CN1305634C - 用于利用边缘焊接进行复合多厚度激光－电弧焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用至少一个激光束和至少一个电弧的用于若干待焊接金属工件(1至4)的复合电弧/激光焊接的方法。本发明的特征在于，所述金属工件(1至4)以一多厚度构形叠置，并且促使所述激光束和所述电弧在所述多厚度构形(1a，2a，3a，4a)的边缘(1a至4a)上进行焊接。
Description
技术领域
本发明涉及将一种结合一激光束与一电弧的复合焊接法应用于多厚度焊接(multi-thickness welding)，即应用于通过焊接将若干相互堆叠的金属工件接合在一起，其中，沿边缘，即沿待焊接工件的侧向边缘进行焊接。
背景技术
已知的是，从工业的角度来看，多厚度焊接，即若干相互叠置的金属工件-一般是至少3个相互叠置的工件-的焊接不容易实现。
目前，如图1a至1c所示，当若干叠置的工件1至4必须通过例如利用激光焊接、电弧焊接或电子束焊接沿一焊接接头J进行焊接而接合在一起时，常规做法是通过下述方法熔化工件1至4：从位于紧对着发送焊接能量ES(即电弧、激光束、电子束等)的焊炬的第一工件1的侧面上的熔化部位F开始，以便使该熔化部分F穿过该第一工件1的整个厚度和设置在该第一工件1下方的工件2至4的连续厚度(沿箭头F1的方向)，直到实现沿工件1至3的厚度的完全熔化和位于该堆叠层下方的最后工件4，即离第一工件1最远的工件的完全或部分熔化。一旦实现这种熔化，就使焊炬和工件1至4彼此相对移动，以便沿整个焊道(沿箭头F2的方向)继续进行该熔化，从而形成所需的焊接接头J。
然而，这种焊接若干叠置工件的方法存在一些问题。
首先，已知的是，必须使几乎所有的工件全部穿透需要应用较大的焊接能量，而且，待接合在一起的工件数目越多，最重要的是待熔化的总厚度越大，则需要应用的焊接能量越大。
因此，如果能量不够，则最后的工件，即位于堆叠层下方的工件的焊接可能会完不成或者有缺陷。
另外，当待焊接的工件是薄板，典型地为具有0.3-1.5mm厚度的薄板时，经常可以观察到，这些薄板的端部由于在焊接期间所施加的高能而产生变形，因而使这些边缘或端部隆起，这可能会由于存在尖锐的突出边缘而产生以后的腐蚀问题并存在对使用者的危害。
其次，由于通常没有足够的用于将装配夹具放置在焊缝的各侧上的空间，不容易完成夹紧操作，即相互挤压这类组件的薄板并使它们保持在适当位置的操作。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种用于解决上述问题并获得有效及改善的焊接若干叠置的金属工件，即多厚度焊接的焊接方法。
因此，本发明的技术方案是一种利用至少一个激光束和至少一个电弧的用于若干待焊接金属工件的复合电弧/激光焊接方法，其特征在于，所述金属工件以一多厚度构形叠置，并且所述激光束和所述电弧沿边缘焊接所述多厚度构形。
根据各种情况，本发明的方法可以包括下列技术特征中的一个或多个：
-电弧和激光束冲击和焊接位于边缘上的同一区域；
-电弧和激光束冲击沿多厚度构形的厚度(E)的大约中间距离处；
-工件为金属板或薄板；
-激光束由一CO2或YAG型激光振荡器产生；
-多厚度构形包括2-100个工件，优选地为3-10个工件；
-多厚度构形的总厚度(E)在0.5mm和20mm之间，优选地为1-10mm；
-激光束和等离子弧结合在一起通过一焊接喷嘴的同一孔发送；
-在焊接期间，使用一种包含氩气或氦气，或同时包含这二者的气体；
-电弧由一自耗或非自耗电极产生；
-待焊接的工件由从铁素体或奥氏体、合金或非合金钢中选定的一种材料制成，并可选地涂覆有一镀锌层；以及
-边缘焊接的穿透深度(D)在0.5mm和10mm之间，优选地在0.5-1mm之间。
具体实施方式
图2-10中示出根据本发明的用于多厚度构形的若干叠置的工件的复合电弧/激光焊接法。
根据本发明，如图2中所示，待通过焊接接合在一起的金属工件1至4-在本实施例中为4块薄钢板或钢板-首先叠置成必须进行焊接的多厚度构形。
