CN116921912A - 一种低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头及焊接方法，以水平放置的待焊接的其中一块厚板的两面为上板面和下板面，待焊接的厚板单边端头靠近上板面的端头面为一段倾斜端面，靠近下板面的端头面为垂直于下板面的一段第一竖直端面，所述倾斜端面和第一竖直端面间的端头面至少还包括一段接续第一竖直端面的水平端面；其中，两块厚板组对后，相邻两焊接接头间的两倾斜端面的最大开口不大于6mm，两倾斜端面形成的坡口角度为4～6°；以第一竖直端面的高度为钝边厚度，钝边厚度为4～6mm；相邻两焊接接头的所述水平端面的宽度总和为2～3mm。
Description
技术领域
本发明涉及适用于低合金钢厚板的一种激光焊接接头设计与焊接方法。
背景技术
在舰船制造、机床设备、石油化工、发电设备及航空航天等重大装备的制造过程中，均需要对大型中厚板结构进行焊接。一般来说，大型中厚板结构的焊接需采用多层多道焊接方法，且需要较复杂的辅助措施。
随着现代化装备的大型化发展，中厚板结构的焊接问题日趋突出，发展高效可靠的焊接技术成为制造大型或超大型整体构件的关键技术之一。激光焊接由于焊接速度快、热输入小、变形小、深宽比大以及准直性高、方向性高等特点，使其在中厚板的焊接中具有很大的优势。利用激光焊接方法可以有效改善传统弧焊方法的诸多缺点，如焊接工作量大、耗时长；热影响区范围大、性能下降严重；焊接变形量大、尺寸精度难以控制等。
在李俐群等发表的《厚板高强钢激光填丝多层焊工艺》中，以16mm厚低合金高强钢11CrNi3MnMoV为实验材料开展了厚板激光焊接研究。发现气孔、未熔合为厚板激光焊接的主要缺陷，探究了通过双光束并辅助层间保温和热丝技术来改善焊接质量的方法。
申请号为201711094498.2的中国专利文献提供了“一种激光窄间隙焊接头”，申请号为201810570419.9的中国专利文献提供了“一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置及其焊接方法”，公开了可用于激光窄间隙焊接的装置。而实际焊接过程中，装备只是其中一环因素，使用的焊接方案也对焊接过程和最终的效果有至关重要的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以保证激光窄间隙焊接接头良好的形貌，避免内部未熔合、气孔等焊接缺陷的产生，获得高质量的焊接接头，可实现20mm以上板厚的激光焊接的低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头，其特点在于，以水平放置的待焊接的其中一块厚板的两面为上板面和下板面，待焊接的厚板单边端头靠近上板面的端头面为一段倾斜端面，靠近下板面的端头面为垂直于下板面的一段第一竖直端面，所述倾斜端面和第一竖直端面间的端头面至少还包括一段接续第一竖直端面的水平端面；
其中，两块厚板组对后，相邻两焊接接头间的两倾斜端面的最大开口不大于6mm，两倾斜端面形成的坡口角度为4～6°；以第一竖直端面的高度为钝边厚度，钝边厚度为4～6mm；相邻两焊接接头的所述水平端面的宽度总和为2～3mm。
作为本技术方案的进一步改进，所述厚板的板厚为20mm以上。
也作为本技术方案的进一步改进，所述倾斜端面和水平端面间的端头面为一段竖直的分别与所述倾斜端面和水平端面所接续的第二竖直端面。
作为本技术方案的更进一步改进，所述厚板的板厚大于30mm。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种低合金钢厚板激光窄间隙焊接方法，包括如下步骤：
(1)、按前述焊接接头结构，对待焊接的相邻两厚板的焊接坡口进行加工；
(2)、第一道采用激光自熔焊接方法，第二道及之后使用激光填丝焊接方法，对坡口进行填充焊接。
进一步，步骤(2)中，
第一道激光自熔焊接时，坡口两侧钝边尽可能贴合，间隙不大于0.5mm，焊接时激光离焦量-2～2mm范围，激光功率4～5kw，保证钝边完全熔透。
也进一步，步骤(2)中，
第二道及之后的激光填丝焊接，采用前送丝方式。
作为该方法的优选形式，步骤(2)中的激光填丝焊接时，光丝间距0、离焦量18～22mm，激光功率4～5kw、送丝速度3～4m/min、焊接速度0.3～0.4m/min。
优选的，前送丝焊接所使用的焊丝直径为1.0或1.2mm。
本发明为一种适用于低合金钢厚板的一种高质量、低填充量的焊接方案，主要方案是采用单光束激光自熔与激光填丝焊相组合的方式，通过坡口设计、激光功率、离焦量等参数的控制以形成良好的焊接接头。
本技术方案可在极小坡口尺寸、极少填充量的条件下，实现大厚度板材的对接焊，保证焊接接头成形良好，避免内部未熔合、气孔等缺陷的产生。
采用本发明提出的焊接接头设计及其焊接工艺方法，焊接效率高，焊接接头熔合良好。获得的焊缝截面尺寸小，极大地减少了焊材填充量，可有效降低焊接残余应力与变形。
附图说明
图1为激光窄间隙焊接坡口示意图(推荐板厚≤30mm)；
图2为激光窄间隙焊接坡口示意图(板厚>30mm时)；
图3为实施例中30mm厚板对接焊宏观照片；
图4为实施例中40mm厚板对接焊宏观照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。
本发明提供了一种低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头及焊接方法，参照图1和图2所示的不同实施例，其中，图1示意了板厚≤30mm时的单边焊接接头结构，图2示意了板厚>30mm时的单边焊接接头结构。
具体的操作步骤如下：
