CN115781026B - T型接头焊接方法和焊接系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种T型接头焊接方法和焊接系统，T型接头具有腹板和底板，采用激光束与焊枪进行复合焊接，焊接方法包括以下步骤，将待焊接的腹板与底板点焊预固定；调整焊枪和激光束的位置，使得焊枪和激光束位于腹板的同一侧，激光束相比焊枪靠近焊接起点位置，焊枪的焊丝位于腹板侧面与底板的交界处，焊枪的中轴线与底板形成夹角α，激光束的光斑落在腹板侧面，以使得激光束的能量共同作用在腹板和底板上，激光束的光轴与底板形成夹角β，β＜α；驱动激光束与焊枪共同沿第一方向移动，腹板与底板焊接一体。具有焊接效果好，能够实现单侧厚度较厚的板材。

Description

T型接头焊接方法和焊接系统

技术领域

本申请属于复合焊技术领域，尤其涉及一种T型接头焊接方法和焊接系统。

背景技术

随着船舶、航天航空和车辆等工业向大吨位和大运载能力方向的发展，对厚板结构的焊接技术，特别是厚板T型接头的焊接变形控制、焊接接头性能及焊接效率的要求越来越高。

相关技术中，采用激光-双电弧双面复合焊接，对厚板T型结构进行焊接，将两把焊枪和两束激光束镜像设置于厚板T型接头的立板两侧，进行同步激光电弧复合焊接。当板材较厚时，如超过15毫米，很难保证立板两侧的两熔池能够熔接在一起，易产生气泡和未焊透现象，影响焊接接头质量，此外，双面焊接对于空间要求要高，激光-双电弧双面复合焊接适用范围较小。

发明内容

本申请实施例提供一种T型接头焊接方法和焊接系统，以解决现有的厚板T型结构采用复合焊存在焊接质量差、焊接厚度受限、适用范围小的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种T型接头焊接方法，T型接头具有腹板和底板，采用激光束与焊枪对所述腹板和所述底板沿第一方向进行复合焊接，所述焊接方法包括以下步骤，

将待焊接的所述腹板与所述底板点焊预固定；

调整所述焊枪和所述激光束的位置，使得所述焊枪和所述激光束位于所述腹板的同一侧，所述激光束相比所述焊枪靠近焊接起点位置，所述焊枪的焊丝位于所述腹板侧面与所述底板的交界处，所述焊枪的中轴线与所述底板形成夹角α，所述激光束的光斑落在所述腹板侧面，以使得所述激光束的能量共同作用在所述腹板和所述底板上，所述激光束的光轴与所述底板形成夹角β，β＜α；

驱动所述激光束与所述焊枪共同沿所述第一方向移动，所述腹板与所述底板焊接一体。

可选的，所述腹板的厚度越厚，所述夹角β越小。

可选的，所述光斑与所述底板之间的距离为H，根据如下公式（1），设置所述光斑与所述底板之间的距离H，

（1），

其中，H为所述光斑与所述底板之间的距离，D为腹板厚度， D≥ 6mm。

可选的，根据如下公式（2），设置所述激光束的光轴与所述底板形成夹角β，

（2），

其中，D为腹板厚度，且D≥ 6mm。

可选的，所述光斑的直径为R，0.4mm≤R≤0.6mm；

和/或，所述光斑与所述底板之间的距离H，0.5mm≤H≤2mm；

和/或，所述焊枪的中轴线与所述底板形成夹角α为45°；

和/或，所述激光束的光轴与所述底板形成夹角β，0＜β≤15°。

可选的，在形成焊缝的过程中，所述激光束的聚焦点往复摆动，摆动幅度为L，0＜L≤4mm，和/或，摆动频率为200Hz /s。

可选的，采用光纤激光器产生所述激光束，所述光纤激光器的波长范围为1000~1100nm，和/或，所述光纤激光器的功率为12000W，和/或，所述光纤激光器的纤芯之间范围为50~400μm。

