CN116060772A - 激光电弧复合焊接方法和激光电弧复合焊接设备 - Google Patents

激光电弧复合焊接方法和激光电弧复合焊接设备 Download PDF

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孟政宇
杨晓勇
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Xuzhou XCMG Road Construction Machinery Co Ltd
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Abstract

本发明公开一种激光电弧复合焊接方法和激光电弧复合焊接设备。激光电弧复合焊接方法包括如下步骤：使激光焊接头产生的激光束和电弧焊枪产生的电弧共同作用于待焊接板的坡口以进行复合焊接，待焊接板的坡口为Y型坡口，且控制激光束在坡口的宽度方向上摆动；以及在焊接过程中实时检测坡口的间隙大小并根据间隙大小调节激光束的摆动幅度。本发明提供的激光电弧复合焊接方法在焊接过程中对坡口的间隙大小进行检测并且根据检测到的坡口的间隙大小来对激光束的摆动幅度进行实时调节，以使激光束的摆动幅度与坡口的间隙大小形成良好的适配，利于避免在变间隙坡口焊接中常出现的未熔合、驼峰及焊瘤等焊接缺陷，进而提高焊接质量。

Description

激光电弧复合焊接方法和激光电弧复合焊接设备
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种激光电弧复合焊接方法和激光电弧复合焊接设备。
背景技术
厚板结构件在船舶、航空航天、工程机械等领域应用非常广泛，如何对厚壁结构件进行高效连接也是该结构连接的重要发展方向。
厚板结构件的焊接坡口多以Y型坡口为主，其具有加工效率高、加工成本低的特点，但Y型坡口在厚板结构件的生产制造中存在焊接填充量大、效率低及变形难以控制等问题，这些问题会严重影响工程生产进度。激光焊接作为一种高能束焊接方法，具有能量密度高、热输入小的特点，在厚板焊接领域有着显著优势。目前，为了提高激光焊在厚板中的应用范围，常常采用激光电弧复合的焊接方法提高焊接效率和质量。
目前，在激光电弧复合焊接的过程中，激光器在焊接过程中的参数是恒定的，无法满足焊接质量要求，易出现未熔合、驼峰及焊瘤等焊接缺陷。
在此需要说明的是，该背景技术部分的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，并不必然构成现有技术。
发明内容
本发明提供一种激光电弧复合焊接方法和激光电弧复合焊接设备，以提高焊接质量。
本发明第一方面提供一种激光电弧复合焊接方法，包括如下步骤：
使激光焊接头产生的激光束和电弧焊枪产生的电弧共同作用于待焊接板的坡口以进行复合焊接，待焊接板的坡口为Y型坡口，且控制激光焊接头产生的激光束在坡口的宽度方向上摆动；以及
在焊接过程中实时检测坡口的间隙大小并根据间隙大小调节激光束的摆动幅度。
在一些实施例中，在焊接过程中实时检测坡口的间隙大小包括：对激光光斑前侧的坡口的间隙大小进行实时检测。
在一些实施例中，对激光光斑前侧的坡口的间隙大小进行实时检测包括：利用检测装置实时获取坡口的间隙的图像并根据间隙的图像获取间隙大小。
在一些实施例中，检测装置包括CCD相机、线激光发生器以及设置在CCD相机的镜头前的滤光片，利用检测装置实时获取坡口的间隙的图像包括利用线激光发生器发出的线激光将坡口的间隙的轮廓标记为高亮状态，利用CCD相机将间隙轮廓特征拍摄记录并分析以获取间隙的大小。
在一些实施例中,根据检测的间隙大小对激光束的摆动幅度进行调节包括：控制激光束的摆动幅度为间隙大小的1.5～2倍。
在一些实施例中，激光电弧复合焊接方法还包括获取待焊接板的厚度，当待焊接板的厚度小于设定值时，对坡口进行一次焊接以形成打底层；当待焊接板的厚度大于设定值时，对坡口进行一次焊接以形成打底层并对坡口进行二次焊接形成填充层。
在一些实施例中，二次焊接的激光器的功率小于一次焊接的激光器的功率。
