度一致性，保证最终的焊接质量。
3、通过振镜摆动，能够适应各种不同的焊件和坡口等情况。
附图说明
图1为本发明三热源复合焊接的装置的外观示意图。
图2为图1的剖面图。
图3为图1的工作状态示意图。
图4为本发明三热源复合焊接的方法的流程图。
附图标记说明：
1-等离子焊炬；11-等离子电弧；2-激光焊接头；21-激光束；3-气体保护焊焊枪；31-焊丝；32-熔化极气体保护罩；4-焊件；41-钝边；42-坡口；5-气体保护罩。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1：
如图1和图2所示，本发明三热源复合焊接的装置，在一个焊炬中沿焊接行进的方向(图2中所示的焊接方向)由前往后依次设有直线排列的等离子焊炬1、激光焊接头2和气体保护焊焊枪3。
将三种类型的热源设备按所述排列集成在一个焊炬中，利用不同热源各自的特点来增强或弥补其他热源的焊接效果，以此达到焊接效率和熔深能力优于激光-电弧复合焊和等离子-MIG复合焊的目的。
如图1至图4所示，在对相邻的两个焊件4进行三热源复合焊接时，沿图2所示的焊接方向，对同一焊点依次通过等离子焊炬1、激光焊接头2和气体保护焊焊枪3，对应进行等离子电弧焊接、激光焊接和气体保护焊接；其中，
所述等离子电弧焊接通过等离子电弧11加热两个焊件4之间坡口42两侧的焊件4母材，并熔化部分焊件母材后，在坡口42底部形成一个微小熔池，所述微小熔池的作用是填补坡口42间隙或钝边41之间的间隙，避免随后的激光束透过间隙漏出；
所述激光焊接通过激光束21熔化坡口42或熔化钝边41，形成封闭的坡口42底部；激光束21作用在所述微小熔池上，微小熔池吸收和传递作用其上的激光能量；通过激光焊接熔化预设厚度的坡口42或钝边41，并利用激光焊接的熔深能力形成打底焊；
所述气体保护焊接本实施例中采用MIG(熔化极惰性气体保护焊)焊接，在气体保护焊焊枪3末端的端面设有焊丝31。通过MIG气体保护焊接电弧熔化所述坡口42两侧的焊件4母材，使熔化后的焊丝和焊件4母材填充满坡口42和钝边41，完成焊接。
三种热源从外部进入坡口42的起点处时，依次启动，并保持连续工作，直到移动到坡口42终点后，再依次停止。本发明是先利用等离子电弧11的加热能力来增强焊件4材料对激光能量的吸收率，以及增加MIG焊接的熔深填充能力；再利用激光束21的高密度能量来增加焊接的熔深，实现比MIG焊接或等离子电弧焊接更大的熔深，并能够完成熔化钝边41的作用，起到完成打底焊作用；最后利用MIG焊接的填充熔化焊件材料的能力，填充坡口42间隙，弥补激光焊面积偏窄的弱点，得到比单独等离子焊更快的焊接速度和熔深，MIG气体保护焊接电弧作用在已经被等离子电弧11加热和被激光束21熔化形成底部封闭的坡口42和/或钝边41中，MIG气体保护焊接电弧熔化的金属熔滴和熔化的焊丝31熔滴可快速填充坡口42和/或钝边41的间隙，因此可以使用更大的焊接电流或焊丝熔化速率来进行焊接，从而可以达到单独气体保护焊接无法实现的更高焊接效率。
所述等离子焊炬1、激光焊接头2和气体保护焊焊枪3的喷嘴投影沿直线分布，并且在焊接过程中，三种热源设备以相同的焊接速度行进，而且所述等离子电弧11、激光束21和MIG气体保护焊接电弧均作用在同一个熔池中。这样能够保证焊接速度的一致性，并且充分利用三种热源各自的优势，保证最终的焊接质量和效率。
本发明中涉及到对各焊接热源的控制程序，本领域技术人员均可根据与现有技术相同或相似的原理得以实现，该控制程序不是本发明的创新所在。
以下通过实测数据进行对比说明，如表1所示：
完成一道焊接20毫米厚钢板，背面不使用垫板，单面焊双面成形。
表1：
由表1可知，通过本发明的方法和上述测试数据，对20毫米厚钢板能够只用一道次焊接，背面不使用垫板，即可完成单面焊双面成形。而在《电焊机》杂志2022年10月第52卷第10期的“万瓦级激光-电弧复合穿透焊接成形缺陷研究”刊文中21页的结论是，采用激光-电弧复合焊接方法进行20mm厚低碳钢单面焊接双面成形时，因其刊文中所述的各种原因导致焊接不能达到所需的工艺要求。
由此可见本发明在本技术领域中具有明显的突出的实质性特点和显著的进步。
因此，通过测试得知，对三种热源的各项参数进行匹配性调整和设置后，三热源复合后的焊接效率和熔深能力优于激光-电弧复合焊或等离子-电弧复合焊。同时，本发明也克服了现有技术中应当激光焊在前，电弧焊在后的技术偏见。本发明通过三热源焊接的方式，解决了在中厚板焊接时的多个技术难点，实现了打底焊、填充、行走一次性完成整体焊缝的焊接。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图1至图3所示，在焊接时，等离子焊炬1的喷嘴端面到焊件4表面的距离为0～8毫米，激光焊接头2的激光束21焦点位于焊件4表面以下0～20毫米，气体保护焊焊枪3的电弧喷嘴的端面到等离子焊炬1的喷嘴端面的高度差为0～10毫米；等离子电弧11的中心线与激光束21在焊件4表面处的间距为8～20毫米，激光束21到MIG气体保护电弧的中心线在钝边41处的间距为0～6毫米。