可选的，所述腹板两侧均设置有所述焊枪和所述激光束，从所述腹板两侧进行同步激光电弧复合焊接。

可选的，所述激光束与所述焊枪的焊丝之间的光丝间距为2~6mm。

第二方面，本申请实施例还提供一种焊接系统，实现上述任意一项所述的T型接头焊接方法的步骤。

本申请实施例提供的T型接头焊接方法和焊接系统，通过调整焊枪与激光束的位置，焊枪和激光束位于腹板的同一侧，激光束相比焊枪靠近焊接起点位置，焊接过程电弧稳定，激光吸收率高，熔深更深，调整激光束，使得激光束的光斑落在腹板侧面上，激光能量作用在腹板和底板上，在腹板和底板上均形成熔池，激光束的光轴与底板形成的夹角小于焊枪的中轴线与底板形成的夹角，使得激光能量在腹板与底板的连接处，熔深更大，有利于腹板与底板的有效连接，即使是单侧焊接，也能够焊接更厚的板材，如焊接15毫米以上的板材，克服了现有的厚板T型结构采用复合焊存在焊接质量差、焊接厚度受限、适用范围小的问题，具有焊接效果好，能够实现单侧厚度较厚的板材。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对本领域技术人员来说，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。

为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。

图1为本申请实施例提供的T型接头焊接方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的焊接系统的示意图。

图3为本申请实施例提供的T型接头单侧焊接的示意图。

图4为本申请实施例提供的T型接头单侧焊接的效果图。

图5为本申请实施例提供的激光束的光轴与底板之间的夹角和腹板厚度的线性关系图。

图6为本申请实施例提供的光斑与底板之间的距离和腹板厚度的线性关系图。

图7为本申请实施例提供的T型接头双侧焊接的示意图。

图8为本申请实施例提供的T型接头双侧焊接的效果图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。

本申请实施例提供一种T型接头焊接方法和焊接系统，以解决现有的厚板T型结构采用复合焊存在焊接质量差、焊接厚度受限、适用范围小的问题。以下将结合附图对进行说明。

参见图2所示，图2为本申请实施例提供的焊接系统的示意图。

本申请实施例提供的焊接系统，用于实现T型接头焊接，T性接头具有腹板11和底板12焊接系统包括激光焊接设备和电弧焊接设备。

激光焊接设备包括激光器、焊接头和驱动机构，激光器可以为光纤激光器，如连续激光器，连续通过光纤与焊接头连接，驱动机构与焊接头连接，驱动焊接头沿焊接方向移动。

电弧焊接设备包括焊枪2，焊丝通过焊枪和导电嘴送入腹板11的侧面与底板12的交界处并引燃焊弧，焊枪沿焊接方向移动。

焊接作业时，焊枪2和激光束位于腹板11的同一侧，激光束3相比焊枪2靠近焊接起点，激光束3投影至底板12上的位置与焊枪2的焊丝位于底板12上的位置间隔一定距离，对于同一位置，焊丝作用于该位置的时刻早于激光束3作用于该位置的时刻，焊接过程中电弧稳定，电弧先把焊接材料熔化，熔化后的焊接材料的激光吸收率更高，从而形成的熔深更深，调整焊枪与待焊接的腹板与底板之间的距离，焊丝位于腹板11侧面与底板12的交界处，调整焊枪的角度，使得焊枪2的中轴线与底板12形成夹角α。调整激光器，使得激光束的光斑落在腹板11侧面，光斑与底板之间的距离为H，激光束的光轴与底板12形成夹角β，β＜α，激光束3产生的激光能量作用在腹板11与底板12的连接处，部分位于腹板11上，另一部分位于底板12上，形成的熔深更大，其中，熔深是指沿腹板11厚度方向熔融区域两边界之间的距离，有利于腹板11与底板12的有效连接，即使单侧焊接，也能焊接厚度在15毫米以上的板材，设备投入低，焊接效果更好，适用范围更广。