在一些实施例中，还包括：在焊接过程中对焊缝的位置进行检测，并在检测到焊缝的位置存在偏移时移动电弧焊枪和激光焊接头。
在一些实施例中，控制激光束在坡口的宽度方向上摆动包括：控制激光束在坡口的宽度方向上线性摆动或者圆弧形摆动或“8”字形摆动。
本发明第二方面提供一种激光电弧复合焊接设备，包括：
激光焊接头，用于输出激光束；
电弧焊枪，用于输出电弧；
控制器，与激光焊接头和电弧焊枪连接，且控制器被配置为执行上述激光电弧复合焊接方法。
基于本发明提供的技术方案，激光电弧复合焊接方法包括如下步骤：使激光焊接头产生的激光束和电弧焊枪产生的电弧共同作用于待焊接板的坡口以进行复合焊接，待焊接板的坡口为Y型坡口，且控制激光焊接头产生的激光束在坡口的宽度方向上摆动；以及在焊接过程中实时检测坡口的间隙大小并根据间隙大小调节激光束的摆动幅度。本发明实施例提供的激光电弧复合焊接方法在焊接过程中对坡口的间隙大小进行检测并且根据检测到的坡口的间隙大小来对激光束的摆动幅度进行实时调节，以使激光焊接头的摆动幅度与坡口的间隙大小形成良好的适配，利于避免在变间隙坡口焊接中常出现的未熔合、驼峰及焊瘤等焊接缺陷，进而提高焊接质量。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的激光电弧复合焊接方法的步骤图。
图2为本发明实施例的激光电弧复合焊接设备的结构图。
图3为图2所示的激光电弧复合焊接设备的激光焊接头和电弧焊枪的工作位置图。
图4为图2所示的激光电弧复合焊接设备的激光焊接头和电弧焊枪的另一个角度的工作位置图。
图5为待焊接板的厚度小于12mm的焊缝图。
图6为待焊接板的厚度大于12mm的焊缝图。
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
参考图1，本发明实施例提供一种激光电弧复合焊接方法，包括如下步骤：
S810，使激光焊接头20产生的激光束和电弧焊枪60产生的电弧共同作用于待焊接板70的坡口以进行复合焊接，待焊接板70的坡口为Y型坡口，且控制激光焊接头20在坡口的宽度方向上摆动；以及
S820，在焊接过程中实时检测坡口的间隙大小并根据间隙大小调节激光焊接头20产生的激光束的摆动幅度。
本发明实施例提供的激光电弧复合焊接方法在焊接过程中对坡口的间隙大小进行检测并且根据检测到的坡口的间隙大小来对激光束的摆动幅度进行实时调节，以使激光束的摆动幅度与坡口的间隙大小形成良好的适配，利于避免在变间隙坡口焊接中常出现的未熔合、驼峰及焊瘤等焊接缺陷，进而提高焊接质量。
参考图3和图4，待焊接板70的坡口为Y型坡口。其中Y型坡口指的是在待焊接板70的厚度方向上是Y型。也就是说，在待焊接板70的厚度方向上，该坡口的间隙大小是变化的。本发明实施例提供的激光电弧复合焊接方法正是针对变间隙坡口焊接中出现的问题而设计的。Y型坡口包括相对且对称设置的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁的第一段和第二侧壁的第一段平行设置形成坡口的平行段，第一侧壁的第二段和第二侧壁的第二段相对于第一段朝外倾斜形成坡口的扩口段。Y型坡口的宽度方向指的是从第一侧壁到第二侧壁的方向。
在一些实施例中，在焊接过程中实时检测坡口的间隙大小包括：对激光光斑前侧的坡口的间隙大小进行实时检测。针对激光光斑前侧的坡口的间隙大小进行实时检测指的是对将要焊接而未焊接的位置的坡口的间隙大小进行检测，这样就可对下一时刻激光束的摆动幅度进行实时调节，进而使得激光束的摆动与将要焊接的间隙大小形成较好的匹配，从而提高焊接质量。
在一些实施例中，对激光光斑前侧的坡口的间隙大小进行实时检测包括：利用检测装置40实时获取所述坡口的间隙的图像并根据所述间隙的图像获取间隙大小。其中，所述检测装置包括CCD相机和线激光发生器。CCD相机指的是charge coupled device。
利用检测装置实时获取所述坡口的间隙的图像包括利用线激光发生器发出的线激光将坡口的间隙的轮廓标记为高亮状态，利用CCD相机将间隙轮廓特征拍摄记录并分析以获取所述间隙的大小。
