CN117506147A - 一种激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，属于焊接技术领域。包括如下步骤：步骤1、将激光头与焊枪固定，并将焊枪竖直放置于待焊接工件上方，以使激光照射位置与钨极延长线的交点位于匙孔前壁熔融层；且沿焊接方向，焊枪位于激光头的前方；步骤2、设置焊接参数，通入保护气，启动焊枪，起弧后达到工作电流后，开启激光头，使激光头和焊枪相对待焊接工件同步移动，进行复合焊接。利用激光减弱甚至抵消由于焊件和热源相互作用产生的锁孔前熔融层对电弧的阻碍作用，使得电弧更挺直，提高锁孔的焊速和可焊厚度，解决了锁孔焊接过程中，焊速过快导致电弧拖拽和可焊厚度过厚时锁孔不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
KD-TIG(大熔深氩弧焊)是在传统TIG焊(非熔化极惰性气体保护电弧焊)的基础上，将TIG焊枪改造成大电流水冷焊枪，水冷焊枪沿钨极轴向带走更多热量，使钨极尖端阴极区收缩，电流密度更加集中，电磁收缩效应加强，电弧能量密度提高，产生更大电弧力穿透工件，形成小孔，在电弧力，熔池重力，表面张力的平衡下，小孔稳态前进，实现锁孔焊接，在中厚板焊接中，因其焊接质量高，单面焊双面成型的特点，被广泛应用。
这种焊接模式利用小孔进行能量的传输，因此小孔的稳定性是锁孔焊接的关键工艺，对于大熔深氩弧焊及等离子焊或其它锁孔焊接方法，锁孔稳定是工艺应用的充分必要条件，这限制了大熔深氩弧焊和等离子焊的焊速与可焊厚度。
也就是说，K D-TIG锁孔焊接中，利用电弧的穿透力穿透焊缝形成小孔，随后在表面张力，电弧力，熔池重力的相互作用下达到平衡，形成稳定锁孔焊接过程。在此过程，由于焊件和热源存在相互作用，因此背部小孔出现具有滞后性，即小孔的位置在电弧的后方，这种距离会随着焊速和厚度的增加而增加，通过金相试验观察到，KD-TIG小孔前方存在厚度不均匀的小孔前壁熔融层，其会阻碍电弧的穿透力，致使电弧产生拖拽现象，限制了焊接速度与焊接厚度。
专利公开号为CN104985327A的中国专利，公开了采用双焦点激光与InFocus复合焊接的方法，两束激光和电弧共同作用于被焊区域，使焊缝同时受到三个热源的共同作用，可以达到增加熔深的效果，但造成熔池体积过大，在中厚板焊接时，锁孔不稳定并且其采用双焦点激光电弧复合，设备复杂且参数众多，操作难度较大。
专利公开号为CN 107685193 A的中国专利，公开了一种脉冲负压激光增强型锁孔TIG焊接装置，该装置采用激光电弧同轴放置，激光从中空钨极中照射到工件上与电弧共同形成热源进行焊接，且在钨极上方配备真空负压装置，可有效约束电弧，增强电弧穿透力，中空钨极电弧的电流密度呈凹形分布，其电弧穿透力明显降低，并且这种同轴复合枪头设计复杂，加工难度大，实用性不强。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，以深熔氩弧焊为主热源，激光为辅热源，单面焊双面成型，提高电弧的挺直性，减小熔池体积，改善锁孔稳定性，并能降低焊接热输入。
本发明提供了一种激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法；
一种激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，包括以下步骤：
步骤1、将激光头与焊枪固定，并将焊枪竖直放置于待焊接工件上方，以使激光照射位置与钨极延长线的交点位于匙孔前壁熔融层；且沿焊接方向，焊枪位于激光头的前方；
步骤2、设置焊接参数，通入保护气，启动焊枪，起弧后达到工作电流后，开启激光头，使激光头和焊枪相对待焊接工件同步移动，进行复合焊接。
通过采用上述技术方案，将激光作用于熔融层，用激光去减弱甚至抵消熔融层带来阻碍效果，使得电弧更挺直；通过电弧在前激光在后的方式，确保电弧为主热源，使其在焊接过程中起到主要作用，而激光在后为辅助热源，辅助电弧穿孔，与KTIG相比，锁孔的焊速得到提升，可焊厚度得到增加，与激光在前电弧在后的复合焊接相比，可以获得优质的焊接接头，并且对于接头的间隙要求低的多。
进一步的，焊枪产生的电弧为主热源，激光加工头产生的低功率激光为辅助热源。
通过采用上述技术方案，通过添加激光或者增加激光功率的方式，在不增加焊接电流的前提下实现厚板穿透。
进一步的，所述激光照射位置与钨极延长线的交点位于工件厚度的三分之一～三分之二处。
通过采用上述技术方案，工件厚度的三分之一～三分之二处为匙孔前壁熔融层变化最剧烈的区域，使激光作用于该区域，提高电弧的穿透力和挺直度。
进一步的，所述复合焊接的焊接速度为0.2m/min～2m/min。
进一步的，所述待焊接工件的厚度为6mm～12mm。
进一步的，激光焊接参数包括：输出功率为500W～20KW，激光离焦量为-6mm～0mm；深熔氩弧焊焊接参数包括：焊接电流为300A～800A，钨极直径为8mm，钨极高度为3mm～10mm，焊接方式为直流正接。
进一步的，在步骤1之前还包括：
对待焊接工件的坡口和待焊表面进行打磨和清洗，使用夹具将待焊接工件固定于焊接平台。
进一步的，所述激光头与待焊接工具表面法线方向具有夹角，所述夹角为30°～60°。
