CN117399798A - 一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，属于异种材料中厚板焊接领域。所述一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法包括以下步骤：将两块经预处理后待焊接板材分别用夹具对接固定在焊接平台上；沿板材焊接方向分别依次布置可丝粉同步输送的弧焊枪、常规激光头、振荡激光头、保护气喷嘴；根据待焊接板材的材料与尺寸，确定合适的丝材和粉末参数，确定合适的焊接工艺参数；按照设置好的焊接路径，通过控制设备系统分别启动各装置，实现待焊接板材的连接。本发明能够增加中厚板的焊缝熔深，提高异种材料板材间的冶金结合能力，同时调节和改善熔池动力学行为，抑制气孔、裂纹等缺陷的形成，实现高质量焊接。
Description
技术领域：
本发明涉及异种材料中厚板焊接领域，具体涉及一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法。
背景技术：
异种材料中厚板的焊接是船舶、汽轮机、汽车等大型装备制造中一项不可缺少的工艺过程。异种材料中厚板焊接过程中，大熔深条件下容易引起熔池和小孔的不稳定性动力学行为，伴随剧烈的液态金属蒸发及飞溅现象，易出现熔池温度场、流场分布的不均匀性，材料混合不充分等问题，且异种材料属性的差异会产生剧烈的焊缝偏析现象，导致了异种材料中厚板焊接过程中气孔、裂纹、夹渣及未熔合等焊接缺陷的形成，严重影响了焊接构件的综合服役性能和在相关领域中的应用前景。因此，亟需提出一种高质量的异种材料中厚板焊接方法。
发明内容：
为了解决异种材料中厚板的焊接质量问题，本发明提出了一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，增加中厚板的焊缝熔深，提高异种材料板材间的冶金结合能力，同时调节改善熔池动力学行为，抑制气孔、裂纹等焊接缺陷的形成，实现高质量连接。
本发明的技术方案如下：
一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，可以实现异种材料中厚板间的良好焊接，使用丝粉同步添加材料的方式促进异种板材间的有效连接，通过前部激光电弧复合作用实现深熔焊接并降低板间装配精度的要求，利用后部振荡激光束改善熔池内的流动与传热，促进液态金属混合，改善焊缝偏析，抑制焊接缺陷的形成，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在两块待焊接板材焊接位置开设坡口，经预处理后分别用夹具对接固定在焊接平台上；
(2)沿板材焊接方向分别布置可丝粉同步输送的弧焊枪、常规激光头、振荡激光头、保护气喷嘴；
(3)根据待焊接板材的材料与尺寸，确定合适的丝材和粉末参数，确定合适的焊接工艺参数；
(4)按照设置好的焊接路径，通过控制设备系统分别启动各装置，实现待焊接板材的连接，直至焊接过程结束。
进一步的，在步骤(2)中，前部大功率常规激光热源与电弧热源的复合作用使待焊接板材和所添加材料充分熔化形成大深度熔池，并降低板间装配精度要求。
进一步的，在步骤(2)中，后部振荡激光热源作用于熔池尾部，振荡扫描路径可设置为圆形、方形、正弦、“8”形、“∞”形，促进熔池内部液态金属的流动、传热以及不同材料成分间的充分混合，改善熔池后部液态金属的凝固行为。
进一步的，在步骤(2)中，弧焊枪丝材中心轴线位于待焊板材坡口中心平面内，两激光束中心线分别与坡口中心平面平行。
进一步的，在步骤(2)中，常规激光束光斑中心到丝材中心轴线与板材上平面交点的纵向距离为0，可以通过调整常规激光束、振荡激光束中心线相对坡口中心平面的偏移方向和横向偏移距离W1、W2以及两激光束中心线的纵向距离L，调节异种材料焊接熔池中的能量分布，改善焊缝偏析，抑制焊接缺陷的形成。
进一步的，在步骤(2)中，弧焊枪的中心区域为金属丝材输送通道，不断将丝材向熔池中传输，实现对板材待焊接部位的材料填充，形成焊缝；弧焊枪内丝材周围为粉末空间，向外部喷射金属粉末，实现对焊接熔池边缘角落位置的材料填补，使得焊缝形状更加完整和饱满；根据实际需要，也可调整为仅送丝模式。
进一步的，丝材和粉末的材料种类和添加速度可以自由配比和调节，当两块待焊板材属性相差较大，难以直接形成有效结合时，通过选择合适材料作为中间层，在两种板材之间形成可靠连接，增强焊缝接头的强度和稳定性。