(1)坡口：焊接坡口采用机械加工的方式进行加工，坡口采用分段设计，最下部为I型，钝边厚度H约4～6mm，上半部为U型，底部宽度(图中的W的2倍)为2～3mm(这里的宽度是包含了<0.5mm的两厚板间间隙的；文本中提及的<6mm的最大开口也一样，指的是两块板组对以后坡口的尺寸)，坡口角度α为4～6°，坡口最大开口距离(包括两边厚板的间隙)应不大于6mm，板厚过大造成开口过大时，可以在U型下段增加一段平行坡口(图2中的平行段L)。焊接前，清理表面油污和锈迹。
坡口尺寸关系到侧壁熔合情况，过大的开口尺寸会造成未熔合缺陷，过小的尺寸不利于焊丝送达坡口底部，同时对送丝与焊接行走精度有更高的要求。该坡口设计实现了极窄的焊接接头，焊材填充量非常少，充分发挥了激光焊接的工艺优势。其中，两侧厚板的坡口结构最好加工为对称的结构。
(2)第一道采用激光自熔焊接方法，以保证根部焊缝质量。第二道及之后使用激光填丝焊接方法，对坡口进行填充焊接。
(3)第一道激光自熔焊接时，坡口两侧钝边应尽可能贴合，间隙不大于0.5mm，焊接时激光离焦量-2～2mm范围，激光功率4～5kw，根据钝边厚度调整，应保证钝边完全熔透。
(4)第二道及之后的激光填丝焊接，采用前送丝方式，即焊丝从焊接方向的前方送入，使用焊丝直径1.0或1.2mm、光丝间距0、离焦量18～22mm，激光功率4～5kw、送丝速度3～4m/min、焊接速度0.3～0.4m/min。需确保焊丝送入位置对准激光光束中心，避免左右偏移。焊丝牌号的选择根据母材以及接头设计要求而定。
此处离焦量与通常激光填丝焊时有所不同，采用了较大的正离焦量，为了确保侧壁的熔合质量，避免未熔合缺陷的产生。前部送丝的方式可以保证焊丝的加热、熔化效果，避免咬边缺陷的产生。激光功率、送丝速度、焊接速度的匹配，应根据实际焊接效果进行调整。
下面将结合具体的实施例对本发明所述的一种低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头设计与焊接方法做进一步的阐述，该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均属于本发明的保护范围。
分别采用30mm厚和40mm厚板，采用本发明所述方法进行对接焊接。实施案例的具体焊接参数如表1和表2所示，焊接坡口尺寸参照附图1和2所示。
表1：30mm厚板焊接工艺参数
表2：40mm厚板焊接工艺参数
参照图3和图4，焊接接头截面宏观照片表明采用本焊接方法，可实现极窄坡口尺寸的对接焊接，并且所获得的焊接接头熔合良好，未发现裂纹、气孔、未熔合等缺陷。
本发明的低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头设计与焊接方法，可以满足大厚度低合金钢板的窄间隙焊接，焊接填充量极低，焊接质量优良，实现了大厚度板材的高质量、高效率焊接。
需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头，其特征在于，以水平放置的待焊接的其中一块厚板的两面为上板面和下板面，待焊接的厚板单边端头靠近上板面的端头面为一段倾斜端面，靠近下板面的端头面为垂直于下板面的一段第一竖直端面，所述倾斜端面和第一竖直端面间的端头面至少还包括一段接续第一竖直端面的水平端面；
其中，两块厚板组对后，相邻两焊接接头间的两倾斜端面的最大开口不大于6mm，两倾斜端面形成的坡口角度为4～6°；以第一竖直端面的高度为钝边厚度，钝边厚度为4～6mm；相邻两焊接接头的所述水平端面的宽度总和为2～3mm。
2.根据权利要求1所述的低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头，其特征在于，所述厚板的板厚为20mm以上。
3.根据权利要求1所述的低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头，其特征在于，所述倾斜端面和水平端面间的端头面为一段竖直的分别与所述倾斜端面和水平端面所接续的第二竖直端面。
4.根据权利要求3所述的低合金钢厚板激光窄间隙焊接接头，其特征在于，所述厚板的板厚大于30mm。
5.一种低合金钢厚板激光窄间隙焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、按权利要求1-4中任一权利要求所述焊接接头结构，对待焊接的相邻两厚板的焊接坡口进行加工；
(2)、第一道采用激光自熔焊接方法，第二道及之后使用激光填丝焊接方法，对坡口进行填充焊接。
6.根据权利要求5所述的低合金钢厚板激光窄间隙焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，
第一道激光自熔焊接时，坡口两侧钝边尽可能贴合，间隙不大于0.5mm，焊接时激光离焦量-2～2mm范围，激光功率4～5kw，保证钝边完全熔透。
7.根据权利要求5所述的低合金钢厚板激光窄间隙焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，
第二道及之后的激光填丝焊接，采用前送丝方式。
8.根据权利要求7所述的低合金钢厚板激光窄间隙焊接方法，其特征在于，步骤(2)中的激光填丝焊接时，光丝间距0、离焦量18～22mm，激光功率4～5kw、送丝速度3～4m/min、焊接速度0.3～0.4m/min。
9.根据权利要求7或8所述的低合金钢厚板激光窄间隙焊接方法，其特征在于，前送丝焊接所使用的焊丝直径为1.0或1.2mm。
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