进一步的，所述激光头的类型包括激光聚焦焊接头、激光双摆焊接头和激光振镜焊接头。
进一步的，激光照射的方式包括聚焦激光照射和激光摆动照射，激光照射的摆动路径包括一字形、1字型、8字形、圆形和多边形，激光照射的摆动幅值为0mm～12mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的技术方案，大熔深氩弧焊的正常焊接速度在200～300mm/min，与大熔深氩弧焊相比，在同等焊接电流与焊接速度下，激光的加入明显提高了电弧的挺直度，使焊接速度提高60％～100％。
2、对于厚板焊接，单纯KD-TIG需要增加电流和降低焊速来保证穿孔的形成，但相应的熔池体积过大，会在背部出现焊瘤，导致锁孔不稳定；本发明提供的技术方案，属于氩弧穿孔，接头质量一定优于激光穿孔的接头；且通过添加激光或者增加激光功率的方式，实现在不增加焊接电流下实现厚板穿透，降低了电弧穿孔的电流阈值。
3、本发明提供的技术方案，在焊接时，由于提高了电弧的穿透力和挺直度；相比于KD-TIG，10mm碳钢不开坡口焊接，在激光功率为1500W，焊接电流为500A时，复合焊接焊速可达400mm/min，6mm不锈钢不开坡口焊接，激光功率为1500W，焊接电流为430A，复合焊接焊速可达800mm/min，使用该方法可在小电流高焊速下保持电弧锁孔焊接。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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。
图1为本发明实施例提供的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接过程中的熔池示意图；
图2为本发明实施例提供的激光锁孔引导的KD-TIG焊接10mm不锈钢焊缝形貌示意图，(a)为正面焊缝形貌图，(b)为反面焊缝形貌图；
图3为本发明实施例提供的KD-TIG焊接10mm不锈钢焊缝形貌，(a)为正面焊缝形貌图，(b)为反面焊缝形貌图；
图4为本发明实施例提供的激光锁孔引导的KD-TIG焊接8mm碳钢焊缝形貌。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
现有技术中的锁孔焊接过程中，单纯依赖KD-TIG焊接，焊速过快导致电弧拖拽和可焊厚度过厚时锁孔不稳定；因此，本发明提供了一种激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法。
接下来，结合图1-图4对本实施例公开的一种激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法进行详细说明，该激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法包括如下步骤：
步骤1、对待焊接工件的坡口和待焊表面进行打磨和清洗，使用夹具将待焊接工件固定于焊接平台。
步骤2、将激光头与焊枪固定，并将焊枪竖直放置于待焊接工件上方，以使激光照射位置与钨极延长线的交点位于匙孔前壁熔融层；且沿焊接方向，焊枪位于激光头的前方。
具体的，激光照射位置与钨极延长线的交点位于工件厚度的三分之一～三分之二处，激光头与待焊接工具表面法线方向具有夹角，夹角为30°。
其中，板厚越厚，维持锁孔稳定的复合热源夹角越小。
步骤3、设置焊接参数，通入保护气，启动焊枪的运行装置与起弧装置，起弧后达到工作电流后，开启激光头，使激光头和焊枪相对待焊接工件同步移动，进行复合焊接。
其中，运行装置为带动焊枪和激光头运动的机器人，起弧装置为氩弧高频起弧模块，启动氩弧高频起弧模块后电弧才开始燃烧。
进一步的，焊枪产生的电弧为主热源，激光加工头产生的低功率激光为辅助热源；复合焊接的焊接速度为0.4m/min～2m/min，待焊接工件的厚度为4mm～16mm，激光焊接参数包括：输出功率为500W～20KW，激光离焦量为-6mm～0mm；深熔氩弧焊焊接参数包括：焊接电流为300A～800A，钨极直径为8mm，钨极高度为3mm～10mm，焊接方式为直流正接。激光头的类型包括激光聚焦焊接头、激光双摆焊接头和激光振镜焊接头，激光照射的方式包括聚焦激光照射和激光摆动照射，激光照射的摆动路径包括一字形、1字型、8字形、圆形和多边形，激光照射的摆动幅值为0mm～12mm。
其中，激光功率与电弧电流的参数取决于焊速与板厚，焊速越快，所需激光功率越高，板厚越厚，电弧电流越大。
接下来，以下述实施例对激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法进行详细说明：
实施例1：
本实施例采用10mm厚度不锈钢板，进行激光锁孔引导KD-TIG复合焊接，采用1500W连续光纤激光器，激光波长1064nm，激光聚焦直径为0.45mm，采用奥太WSM-1000电源搭配KD-TIG焊枪。具体流程如下：
(1)将待焊工件的表面进行打磨和清洗，使用夹具加持在焊接平台上。
(2)利用工装夹具将激光头和KD-TIG焊枪刚性固定，焊枪垂直于工件表面，激光头于工件表面法线方向夹角为30°，
