CN116967610A - 一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于厚板焊接技术领域，提供一种厚板环焊缝多层激光‑电弧复合焊接装置及方法,包括如下步骤：加工坡口并对厚板环形焊接工件进行表面处理，去除表面杂质；固定焊接件；布置焊枪、激光器和保护气喷嘴，进行打底焊接；重新布置焊枪、激光器和保护气喷嘴进行多层填充焊接。本发明可以提高打底焊、多层填充焊接的效率，提高熔滴过渡的稳定性，降低焊接缺陷的产生，提高焊缝组织及力学性能。
Description
技术领域
本发明属于厚板焊接技术领域，尤其涉及一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接装置及方法。
背景技术
管道环形件焊接一般来说焊接所需时间较长，因此整个焊接过程是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程，焊接过程中包括了许多物理现象的综合作用，如焊接加热时的电磁、传热、金属的熔化和凝固、焊接加热完成后冷却过程中的相变、焊接应力和变形等，要得到一个高质量的焊接结构，所有的这些因素都必须得到严格的控制。
激光-电弧复合焊接是将激光和电弧两种热源相结合，克服单一热源的不足，提高能量利用率，并保证焊接过程的高质量以及良好的稳定性。采用激光-电弧复合焊接，具有高效率、大熔深、小变形、低热输入等优点，以获得低成本、高效率、高适应性的效果。
对于厚板环焊缝的焊接需要经历打底焊、多层填充焊接。多层填充焊接时，由于填充层较多，会造成热损伤大、焊缝晶粒粗大、焊接效率低、焊缝气孔、焊缝未熔合等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接装置及方法，以解决上述问题，达到提高打底焊、多层填充焊接的效率，提高熔滴过渡的稳定性，降低焊接缺陷的产生，提高焊缝组织及力学性能的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接方法，包括如下步骤：
加工坡口；在厚板环形焊接工件的焊缝两侧之间加工出带有钝边的坡口并对所述厚板环形焊接工件进行表面处理，去除表面杂质；
焊接件固定；将所述厚板环形焊接工件通过夹持部进行固定；
打底焊接；沿焊接方向，在所述厚板环形焊接工件外表面依次布置第一TIG焊枪、MIG/MAG焊枪、第二激光器、第一激光器和第一保护气喷嘴，在所述厚板环形焊接工件的内部依次布置第二TIG焊枪和第二保护气喷嘴，之后进行焊接操作；
多层填充焊接；沿焊接方向，在所述厚板环形焊接工件外表面通过摆动部依次布置焊丝、第一TIG焊枪、第一激光器、第二激光器、MIG/MAG焊枪和第一保护气喷嘴，之后进行焊接操作。
优选的，在进行所述打底焊接时，所述第一TIG焊枪和所述第二TIG焊枪分别对称布置于所述厚板环形焊接工件的外表面和内部，所述第一保护气喷嘴和所述第二保护气喷嘴分别对称布置于所述厚板环形焊接工件的外表面和内部，所述MIG/MAG焊枪位于所述厚板环形焊接工件的正上方。
优选的，在进行所述打底焊接时，所述第一TIG焊枪或所述第二TIG焊枪分别电性连接有TIG电源的正极或负极，所述MIG/MAG焊枪电性连接有MIG/MAG电源的正极，所述厚板环形焊接工件与所述MIG/MAG电源的负极电性连接。
优选的，在进行所述多层填充焊接时，所述第一TIG焊枪位于所述厚板环形焊接工件的正上方。
优选的，在进行所述多层填充焊接时，所述第一TIG焊枪与所述TIG电源的负极电性连接，所述焊丝与所述TIG电源的正极电性连接，所述MIG/MAG焊枪与所述MIG/MAG电源的正极电性连接，所述厚板环形焊接工件与所述MIG/MAG电源的负极电性连接。
优选的，所述第一激光器的功率为800～10000W，所述第二激光器的功率为80～4000W。