进一步的，在步骤(4)中，焊接过程中，保护气体采用高纯度氩气，并且焊接时先开启保护气，再开启激光、电弧热源和输送丝材、粉材，焊接结束后先停止材料添加和关闭热源，最后关闭保护气。
本发明的有益效果如下：
1.本发明提供的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，利用激光电弧复合焊接，综合电弧热源效率高和激光热源能量密度大、熔深大的优势。可以通过调节激光功率、电弧电压、电流等实现热输入的分配和调节，增大热源能量利用率，改善焊接效果，以适应中厚板的焊接。
2.本发明提供的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，利用后部振荡激光热源调节和改善熔池的不稳定性动力学行为，促进熔池内液态金属的流动、传热和均匀混合，改善熔池后沿的凝固行为，抑制焊接缺陷形成。
3.本发明提供的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，可以通过调节两束激光之间的纵向距离以及相对于焊缝中心的偏移方向和横向偏移距离，调节熔池内的能量分布与流动行为，改善因异种材料属性不同而产生的偏析现象，形成形貌良好的对称焊缝。
4.本发明提供的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，可以通过焊枪设备向熔池同步输送丝材和粉材，实现焊缝填充。对于异种难焊接板材，通过调整丝粉材料和配比作为中间层，在两种板材之间形成可靠连接，提高焊缝接头的强度，促进板材的高质量连接。
附图说明：
图1为本发明一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法的整体示意图；
图2为本发明一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法的激光热源分布位置图；
图中，1-待焊板材1，2-待焊板材2，3-坡口，4-弧焊枪，5-常规激光头，6-振荡激光头，7-保护气喷嘴，8-熔池，9-焊缝。
具体实施方式：
为使本发明专利内容更加清晰和便于理解，下面将结合说明书附图及具体实施例来对其进一步描述。实施例仅作为本发明内容的体现和说明，本发明保护权利范围包括但不限于以下实施例。
如图1所示，本发明针对异种材料中厚板的焊接，由前部激光电弧复合焊接实现中厚板金属材料的熔化，通过同步输送的丝材、粉材以及后部振荡激光热源对焊缝形成过程进行调节，抑制焊接缺陷，提升接头质量。
本实施例中，针对成分相差较大、常规情况下较难焊接的异种材料中厚板实现高质量焊接。两待焊接板材分别为6063铝合金和Q235结构钢，厚度均为20mm，所使用的丝材为直径1.6mm的S311铝硅焊丝，粉末为粒径105μm的4047铝基颗粒，保护气体为纯度99％的氩气。S311铝硅合金具有高流动性和低熔点，因此其作为填充金属可以在回填效应的作用下减少焊缝开裂问题的出现；4047铝基粉末可以增强铝在钢上的润湿性，使得孔隙率更低，并且可进一步增强回填效应，以填补在液态金属最终凝固前出现的裂纹，提高焊接质量。
本实施例在于两种成分相差较大的异种材料中厚板的焊接，利用激光电弧复合提高热输入和能量利用效率，使得材料充分熔化形成大深度熔池8，通过丝材和粉末颗粒作为添加和过渡材料实现异种材料的良好结合。如图2所示，通过调节激光头分布位置可以改善熔池内的能量分布。利用后部的振荡激光实现对熔池液态金属的搅拌和充分混合，改善熔池后沿液态金属的凝固行为，减少焊接缺陷形成，实现高质量连接。其焊接过程具体步骤如下：
(1)分别在待焊板材1和待焊板材2焊接侧面开设Y形坡口3，坡口角度为20°，根部间隙为2mm，钝边厚度为10mm。使用砂纸将板材上表面及坡口表面打磨平整，并使用酒精擦拭干净，将两块待焊接板材1、2呈对接状态分别固定在焊接平台上。
(2)沿两块板材的焊接方向依次布置弧焊枪4、常规激光头5、振荡激光头6、保护气喷嘴7。其中常规激光头5光束中心向Q235一侧偏移1mm、振荡激光头6光束中心到常规激光头5光束中心的纵向距离设置为2mm，并向Q235一侧横向偏移1.5mm。弧焊枪4的送丝角度为45°，保护气喷嘴7的吹气角度为30°，振荡激光路径为顺时针圆形，振幅和振频分别为5mm和100HZ。