(3)设置焊接参数，具体为：激光功率为1350W，离焦量为-6mm，KD-TIG钨极直径为8mm，焊接电流540A，工件表面上，激光斑点与钨极尖端间距为3mm，焊接速度为0.5m/min，采用保护气体为99.9％氩气，由KD-TIG焊枪喷出，气流量为20L/min。
(3)预通保护气，先启动电弧，待电弧启动成功后，再启动激光，并使激光头和KD-TIG焊枪相对待焊工件同步移动，进行激光锁孔引导KD-TIG复合焊接，获得焊缝如图2所示。
实施例2：
本实施例采用8mm厚度低碳钢板，进行激光锁孔引导KD-TIG焊接；采用1500W连续光纤激光器，激光波长1064nm,激光聚焦直径为0.45mm；采用奥太WSM-1000电源搭配KD-TIG焊枪。具体流程如下：
(1)将待焊工件的表面进行打磨和清洗，使用夹具加持在焊接平台上。
(2)利用工装夹具将激光头和KD-TIG焊枪刚性固定，焊枪垂直于待焊接工件表面，激光头与待焊接工件表面法线方向夹角为30°。
(3)设置焊接参数，具体为：激光功率为1350W，离焦量为-4mm，设置激光扫描模式为一字形，摆幅为1mm，摆频为100HZ，KD-TIG钨极直径为8mm，焊接电流480A，待焊接工件表面上，激光斑点与钨极尖端间距为2mm，焊接速度为0.54m/min，采用保护气体为99.9％氩气，由KD-TIG焊枪喷出，气流量为20L/min。
(4)预通保护气，先启动电弧，待电弧启动成功后，再启动激光，并使激光头和KD-TIG焊枪相对待焊工件同步移动，进行激光锁孔引导KD-TIG焊接，获得的焊缝如图4所示。
对比例1：
本实施例采用10mm厚度不锈钢板，进行KD-TIG焊接，采用奥太WSM-1000电源搭配KD-TIG焊枪。具体流程如下：
(1)将待焊工件的表面进行打磨和清洗，使用夹具加持在焊接平台上。
(2)利用工装夹具将KD-TIG焊枪刚性固定，焊枪垂直于工件表面。
(3)设置焊接参数，具体为：KD-TIG钨极直径为8mm,焊接电流540A，焊接速度为0.24m/min，采用保护气体为99.9％氩气，由KD-TIG焊枪喷出，气流量为20L/min，安装有背部保护气和焊枪保护气拖罩，采用保护气均为99.9％氩气。
(4)预通保护气，先启动电弧，待电弧启动成功后，进行KD-TIG焊接，焊缝如图3所示。
对比KD-TIG与激光引导锁孔KD-TIG焊接不开坡口对接接头8mm碳钢，焊速可提高120％，电流降低10％，热输入降低50％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将激光头与焊枪固定，并将焊枪竖直放置于待焊接工件上方，以使激光照射位置与钨极延长线的交点位于匙孔前壁熔融层；且沿焊接方向，焊枪位于激光头的前方；
步骤2、设置焊接参数，通入保护气，启动焊枪，起弧后达到工作电流后，开启激光头，使激光头和焊枪相对待焊接工件同步移动，进行复合焊接。
2.如权利要求1所述的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，焊枪产生的电弧为主热源，激光加工头产生的低功率激光为辅助热源。
3.如权利要求1所述的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，所述激光照射位置与钨极延长线的交点位于工件厚度的三分之一～三分之二处。
4.如权利要求1所述的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，所述复合焊接的焊接速度为0.2m/min～2m/min。
5.如权利要求1所述的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，所述待焊接工件的厚度为6mm～12mm。
6.如权利要求1所述的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，激光焊接参数包括：输出功率为500W～20KW，激光离焦量为-6mm～0mm；深熔氩弧焊焊接参数包括：焊接电流为300A～800A，钨极直径为8mm，钨极高度为3mm～10mm，焊接方式为直流正接。
7.如权利要求1所述的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，在步骤1之前还包括：
对待焊接工件的坡口和待焊表面进行打磨和清洗，使用夹具将待焊接工件固定于焊接平台。
8.如权利要求1所述的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，所述激光头与待焊接工具表面法线方向具有夹角，所述夹角为30°～60°。
9.如权利要求1所述的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，所述激光头的类型包括激光聚焦焊接头、激光双摆焊接头和激光振镜焊接头。
10.如权利要求1所述的激光锁孔引导深熔氩弧焊的复合焊接方法，其特征在于，激光照射的方式包括聚焦激光照射和激光摆动照射，激光照射的摆动路径包括一字形、1字型、8字形、圆形和多边形，激光照射的摆动幅值为0mm～12mm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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