一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接装置，包括夹持部和摆动部，所述夹持部包括固定连接在工作台上的底座，所述底座上转动连接有夹紧组件，所述夹紧组件用于夹固所述厚板环形焊接工件并使所述厚板环形焊接工件在所述底座上可进行转动。
优选的，所述摆动部包括夹具，所述夹具用于夹持所述第一TIG焊枪、第一激光器、第二激光器、MIG/MAG焊枪和所述第一保护气喷嘴，所述夹具上还夹持有振动装置，所述振动装置用于夹持所述焊丝，所述夹具上固定连接有同步摆动装置，所述同步摆动装置和所述夹具用来使所述焊丝、第一TIG焊枪、第一激光器、第二激光器、MIG/MAG焊枪和所述第一保护气喷嘴在焊接时可沿所述厚板环形焊接工件的外表面进行同步摆动，所述同步摆动装置可拆卸连接在所述工作台上。
本发明具有如下技术效果：
1.打底焊接时，第一TIG焊枪和第二TIG焊枪对称位于厚板环形焊接工件的外边面和内部，两个TIG焊枪之间的TIG电弧可以预热/熔融对接焊缝的母材，有利于MIG/MAG焊枪的焊丝熔化后进入环形件对接间隙的润湿铺展性，而且可以利用电弧吹力让MIG/MAG焊枪的焊丝熔化的熔滴流向第一激光器形成的熔池中；
2.多层填充焊接时，第一TIG焊枪和焊丝可以使焊丝熔化形成液态金属后借助振动装置使液态熔滴不断滴入熔池中，有利于提高焊缝成型质量。可实现大填充量的高效焊接，对母材的热输入影响较小，大大降低了接头的变形量、使母材焊缝组织晶粒细小、力学性能得到提高；
3.打底焊接、多层填充焊接时，MIG/MAG焊枪向前送进或者回抽过程中，第二激光器与焊丝的光丝间距较近均能起到吸引压缩电弧的复合作用，提高了电弧稳定性及熔滴过渡的稳定性、增大熔滴过渡频率，焊丝距离第一激光器形成的匙孔较远可降低对匙孔的冲击提高熔池的稳定性，降低焊接气泡的产生，降低焊缝气孔率。
4.打底焊时，环焊缝外表面和内部的熔池有第一保护气喷嘴和第二保护气喷嘴喷射保护气，可防止液态金属下淌及焊缝下榻等焊接缺陷；多层填充焊接时，环焊缝上方熔池有第一保护气喷嘴喷射保护气，防止液态金属下淌等焊接缺陷，进一步焊缝成型质量；
5.多层填充焊接时，通过摆动部带动第一TIG焊枪、焊丝、第一激光器、第二激光器、MIG/MAG焊枪同步摆动，提高环形件焊缝间隙的侧壁熔合性，避免焊接缺陷的产生。
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为本发明打底焊接时的工作示意图；
图2为本发明多层填充焊接时的工作示意图；
图3为厚板环焊缝打底及多层常规激光-MIG/MAG复合焊接方法的焊缝横截面示意图；
图4为本发明焊接方法的焊缝横截面示意图；
其中，1、TIG电源；2、第一TIG焊枪；3、MIG/MAG焊枪；4、第二激光器；5、第一激光器；6、MIG/MAG电源；7、第一保护气喷嘴；8、第一保护气；9、厚板环形焊接工件；10、第二保护气；11、第二保护气喷嘴；12、第二TIG焊枪；13、焊丝；14、送丝管；15、同步摆动装置。
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。
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。
参照图1～4所示，本发明提供了一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接方法，包括如下步骤：
加工坡口：在厚板环形焊接工件9的焊缝两侧之间加工出带有钝边的坡口并对厚板环形焊接工件9进行表面处理，去除表面杂质；
焊接件固定：将厚板环形焊接工件9通过夹持部进行固定；
打底焊接：沿焊接方向，在厚板环形焊接工件9外表面依次布置第一TIG焊枪2、MIG/MAG焊枪3、第二激光器4、第一激光器5和第一保护气喷嘴7，在厚板环形焊接工件9的内部依次布置第二TIG焊枪12和第二保护气喷嘴11，之后进行焊接操作；