较确切地说，工件1至4以这样的方式设置，即使它们的各自边缘1a至4a面向发送激光束和电弧的焊接头定位。
然后激光束和电弧(它们由箭头5示意性地表示)冲击多厚度组件或构形的工件1至4的边缘1a至4a，以便熔化上述边缘1a至4a，和随后通过熔融金属的固化在所述边缘(1a至4a)处在所述金属工件之间形成一焊接接头6，如图3、9和10所示。
换句话说，本发明的焊接方法在于在激光束和电弧的共同作用下通过熔化边缘1a至4a，即位于待接合工件1至4的端部的边缘将工件接合在一起，而不再像先有技术中通常采用的以及图1a至1c所示的那样，通过熔化、通过利用在一工件侧面上开始的焊接而穿透全部工件。
焊接接头6可以通过全部熔化工件1至4中的每一个的边缘，即沿整个厚度E进行熔化而形成，如图3所示，或者通过全部熔化位于组件中心的工件2、3和仅部分熔化位于多厚度组件各侧上的工件1和4的边缘而形成，如图9中所示，该图9表明，尽管工件1和4的边缘1a和4a中的一部分均没有熔化，但仍然可获得多厚度组件的仅具有一较小厚度e(e＜E)的有效焊接接头6。
根据本发明的方法，因为没有必要全部熔化多厚度组件的整个厚度E(见图9)，所以很容易理解的是，待施加的能量比先有技术中(图1a-1c)通常施加的能量少，这相应地使焊接工件变形的危险减至最小。
此外，因为根据本发明的焊接沿边缘进行，因此这样焊接的工件1至4的端部不会再隆起和构成对用户有危险并促生以后的腐蚀的尖锐突边。
而且，复合方法可以获得边缘焊接所需的焊缝穿透和扩散，因为单用激光或者单用电弧都不能获得与良好的工业生产率相适应的焊接速度和穿透及扩散。作为一示例，对于一种其中4张1mm和0.5mm厚的薄板由一3KW CO2激光功率和一130A电弧电流沿边缘进行焊接的3mm多厚度构形，可以获得约4-5m/min的焊接速度。
本发明的方法不仅可以用于焊接其边缘1a至4a位于同一平面中的工件，如图2所示，而且可以焊接其边缘1a至4a位于不同平面中的工件，例如各边缘形成一楼梯状组件(图4)或具有若干平面或台阶的组件(图5-7)。
此外，尽管已经通过描述焊接由4块板所形成的多厚度构形而举例说明了该方法，但可以证明该方法同样可适用于只包括2个或3个工件的构形，例如图8中所示的具有3个工件1至3的构形，或者可选地，包括至少5个工件的构形。在所有情况下，沿边缘，即沿图2至8中箭头5的方向冲击并熔化工件对激光束和电弧来说都是基本的。
本发明的方法可以焊接其总厚度在0.5mm和20mm之间的多厚度组件。待焊接的工件可以分别具有相同的厚度或不同的厚度。
可用于本发明的复合电弧/激光焊接法是十分普通的方法，并且基于冲击同一点或同一区域的一激光束和一电弧的组合，以便该电弧能和激光束能结合以获得待焊接工件的有效熔化。
这种技术是本领域技术人员众所周知的，并且复合电弧/激光焊接法在例如下列文献中已有介绍：EP-A-1162026；EP-A-1160047；EP-A-1160046；EP-A-1160048；WO-A-02/16071；EP-A-793558；EP-A-782489；EP-A-800434；US-A-5006688；US-A-5700989；EP-A-844042；铝合金5052的激光GTA焊接，T.P.Diebold and C.E.Albright，1984，P.18-24；SU-A-1815085；US-A-4689466；Laser-plasma复合焊接，R.P.Walduck和J.Biffin，P.172-176，1994；或厚的低碳钢板、接头和材料的Laser-TIG复合焊接或Laser-MIG复合焊接。
电弧/激光法包括在一自耗或非自耗电极和一个或多个待焊接工件之间产生一电弧，以及将一高功率激光束，尤其是一YAG型或CO2型激光聚焦在电弧区域中，即聚焦在待焊接接合面附近或其中。
应用复合电弧/激光焊接法要求使用一用于结合激光束、其聚焦装置和一合适的自耗或非自耗焊接电极的焊接头。激光束与电弧同时发射或者在电弧形成之后发射，以便上述激光束与电弧结合。