实施例3：
在上述实施例的基础上，根据不同的焊件4、坡口42等情况，在进行激光焊接的过程中，根据需要对激光束21进行振镜摆动，例如：横摆、圆形摆、三角形摆等。所述振镜摆动从起始点起的幅度通常为小于或等于5毫米，振镜摆动的频率为10～1000赫兹。这样有利于熔化钝边41，完成坡口42底部成形。
实施例4：
在上述实施例的基础上，根据不同的需要，控制等离子焊炬1的工作电流为50～400A，激光焊接头2的激光束21能量为1～12kW，气体保护焊焊枪3的工作电流为50～800A。
实施例5：
在上述实施例的基础上，如图2所示，在气体保护焊焊枪3外设有熔化极气体保护罩32，还设有将等离子焊炬1、激光焊接头2和气体保护焊焊枪3整体围合的气体保护罩5。熔化极气体保护罩32用于对MIG气体保护焊接电弧下形成的熔池进行保护，气体保护罩5用于对等离子电弧11、激光束21和MIG气体保护电弧所形成的整个熔池进行保护，以及对成形的焊缝表面进行保护。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做相关的变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.三热源复合焊接的方法，其特征为：对相邻的两个焊件进行焊接时，沿焊接移动方向，对同一焊点依次进行等离子电弧焊接、激光焊接和气体保护焊接；其中，
所述等离子电弧焊接通过等离子电弧加热两个焊件之间坡口两侧的焊件母材，并熔化部分焊件母材后，在坡口底部形成一个微小熔池，所述微小熔池的作用是填补坡口间隙或钝边之间的间隙，避免随后的激光束透过间隙漏出；
所述激光焊接通过激光束熔化坡口或熔化钝边，形成封闭的坡口底部；激光束作用在所述微小熔池上，微小熔池吸收和传递作用其上的激光能量；通过激光焊接熔化预设厚度的坡口或钝边，并利用激光焊接的熔深能力形成打底焊；
所述气体保护焊接通过气体保护焊接电弧熔化所述坡口两侧的焊件母材，使熔化后的焊丝和焊件母材填充满坡口和钝边，完成焊接；
所述等离子电弧焊接、激光焊接和气体保护焊接各自对应的焊接设备为等离子焊炬、激光焊接头和气体保护焊焊枪。
2.如权利要求1所述的三热源复合焊接的方法，其特征为：所述等离子焊炬、激光焊接头和气体保护焊焊枪的喷嘴投影沿直线分布，并且在焊接过程中，三种热源以相同的焊接速度行进，并且所述等离子电弧、激光束和气体保护焊接电弧均作用在同一个熔池中。
3.如权利要求1所述的三热源复合焊接的方法，其特征为：在焊接过程中，等离子焊炬的喷嘴端面到焊件表面的距离为0～8毫米，激光焊接头的激光束焦点位于焊件表面以下0～20毫米，气体保护焊焊枪的电弧喷嘴的端面到等离子焊炬的喷嘴端面的高度差为0～10毫米；等离子电弧的中心线与激光束在焊件表面处的间距为8～20毫米，激光束到气体保护电弧的中心线在钝边处的间距为0～6毫米。
4.如权利要求1所述的三热源复合焊接的方法，其特征为：在进行激光焊接的过程中，根据需要对激光束进行振镜摆动。
5.如权利要求4所述的三热源复合焊接的方法，其特征为：所述振镜摆动从起始点起的幅度为小于或等于5毫米。
6.如权利要求4所述的三热源复合焊接的方法，其特征为：在振镜摆动过程中，摆动频率为10～1000赫兹。
7.如权利要求1所述的三热源复合焊接的方法，其特征为：等离子焊炬的工作电流为50～400A，激光焊接头的激光束能量为1～12kW，气体保护焊焊枪的工作电流为50～800A。
8.如权利要求1至7之一所述的三热源复合焊接的方法，其特征为：所述的气体保护焊接为MIG焊接或MAG焊接。
9.用于权利要求1至8之一所述方法的三热源复合焊接的装置，其特征为：在一个焊炬中沿焊接行进的方向由前往后依次设有直线排列的等离子焊炬(1)、激光焊接头(2)和气体保护焊焊枪(3)。
10.如权利要求9所述的装置，其特征为：所述等离子焊炬(1)、激光焊接头(2)和气体保护焊焊枪(3)相互之间的位置关系为：气体保护焊焊枪(3)的电弧喷嘴的端面到等离子焊炬(1)的喷嘴端面的高度差为0～10毫米；等离子焊炬(1)发射出的等离子电弧(11)的中心线与激光焊接头(2)发射的激光束(21)在焊件(4)表面处的间距为8～20毫米，激光焊接头(2)发射的激光束(21)到气体保护焊焊枪(3)发射的气体保护电弧的中心线在焊件(4)的钝边(41)处的间距为0～6毫米。
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