为了避免激光束对间隙大小的检测造成不利影响，在一些实施例中，利用检测装置实时获取坡口的间隙的图像包括在CCD相机的镜头前设置滤光片。具体地，线激光发生器产生的线激光波长为405nm，滤光片为窄带滤光片，窄带滤波范围为405nm±10nm，进而使得只有线激光能透过去，进而避免环境干扰。
在一些实施例中,根据检测的间隙大小对激光束的摆动幅度进行调节包括：控制激光束的摆动幅度为间隙大小的1.5～2倍。控制激光束的摆动幅度为间隙大小的1.5～2倍这样使得激光焊接头20的激光束的作用范围大，实现对间隙的全覆盖，进而避免未熔合等焊接缺陷。
在一些实施例中，激光电弧复合焊接方法还包括获取待焊接板的厚度，当待焊接板的厚度小于设定值时，对坡口进行一次焊接以形成打底层。当待焊接板的厚度大于设定值时，对坡口进行一次焊接以形成打底层并对坡口进行二次焊接形成填充层。
具体地，如图5所示，当待焊接板70的厚度D小于12mm时，对坡口701进行一次焊接以形成打底层A，也就是说单道成型。如图6所示，当待焊接板70的厚度D大于12mm时，对坡口701进行一次焊接以形成打底层B并对坡口701进行二次焊接以填充层C。
在图5和图6示出的实施例中，待焊接板70的厚度不同，坡口701的平行段的覆盖厚度L1均为5～7mm。平行段的宽度d为0～2mm。第一侧壁和第二侧壁的第二段相对于竖直线的倾斜角度为8～20°。
填充焊时，主要目的是熔融金属填充Y型坡口，此时激光的作用是利用激光的匙孔效应来吸引电弧，完成激光-电弧的耦合，达到稳定弧长、促进溶滴过度的效果，此时激光仅需要较小的功率即可。在一些实施例中，二次焊接的激光焊接头20的功率小于一次焊接的激光器的功率。具体地，一次焊接的激光焊接头20的功率设置为4～10kW，二次焊接的激光焊接头20的功率设置为1.5～3.5kW。
在一些实施例中，激光电弧复合焊接方法还包括：在焊接过程中对焊缝的位置进行检测，并在检测到焊缝的的位置存在偏移时移动电弧焊枪和激光焊接头。具体地，在二次焊接形成填充层C的过程中对焊缝的位置进行检测，具体地，对焊缝的中心位置进行检测，并将检测的位置回传给控制器，若焊缝存在位置偏差，对位置偏差进行正负方向的补偿，该补偿主要是针对垂直于焊缝方向的补偿。具体地，控制焊缝机器人通过位置补偿，实现焊缝对中，从而保障焊接质量的一致性。
在一些实施例中，控制激光焊接头20在坡口的宽度方向上摆动包括：控制激光束在坡口的宽度方向上线性摆动或者圆弧形摆动或“8”字形摆动。
如图2所示，本发明实施例还提供一种激光电弧复合焊接设备。该激光电弧复合焊接设备包括激光焊接头20、电弧焊枪60和控制器30。激光焊接头20用于输出激光束。电弧焊枪60用于输出电弧。控制器30与激光焊接头20和电弧焊枪60连接。且控制器30被配置为执行上述激光电弧复合焊接方法。
其中，激光焊接头20由激光发生器10控制，电弧焊枪60由电弧焊机50控制。
下面以一个具体实施例的激光电弧复合焊接方法的步骤进行详细说明。
将待焊接板进行坡口加工，钝边为5～7mm，单边Y型坡口角度为8～20°，并对加工后的坡口进行清洗和打磨后用夹具进行装夹固定，放置于焊接工作台面，该方法可实现12mm以下厚板单道焊接，适应坡口间隙为0～2mm，同时该方法可实现12mm以上厚板打底以及填充焊接，适应坡口间隙0～2mm。
设置单道焊焊接工艺参数，设定焊接激光功率为4～10kW，焊接速度为2～4m/min，光丝间距为1～3mm；摆动幅度为1～2mm，激光离焦量为-5～+5mm，摆动频率为100～200Hz，焊接电流为120～300A，送丝速度为8.5～11m/min。
对坡口进行激光电弧复合焊接，在焊接过程中利用CCD相机对待焊接位置的坡口间隙进行实时检测，并将检测到的坡口间隙数据发送回控制器。
控制器接收到坡口间隙的数据后发送指令给激光发生器10，激光发生器10对激光焊接头20的摆动幅度进行控制，具体地，使得激光焊接头20的摆动幅度为1.5～2.0倍的坡口间隙继续进行焊接工作，焊接过程中实现了摆动幅度与坡口间隙的良好匹配。