在一些实施方式中，激光焊接设备还包括气刀，气刀设置在焊接头的出光侧。

可以理解的，气刀所用的气流为压缩气体，防止焊接飞溅和烟雾损伤焊接头的出光镜。

在一些实施方式中，激光器的波长范围为1000~1100nm，光纤激光器的功率为12000W，所述光纤激光器的纤芯之间范围为50~400μm。

在一些实施方式中，焊接头为摆动焊接头，摆动焊接头具有准直镜和聚焦镜，准直镜的焦长为150㎜，聚焦镜的焦长为300mm。作为变形的，焊接头也可以采用振镜，实现摆动。

在一些实施方式中，设定焊接系统的加工工艺参数为，激光器的焊接功率9500W，激光器的焊接速度20mm/s，激光器的摆动频率100Hz，摆幅2.0mm，焊枪的送丝速度8.5m/min，焊枪的电压28.6V，焊枪的电流255A，弧长修正为+8，气刀喷出的保护气为氩气与二氧化碳的混合气体，氩气与二氧化碳的配比为82，18，流量为20L/min，气刀出气压力为6Bar。

在一些实施方式中，设置两台激光焊接设备和两台电弧焊接设备，腹板11两侧分别设置一台激光焊接设备和一台电弧焊接设备。

可以理解的，在腹板11两侧分别设置一台激光焊接设备和一台电弧焊接设备，从腹板11两侧同时焊接腹板11和底板12，能够焊接的腹板厚度更厚，如腹板厚度超过30mm，在同等设备投入下，能够焊接厚度更厚的板材，设备投入低，降低加工成本。

参见图1、图3和图4所示，图1为本申请实施例提供的T型接头焊接方法的流程图，图3为本申请实施例提供的T型接头单侧焊接的示意图，图4为本申请实施例提供的T型接头单侧焊接的效果图。

本申请实施例提供一种T型接头焊接方法，T型接头1具有腹板11和底板12，腹板11的厚度上限可以超过15㎜，采用激光束3与焊枪2对腹板11和底板12沿第一方向进行复合焊接，焊接方法包括以下步骤，

S1，将待焊接的腹板11与底板12点焊预固定。

可以理解的，在步骤S1之前，清洗待焊接的腹板11与底板12，保证后续焊接效果。

将待焊接的腹板11放置于底板12的焊接位置上，沿垂直腹板11的长度方向，腹板11与底板12组成截面形状为倒置的“T”字型，

S2，调整焊枪2和激光束3的位置，使得焊枪2和激光束3位于腹板11的同一侧，激光束3相比焊枪2靠近焊接起点位置，焊枪2的焊丝位于腹板11侧面与底板12的交界处，焊枪2的中轴线与底板12形成夹角α，激光束3的光斑落在腹板11侧面，光斑与底板12之间的距离为H，以使得激光束的能量共同作用在腹板11和底板12上，激光束3的光轴与底板12形成夹角β，β＜α；

其中，光斑与底板12之间的距离是指光斑的中心与底板12之间的垂直距离，焊枪2的中轴线是指焊丝的轴线方向，激光束3的光轴是指沿激光束传输的方向，焊接头出光侧的中心与位于腹板11上的光斑中心之间的连线。

可以理解的，腹板11具有第一侧面和第二侧面，设置焊枪2和激光束3位于腹板11的同侧，均位于第一侧面旁，且激光束3相比焊枪2靠近焊接起点位置，电弧先作用在腹板11与底板12的焊接处，激光束3产生的激光能量后作用在焊接处，焊接过程电弧稳定，激光吸收率高，熔深更深；调整激光束3的光斑落在腹板11的第一侧面上，且光斑距离底板12一定距离，使得激光能量共同作用在腹板11和底板12上，能够在腹板11和底板12上均形成熔池，有利于腹板11与底板12连接熔融一起，结合激光束3的光轴与底板12形成夹角β，β＜α，实现激光小角度入射，熔深更深，腹板11与底板12的焊接效果更好；调整焊枪2，使得焊枪2的焊丝的末端落在腹板11的第一侧面与底板12的交界处，避免焊接咬边，通过调整焊枪2和激光束3的位置，即使单侧焊接，也能够对厚度在15mm以上的板材进行焊接，适用范围广。