多层填充焊接：沿焊接方向，在厚板环形焊接工件9外表面通过摆动部依次布置焊丝13、第一TIG焊枪2、第一激光器5、第二激光器4、MIG/MAG焊枪3和第一保护气喷嘴7，之后进行焊接操作。
厚板环形焊接工件9为铝合金或者钛合金、或者铜合金；第一激光器5的主要作用是在坡口内形成熔池；第二激光器4的主要作用是与MIG/MAG焊枪3的焊丝的光丝一同起到吸引压缩电弧的复合作用。打底焊接时，第一保护气喷嘴7和第二保护气喷嘴11喷出保护气可防止液态金属下淌及焊缝下榻等焊接缺陷；多层填充焊接时，第一保护气喷嘴7喷出保护气，可防止液态金属下淌等焊接缺陷，进一步焊缝成型质量。
在进行打底焊接时，第一TIG焊枪2和第二TIG焊枪12的热源与MIG/MAG焊枪3的热源间距为0.1mm～10mm，第一激光器5发出的激光和第二激光器4发出的激光之间的距离为0.6mm～2mm，MIG/MAG焊枪3与第二激光器4发出的光束的热源之间的距离为0mm～1mm。
在进行多层填充焊接时，第一TIG焊枪2的热源与焊丝13的间距为0.1mm～2mm，第一TIG焊枪2的热源与第一激光器5发出的光束的热源间距为0mm～2mm，第一激光器5发出的激光和第二激光器4发出的激光之间的距离为0.6mm～13mm，MIG/MAG焊枪3与第二激光器4发出的激光的热源间距为0mm～1mm。
在进行打底焊接时或多层填充焊接时，焊接速度为0.1m/min～10m/min，第一保护气喷嘴7内喷出的第一保护气8和第二保护气喷嘴11内喷出的第二保护气10均为惰性气体，第一保护气喷嘴7喷出的气体流量为1～100L/min，第二保护气喷嘴11内喷出的气体流量为1～60L/min。
如图3所示的常规焊接结果，在进行打底焊接时，焊接方向最前方没有本发明中的两组TIG焊枪，即MIG/MAG焊枪3在前，且MIG/MAG焊枪3与第一激光器5之间没有本发明中的第二激光器4，则MIG/MAG焊枪3的焊丝熔化后与固态母材相接触，熔滴的润湿铺展性差，而且MIG/MAG焊枪3与第一激光器5发出的激光为保持较好的复合效果，两热源间距过小，焊丝熔化的熔滴进入熔池容易造成对匙孔的冲击，降低熔池的稳定性，容易产生焊接气泡，形成气孔缺陷,熔滴受匙孔金属蒸气反冲力越大，对熔滴过渡的阻碍作用越强，MIG/MAG焊枪3的焊丝熔化后过渡频率较低；
在进行多层填充焊接时，焊接方向最前方没有本发明中的第一TIG焊枪2和焊丝13，即第一激光器5在前熔化固态母材，容易产生焊接飞溅，而且由于激光斑点较小，容易产生焊缝侧壁未熔合的缺陷，且MIG/MAG焊枪3与第一激光器5之间没有本发明中的第二激光器4，MIG/MAG焊枪3与第一激光器5所发出的激光为保持较好的复合效果，两热源间距过小，焊丝熔化的熔滴进入熔池容易造成对匙孔的冲击，降低熔池的稳定性，容易产生焊接气泡，形成气孔缺陷,熔滴受匙孔金属蒸气反冲力越大，对熔滴过渡的阻碍作用越强，MIG/MAG焊枪焊枪的焊丝熔化后过渡频率较低。
进一步优化方案，第一激光器5和第二激光器4可以选用Nd：YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器等类型。
进一步优化方案，在进行打底焊接时，第一TIG焊枪2和第二TIG焊枪12分别对称布置于厚板环形焊接工件9的外表面和内部，第一保护气喷嘴7和第二保护气喷嘴11分别对称布置于厚板环形焊接工件9的外表面和内部，MIG/MAG焊枪3位于厚板环形焊接工件9的正上方。
进一步优化方案，第一TIG焊枪2和第二TIG焊枪12分别与竖直方向形成0°～30°夹角。
进一步优化方案，在进行打底焊接时，第一TIG焊枪2或第二TIG焊枪12分别电性连接有TIG电源1的正极或负极，MIG/MAG焊枪3电性连接有MIG/MAG电源6的正极，厚板环形焊接工件9与MIG/MAG电源6的负极电性连接。