在复合焊接的过程中若焊缝的位置存在焊接偏差，则还要对焊接机器人进行移动以实现位置补偿。
针对12mm以上的厚板，设置填充焊的焊接工艺参数，设置激光功率为1.5～3.5kW，焊接速度为0.6～2m/min，光丝间距为0～3mm；激光离焦量为-5～+5mm，摆动幅度为0～3mm，摆动频率为100～200Hz，焊接电流为120～300A，送丝速度为8.5～11m/min。
在填充焊的过程中同样要对焊缝的位置进行实时监测，并在焊缝的位置存在偏差时，对焊接机器人的位置进行实时调节以进行位置补偿。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种激光电弧复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
使激光焊接头(20)产生的激光束和电弧焊枪(60)产生的电弧共同作用于待焊接板的坡口以进行复合焊接，所述待焊接板的坡口为Y型坡口，且控制所述激光焊接头(20)产生的激光束在所述坡口的宽度方向上摆动；以及
在焊接过程中实时检测所述坡口的间隙大小并根据间隙大小调节所述激光束的摆动幅度。
2.根据权利要求1所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，在焊接过程中实时检测所述坡口的间隙大小包括：对激光光斑前侧的坡口的间隙大小进行实时检测。
3.根据权利要求2所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，对激光光斑前侧的坡口的间隙大小进行实时检测包括：利用检测装置实时获取所述坡口的间隙的图像并根据所述间隙的图像获取间隙大小。
4.根据权利要求3所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述检测装置包括CCD相机、线激光发生器以及设置在所述CCD相机的镜头前的滤光片，利用检测装置实时获取所述坡口的间隙的图像包括利用线激光发生器发出的线激光将坡口的间隙的轮廓标记为高亮状态，利用CCD相机将间隙轮廓特征拍摄记录并分析以获取所述间隙的大小。
5.根据权利要求1所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于,根据检测的间隙大小对所述激光束的摆动幅度进行调节包括：控制所述激光束的摆动幅度为所述间隙大小的1.5～2倍。
6.根据权利要求1所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光电弧复合焊接方法还包括获取待焊接板的厚度，当所述待焊接板的厚度小于设定值时，对所述坡口进行一次焊接以形成打底层；当所述待焊接板的厚度大于设定值时，对所述坡口进行一次焊接以形成打底层并对所述坡口进行二次焊接形成填充层。
7.根据权利要求6所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，二次焊接的激光器的功率小于一次焊接的激光器的功率。
8.根据权利要求1所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，还包括：在焊接过程中对焊缝的位置进行检测，并在检测到所述焊缝的位置存在偏移时移动所述电弧焊枪(60)和所述激光焊接头(20)。
9.根据权利要求1所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，控制所述激光束在坡口的宽度方向上摆动包括：控制所述激光束在坡口的宽度方向上线性摆动或者圆弧形摆动或“8”字形摆动。
10.一种激光电弧复合焊接设备，其特征在于，包括：
激光焊接头(20)，用于输出激光束；
电弧焊枪(60)，用于输出电弧；
控制器(30)，与所述激光焊接头(20)和所述电弧焊枪(60)连接，且所述控制器(30)被配置为执行所述权利要求1至9中任一项所述的激光电弧复合焊接方法。
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