(3)设置弧焊枪4的电弧电压为24V、电流为240A，前部常规激光头5的功率为11kW，后部振荡激光头6的功率为4kW，保护气喷嘴7的气流量为25L/min，扫描速度为1.2m/min，送丝速度为8.4m/min，送粉速度为100g/min。
(4)启动焊接装置系统开始工作直至焊接完成，形成完整焊缝9。
通过以上实施例，对本发明的目的、方法和内容都进行了进一步地详细说明。所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围。本发明可以通过适当修改变化来应用于焊接领域中其他适合的场景，凡是依托本发明构思、权利要求及描述范围内所作出的修改、替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，可以实现异种材料中厚板间的良好焊接，使用丝粉同步添加材料的方式促进异种板材间的有效连接，通过前部激光电弧复合作用实现深熔焊接并降低板间装配精度的要求，利用后部振荡激光束改善熔池内的流动与传热，促进液态金属混合，改善焊缝偏析，抑制焊接缺陷的形成，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在两块待焊接板材焊接位置开设坡口，经预处理后分别用夹具对接固定在焊接平台上；
(2)沿板材焊接方向分别布置可丝粉同步输送的弧焊枪、常规激光头、振荡激光头、保护气喷嘴；
(3)根据待焊接板材的材料与尺寸，确定合适的丝材和粉末参数，确定合适的焊接工艺参数；
(4)按照设置好的焊接路径，通过控制设备系统分别启动各装置，实现待焊接板材的连接，直至焊接过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，其特征在于，在步骤(2)中，前部大功率常规激光热源与电弧热源的复合作用使待焊接板材和所添加材料充分熔化形成大深度熔池，并降低板间装配精度要求。
3.根据权利要求1所述的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，其特征在于，在步骤(2)中，后部振荡激光热源作用于熔池尾部，振荡扫描路径可设置为圆形、方形、正弦、“8”形、“∞”形，促进熔池内部液态金属的流动、传热以及不同材料成分间的充分混合，改善熔池后部液态金属的凝固行为。
4.根据权利要求1所述的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，其特征在于，在步骤(2)中，弧焊枪丝材中心轴线位于待焊板材坡口中心平面内，两激光束中心线分别与坡口中心平面平行。
5.根据权利要求1所述的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，其特征在于，在步骤(2)中，常规激光束光斑中心到丝材中心轴线与板材上平面交点的纵向距离为0，可以通过调整常规激光束、振荡激光束中心线相对坡口中心平面的偏移方向和横向偏移距离W1、W2以及两激光束中心线的纵向距离L，调节异种材料焊接熔池中的能量分布，改善焊缝偏析，抑制焊接缺陷的形成。
6.根据权利要求1所述的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，其特征在于，在步骤(2)中，弧焊枪的中心区域为金属丝材输送通道，不断将丝材向熔池中传输，实现对板材待焊接部位的材料填充，形成焊缝；弧焊枪内丝材周围为粉末空间，向外部喷射金属粉末，实现对焊接熔池边缘角落位置的材料填补，使得焊缝形状更加完整和饱满；根据实际需要，也可调整为仅送丝模式。
7.根据权利要求6所述的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，其特征在于，丝材和粉末的材料种类和添加速度可以自由配比和调节，当两块待焊板材属性相差较大，难以直接形成有效结合时，通过选择合适材料作为中间层，在两种板材之间形成可靠连接，增强焊缝接头的强度和稳定性。
8.根据权利要求1所述的一种异种材料中厚板多模式激光电弧复合焊接方法，其特征在于，在步骤(4)中，焊接过程中，保护气体采用高纯度氩气，并且焊接时先开启保护气，再开启激光、电弧热源和输送丝材、粉材，焊接结束后先停止材料添加和关闭热源，最后关闭保护气。
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