可以使第一TIG焊枪2可以连接TIG电源1的正极，第二TIG焊枪12可以连接TIG电源1的负极，也可使第一TIG焊枪2连接TIG电源1的负极、第二TIG焊枪12连接TIG电源1的正极。
如图4所示的本发明的焊接结果，在进行打底焊接时，TIG电源1的电流为60A～200A，MIG/MAG电源6的电流为10～300A，第一TIG焊枪1和第二TIG焊枪2分别与竖直方向形成0°～30°夹角，并且分别连接TIG电源1的两极。这样两个TIG焊枪之间的TIG电弧可以预热/熔融对接焊缝的母材，有利于MIG/MAG焊枪3的焊丝熔化后进入厚板环形焊接工件9对接间隙的润湿铺展性，而且可以利用电弧吹力让MIG/MAG焊枪3的焊丝熔化的熔滴流向第一激光器5发出的激光形成的熔池中。
进一步优化方案，在进行多层填充焊接时，第一TIG焊枪2位于厚板环形焊接工件9的正上方。
进一步优化方案，在进行多层填充焊接时，第一TIG焊枪2与TIG电源1的负极电性连接，焊丝13与TIG电源1的正极电性连接，MIG/MAG焊枪3与MIG/MAG电源6的正极电性连接，厚板环形焊接工件9与MIG/MAG电源6的负极电性连接。
如图4所示的本发明的焊接结果，在进行多层填充焊接时，TIG电源1的电流为80A～300A，MIG/MAG电源6的电流为10～300A，第一TIG焊枪2和焊丝13位于厚板环形焊接工件9的正上方，第一TIG焊枪2和焊丝13各连接TIG电源1的一极，第一TIG焊枪2和焊丝13可以使焊丝熔化形成液态金属后，借助振动装置使液态熔滴不断滴入熔池中，有利于提高焊缝成型质量。可实现大填充量的高效焊接，对母材的热输入影响较小，大大降低了接头的变形量、使母材焊缝组织晶粒细小、力学性能得到提高。
进一步优化方案，坡口为U型坡口或V型坡口，坡口的单边角度为0.5°～10°，钝边的尺寸为10mm～60mm，钝边之间预留的间隙宽度为0.01mm～3mm。
进一步优化方案，第一激光器5的功率为800～10000W，第二激光器4的功率为80～4000W。
一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接装置，包括夹持部和摆动部，夹持部包括固定连接在工作台上的底座，底座上转动连接有夹紧组件，夹紧组件用于夹固厚板环形焊接工件9并使厚板环形焊接工件9在底座上可进行转动。
夹紧组件可根据厚板环形焊接工件9的具体尺寸、结构进行制作，使焊接时，厚板环形焊接工件9上的焊缝可跟随焊接工件进行转动，以便于焊接的进行。
进一步优化方案，摆动部包括夹具，夹具用于夹持第一TIG焊枪2、第一激光器5、第二激光器4、MIG/MAG焊枪3和第一保护气喷嘴7，夹具上还夹持有振动装置，振动装置用于夹持焊丝13，夹具上固定连接有同步摆动装置15，同步摆动装置15和夹具用来使焊丝13、第一TIG焊枪2、第一激光器5、第二激光器4、MIG/MAG焊枪3和第一保护气喷嘴7在焊接时可沿厚板环形焊接工件9的外边面进行同步摆动，同步摆动装置15可拆卸连接在工作台上。
同步摆动装置15可选用HIT-33摆动器，或选用焊接机器手臂，由焊接机械手臂内部的ArcTech摆动系统控制摆动路径和摆动参数。同步摆动装置15的摆动速度低于1600mm/s。振动装置可沿焊丝13送进的方向进行往复振动，可使液态熔滴不断滴入熔池中，以促进熔化的液滴填充过渡，提高焊缝成型质量。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
加工坡口：在厚板环形焊接工件(9)的焊缝两侧之间加工出带有钝边的坡口并对所述厚板环形焊接工件(9)进行表面处理，去除表面杂质；
焊接件固定：将所述厚板环形焊接工件(9)通过夹持部进行固定；