S3，驱动激光束3与焊枪2共同沿第一方向移动，腹板11与底板12焊接一体。

其中，第一方向是指腹板11与底板12焊接位置的焊缝的长度方向，可以理解的，根据需要激光束3与焊枪2可以沿第一方向移动多次，还可以在每次移动前调整激光束3的位置，使得光斑落在腹板上的位置不同，激光束3与底板12形成夹角β不同，随着移动次数，激光束3与底板12的夹角β越小，直至熔深与腹板11的厚度相同，保证腹板11与底板12焊透。

参见图4所示，图4为本申请实施例提供的T型接头单侧焊接的效果图。

通过调整激光束3的光轴与底板12之间的夹角，激光束3的光斑与底板12的距离，焊枪2的中轴线与底板12形成夹角，焊丝的末端落在腹板11的第一侧面与底板12的交界处，最终形成如图4所示的焊接效果，熔池部分位于腹板11一侧，另一部分位于底板12一侧，熔池的熔深贯穿腹板的厚度方向，且靠近激光束3所在的一侧的熔池的宽度大于另一侧，腹板11与底板12完全焊透，能够焊接的板材厚度更厚，设备投入成本低，焊接效果好。

参见图5所示，图5为本申请实施例提供的激光束的光轴与底板之间的夹角和腹板厚度的线性关系图。

在一些实施方式中，腹板11的厚度越厚，激光束3的光轴与底板12形成夹角β越小。

可知，当腹板厚度为6mm时，激光束3的光轴与底板12形成夹角β为18.4°；当腹板厚度为10mm时，激光束3的光轴与底板12形成夹角β为8.13°；当腹板厚度为15mm时，激光束3的光轴与底板12形成夹角β为4.76°；当腹板厚度为20mm时，激光束3的光轴与底板12形成夹角β为3.37°。

可以理解的，腹板11的厚度越厚，激光束3的光轴与底板12形成夹角β越小，熔深越深，能够焊接厚度更厚的板材，保证腹板11与底板12焊透，腹板11与底板12的焊接效果更好。

在一些实施方式中，根据如下公式（2），设置激光束3的光轴与底板12形成夹角β，

（2），

其中，D为腹板11的厚度，且D≥ 6mm。

腹板11具有第一侧面和第二侧面，焊枪2和激光束3位于第一侧面旁，焊枪2的焊丝与第一侧面与底板12的交界处，因电弧焊接产生的熔深大概有3mm，激光束3作用产生的熔深可以去除3mm，根据腹板11的厚度，调节激光束3与底板12之间的夹角β，使得激光束3能够作用在腹板11的第二侧面与底板12的交界处，使得熔深与腹板厚度相同，保证腹板11与底板12焊透，提高了腹板11与底板12的焊接效果。

参见图6所示，图6为本申请实施例提供的光斑与底板之间的距离和腹板厚度的线性关系图。

在一些实施方式中，根据如下公式（1），设置光斑与底板12之间的距离，

（1），

其中，H为光斑与底板12之间的距离，D为腹板11的厚度，D≥ 6mm。

根据上述公式（1）可知，腹板厚度越厚，光斑与底板12之间的距离越大，保证激光束作用在底板12上形成的熔宽在0.5~1mm，避免激光束的激光能量只能作用在腹板11或底板12上，保证腹板11与底板12的有效连接。