若干种焊接头构形在上述文献中已有所介绍，并且可以概括性地指出，激光束和电弧可以由同一焊接头发送，即通过同一孔射出，或者通过两个分开的焊接头射出，其中一个发送激光束，而另一个发送电弧或等离子流，这二者在焊接区中结合，如例如文献WO-A-01/05550或EP-A-1084789中所述。
为了产生焊接接头，需要使用一种用于帮助激光束及屏蔽焊接区以防止外部侵害的辅助气体和一种电弧用气体，尤其是一用于在采用等离子弧方法时产生等离子体电弧射流的等离子气体。
电弧可以是等离子弧射流、由一非自耗钨电极产生的TIG弧或在一自耗电极的端部产生的MIG弧，并且能在其逐渐进行熔化时为金属焊池提供额外的填充金属/焊料。在所有情况下，激光束和电弧结合以便获得一足以熔化待焊接工件1至4的边缘1a至4a的能量密度(焊接能量)局部集中。
本发明可用于将具有相同或不同厚度和/或相同或不同冶金成分或冶金级的工件接合在一起。
不用说，为了获得如图10所示的一完整的焊接接头6，待焊接的工件和焊接头彼此相对移动，也就是说，或者是工件固定而焊接头移动，或者反之。
另外，应该强调的是，可以在一个或多个焊道中进行焊接。
本发明的方法可用于焊接由若干金属厚度形成的可以进行边缘焊接并例如用于热交换器的焊接部件的任何结构。
本发明的方法还可用于管道或各部分的隆起边缘的边缘焊接，也就是说，其边缘伸到外部的具有相同或不同厚度的工件根据本发明的方法进行边缘焊接。
Claims (13)
1.一种利用至少一个激光束和至少一个电弧的用于若干待焊接金属工件(1至4)的复合电弧/激光焊接方法，该方法的特征在于，所述金属工件(1至4)以一多厚度构形叠置，并且所述激光束和所述电弧沿边缘(1a至4a)焊接所述多厚度构形(1a，2a，3a，4a)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电弧和激光束冲击和焊接位于边缘上的同一区域。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的方法，其特征在于，所述电弧和激光束冲击沿多厚度构形的厚度(E)的大约中间距离处。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件为金属板或薄板。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束由一CO2或YAG型激光振荡器产生。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多厚度构形包括2-100个工件。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多厚度构形的总厚度(E)在0.5mm和20mm之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束和等离子弧结合在一起通过一焊接喷嘴的同一孔发送。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在焊接期间，使用一种包含氩气或氦气，或同时包含这二者的气体。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，边缘焊接的穿透深度(D)在0.5mm和10mm之间。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电弧由一自耗或非自耗电极产生。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待焊接的工件由从铁素体或奥氏体、合金或非合金钢中选定的一种材料制成，并可选地涂覆有一镀锌层。
13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多厚度构形包括3-10个工件。
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