打底焊接：沿焊接方向，在所述厚板环形焊接工件(9)外表面依次布置第一TIG焊枪(2)、MIG/MAG焊枪(3)、第二激光器(4)、第一激光器(5)和第一保护气喷嘴(7)，在所述厚板环形焊接工件(9)的内部依次布置第二TIG焊枪(12)和第二保护气喷嘴(11)，之后启动装置进行焊接操作；
多层填充焊接：沿焊接方向，在所述厚板环形焊接工件(9)外表面通过摆动部依次布置焊丝(13)、第一TIG焊枪(2)、第一激光器(5)、第二激光器(4)、MIG/MAG焊枪(3)和第一保护气喷嘴(7)，之后启动装置进行焊接操作。
2.根据权利要求1所述的一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：在进行所述打底焊接时，所述第一TIG焊枪(2)和所述第二TIG焊枪(12)分别对称布置于所述厚板环形焊接工件(9)的外表面和内部，所述第一保护气喷嘴(7)和所述第二保护气喷嘴(11)分别对称布置于所述厚板环形焊接工件(9)的外表面和内部，所述MIG/MAG焊枪(3)位于所述厚板环形焊接工件(9)的正上方。
3.根据权利要求1所述的一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：在进行所述打底焊接时，所述第一TIG焊枪(2)或所述第二TIG焊枪(12)分别电性连接有TIG电源(1)的正极或负极，所述MIG/MAG焊枪(3)电性连接有MIG/MAG电源(6)的正极，所述厚板环形焊接工件(9)与所述MIG/MAG电源(6)的负极电性连接。
4.根据权利要求1所述的一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：在进行所述多层填充焊接时，所述第一TIG焊枪(2)位于所述厚板环形焊接工件(9)的正上方。
5.根据权利要求3所述的一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：在进行所述多层填充焊接时，所述第一TIG焊枪(2)与所述TIG电源(1)的负极电性连接，所述焊丝(13)与所述TIG电源(1)的正极电性连接，所述MIG/MAG焊枪(3)与所述MIG/MAG电源(6)的正极电性连接，所述厚板环形焊接工件(9)与所述MIG/MAG电源(6)的负极电性连接。
6.根据权利要求1所述的一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述第一激光器(5)的功率为800～10000W，所述第二激光器(4)的功率为80～4000W。
7.一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接装置，包括上述权利要求1一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接方法中的夹持部和摆动部，其特征在于：所述夹持部包括固定连接在工作台上的底座，所述底座上转动连接有夹紧组件，所述夹紧组件用于夹固所述厚板环形焊接工件(9)并使所述厚板环形焊接工件(9)在所述底座上可进行转动。
8.根据权利要求7所述的一种厚板环焊缝多层激光-电弧复合焊接装置，其特征在于：所述摆动部包括夹具，所述夹具用于夹持第一TIG焊枪(2)、第一激光器(5)、第二激光器(4)、MIG/MAG焊枪(3)和所述第一保护气喷嘴(7)，所述夹具上还夹持有振动装置，所述振动装置用于夹持所述焊丝(13)，所述夹具上固定连接有同步摆动装置(15)，所述同步摆动装置(15)和所述夹具用来使所述焊丝(13)、第一TIG焊枪(2)、第一激光器(5)、第二激光器(4)、MIG/MAG焊枪(3)和所述第一保护气喷嘴(7)在焊接时可沿所述厚板环形焊接工件(9)的外表面进行同步摆动，所述同步摆动装置(15)可拆卸连接在所述工作台上。
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