在一些实施方式中，光斑的直径为R，0.4mm≤R≤0.6mm。

光斑直径大小范围适合，兼顾加工区域和激光能量，加工效果好。

在一些实施方式中，光斑与底板12之间的距离H， 0.5mm≤H≤2mm。

可以理解的，根据腹板11的厚度，激光束的光斑与底板12直径的距离可以为0.5mm、0.8 mm、1 mm、1.3 mm、1.5 mm、1.8 mm、2 mm，以及其他在0.5mm至2mm之间未列出的数值，保证激光束产生的能力能够作用在底板12和腹板11上，在腹板11和底板12上均形成熔池，腹板11与底板12互熔，保证焊接效果。

在一些实施方式中，焊枪2的中轴线与底板12形成夹角α为45°。

设置焊枪2的中心轴与底板12所在的平面之间的夹角为45°，调整焊枪2与待加工件之间的距离，焊枪2的干伸长为15mm，焊丝末端落在腹板11与底板12的交界处，焊枪2的干伸长设置合理，保证足够的加工空间，焊弧稳定。

在一些实施方式中，激光束3的光轴与底板12形成夹角β，0＜β≤15°。

在一些实施方式中，在形成焊缝的过程中，激光束的聚焦点往复摆动，摆动幅度为L，0＜L≤4mm，摆动频率为200Hz /s。

可以理解的，可以采用具有摆动焊接头实现激光束的焦点摆动，也可以采用在焊接头内设置振镜，来实现激光束的角度摆动，激光束的聚焦点往复摆动，激光束作用在焊接位置处的宽度加宽，增加焊缝宽度，提高焊接效果。

在一些实施方式中，采用光纤激光器产生激光束，光纤激光器的波长范围为1000~1100nm，光纤激光器的功率为12000W，光纤激光器的纤芯直径范围为50~400μm。

参见图7所示，图7为本申请实施例提供的T型接头双侧焊接的示意图。

在一些实施方式中，腹板11两侧均设置有焊枪和激光束，从腹板11两侧进行同步激光电弧复合焊接。

在一些实施方式中，激光束与焊枪的焊丝之间的光丝间距为2~6mm。

激光束的光斑投影至底板12上的位置的中心为第一位置，焊枪的焊丝的末端投影至底板12上的位置的中心为第二位置，激光束3与焊枪2的焊丝之间的光丝间距是指第一位置与第二位置之间的距离，使得激光束3与焊枪2能够相互作用，实现复合焊效果。

设置第一激光束31、第一焊枪21、第二激光束32、第二焊枪22，第一激光束31和第一焊枪21位于腹板11的第一侧面旁，第二激光束32和第二焊枪22位于腹板11的第二侧面旁，第一激光束31和第二激光束32以腹板11的中心线为中心镜像布置，第一焊枪21和第二焊枪22以腹板11的中心线为中心镜像布置。第一激光束31相比第一焊枪21靠近焊接起点位置，第二激光束32相比第二焊枪22靠近焊接起点位置，第一焊枪21的焊丝位于第一侧面与底板12的交界处，第二焊枪22的焊丝位于第二侧面与底板12的交界处，第一激光束31的光斑落在第一侧面，第一激光束31的光斑与底板12之间的距离为H₁，第二激光束32的光斑落在第二侧面，第二激光束32的光斑与底板12之间的距离为H₂，第一激光束31的光斑与底板12之间的距离与第二激光束32的光斑与底板12之间的距离相同，第一激光束31的光轴与底板形成的夹角β₁与第二激光束32的光轴与底板形成的夹角β₂相同。

可以理解的，当需要焊接更厚的板材时，可以从腹板两侧同时焊接，焊接的腹板厚度是上述单侧焊接的2倍，能够焊接的板材的厚度超过30mm，适用范围更广。

在一些实施方式中，根据如下公式（3）设定β₁和β₂的取值，

（3）

其中，D为腹板11的厚度。

针对不同厚度的腹板，根据上述公式（3），设置第一激光束的光轴和第二激光束的光轴与底板12之间的角度，使得第一激光束产生的熔深与第二激光束产生的熔深相对接，在腹板11与底板12之间形成完整的熔深，使得腹板11与底板12实现完全焊接，不仅能够焊接更厚的板材，而且焊接效果好。

在一些实施方式中，根据如下公式（4）设定H₁和H₂的取值，（4）

其中，H₁为第一激光束31的光斑与底板12之间的距离，H₂为第二激光束32的光斑与底板12之间的距离，D为腹板11的厚度。

针对不同厚度的腹板，根据上述公式（4），设置第一激光束31和第二激光束32的光斑与底板12之间的距离，第一激光束31与第二激光束32产生的激光能量共同作用在腹板11和底板12上，有利于从两侧焊透腹板和底板，提高了焊接效果。

参见图8，图8为本申请实施例提供的T型接头双侧焊接的效果图，当采用两套激光束和焊枪从腹板11两侧同步焊接，从腹板11两侧形成的熔深在腹板11中部区域完全融合，熔宽部分位于腹板11上，另一部分位于底板12上，腹板11与底板12焊透，不仅能够焊接厚度更厚的板材，而且焊接效果更好。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。

以上对本申请实施例所提供的T型接头焊接方法和焊接系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请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申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种T型接头焊接方法，T型接头具有腹板和底板，其特征在于，采用激光束与焊枪对所述腹板和所述底板沿第一方向进行复合焊接，所述焊接方法包括以下步骤：

将待焊接的所述腹板与所述底板点焊预固定；

调整所述焊枪和所述激光束的位置，使得所述焊枪和所述激光束位于所述腹板的同一侧，所述激光束相比所述焊枪靠近焊接起点位置，所述焊枪的焊丝位于所述腹板侧面与所述底板的交界处，所述焊枪的中轴线与所述底板形成夹角α，所述激光束的光斑落在所述腹板侧面，以使得所述激光束的能量共同作用在所述腹板和所述底板上；

驱动所述激光束与所述焊枪共同沿所述第一方向移动，所述腹板与所述底板焊接一体；

所述光斑与所述底板之间的距离为H，根据如下公式（1），设置所述光斑与所述底板之间的距离H，

（1），

其中，H为所述光斑与所述底板之间的距离，D为腹板厚度，D≥6mm。

2.根据权利要求1所述的T型接头焊接方法，其特征在于，所述腹板的厚度越厚，所述激光束的光轴与所述底板形成夹角β越小。

3.根据权利要求1所述的T型接头焊接方法，其特征在于，根据如下公式（2），设置所述激光束的光轴与所述底板形成夹角β，

（2），

其中，D为腹板厚度，且D≥ 6mm。

4.根据权利要求1所述的T型接头焊接方法，其特征在于，所述光斑的直径为R，0.4mm≤R≤0.6mm；

和/或，所述光斑与所述底板之间的距离H， 0.5mm≤H≤2mm；

和/或，所述焊枪的中轴线与所述底板形成夹角α为45°；

和/或，所述激光束的光轴与所述底板形成夹角β，0＜β≤15°。

5. 根据权利要求1所述的T型接头焊接方法，其特征在于，在形成焊缝的过程中，所述激光束的聚焦点往复摆动，摆动幅度为L，0＜L≤4mm，和/或，摆动频率为200Hz /s。

6.根据权利要求1所述的T型接头焊接方法，其特征在于，采用光纤激光器产生所述激光束，所述光纤激光器的波长范围为1000~1100nm，和/或，所述光纤激光器的功率为12000W，和/或，所述光纤激光器的纤芯之间范围为50~400μm。

7.根据权利要求1所述的T型接头焊接方法，其特征在于，所述腹板两侧均设置有所述焊枪和所述激光束，从所述腹板两侧进行同步激光电弧复合焊接。

8.根据权利要求1所述的T型接头焊接方法，其特征在于，所述激光束与所述焊枪的焊丝之间的光丝间距为2~6mm。

9.一种焊接系统，其特征在于，实现如权利要求1至8任意一项所述的T型接头焊接方法的步骤。

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