CN104400226B - 一种双面激光-tig电弧复合焊接方法 - Google Patents
一种双面激光-tig电弧复合焊接方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,它涉及一种复合焊接方法。本发明的方法如下:一、将待焊工件坡口加工,清洗装夹具;二、将两套相对独立的激光-TIG电弧***置于待焊工件两侧,调整位置;三、设置焊接工艺参数;四、启动***进行焊接。本发明的双面激光-电弧复合焊接新方法主要是在焊接中厚板的时候采用双面开坡口,然后在板的两面同时采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接。其中,采用焊枪与激光工作头的一体化设计,保证了焊接的精度性,钨极端部和激光束延长线共同交于焊缝中心一点,双面的激光-电弧焊接过程沿同一方向同步进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法。
背景技术
众所周知,激光-电弧复合焊接作为一种新的现代激光焊接新方法,如图1所示,利用两种不同作用的热源相互作用,发挥其各自的优势,同时弥补了对方的不足,具有独特的优势:①高效节能;②增加焊缝熔深,稳定焊接电弧;③提高了焊接适应性,可进行高速焊接;④通过调节两种热源能量的匹配,改善焊缝成型。复合焊接过程中,激光热源主要有CO2激光,YAG激光,光纤激光等;电弧热源主要有:TIG,GMA,Plasma电弧等;其复合方式有同轴复合,旁轴复合,甚至是多电极与单激光复合。
目前,激光-TIG电弧主要应用于薄板和不等厚板焊接;激光-GMA电弧复合焊接主要应用于中厚板或者厚板焊接。但是,由于航天焊接对焊缝质量要求高,尤其是铝合金作为航天领域应用的一种主要材料,无论是采用激光-TIG复合焊接,还是激光-GMA复合焊接方法,焊缝过程的稳定性及焊缝成形较差,尤其是铝合金焊缝中存在明显的气孔缺陷,严重影响其在航天领域的应用。现有的方法中激光与TIG电弧双面焊接方法,焊缝过程等离子体稳定,焊缝成形良好,且焊缝并没有明显的气孔缺陷。
但是,在激光-TIG双面焊接方法中,如图2所示,存在以下问题,尤其是中厚板铝合金更为严重:
1、焊接件两侧受到两种不同性质热源的作用,两侧母材受热不对称,产生的工件变形也不对称,相互抵消作用不明显,使得焊缝变形较大,增加了焊后矫形的工作量;
2、由于激光和TIG电弧在工件的两侧,焊接件装夹时的预留间隙降低了激光的适应性,且激光和电弧的对中精度难度增加,易出现激光或电弧偏置现象,如图3所示。这些都增加了工件的装配难度,降低了工作效率;
3、在焊接铝合金等高反射率材料时,由于一侧为激光束作用,激光能量反射明显,导致能量浪费严重,利用率不高,提高了焊接成本。
这些缺点都限制了激光-TIG复合焊接和激光-TIG双面焊接方法的普及和应用,针对上述问题,本发明提出了一种针对中厚板焊接新的激光-电弧复合焊接新方法:双面激光-TIG电弧复合焊接新方法。
发明内容
本发明的目的是为了在针对激光-TIG双面焊接存在的上述问题,而提供了一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法。
本发明的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,具体操作如下:
步骤一:焊接前,将待焊工件的待焊接部位加工成双V型坡口,并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗,将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上;
步骤二:将两套相对独立的激光-TIG电弧***分别置于待焊工件两侧,保持两套激光器在一条轴线上,轴线与工件的夹角为60°~90°,调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为25°~55°;
步骤三:设置焊接工艺参数:激光功率为500~10000W,光斑直径为-4~+4mm;电弧电流为50~500A,焊接速度为50~500mm/min;
步骤四:在设置完成焊接工艺参数后,先通入保护气体,再将待焊接工件两侧的电弧同时起弧,在电弧稳定1~2s后,然后使待焊接工件两侧的激光器同时发出激光束,采用激光在前、电弧在后的焊缝方式,通过机器人控制激光头和焊枪,使得工件两侧的两套激光-TIG电弧***共同运动完成双面激光-TIG电弧复合焊接。
本发明包含以下有益效果:
本发明的双面激光-电弧复合焊接新方法主要是在焊接中厚板的时候采用双面开坡口,然后在板的两面同时采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接,如图6所示。其中,采用焊枪与激光工作头的一体化设计,保证了焊接的精度性,钨极端部和激光束延长线共同交于焊缝中心一点,双面的激光-电弧焊接过程沿同一方向同步进行。
双面激光-电弧复合焊接新方法相比于激光-TIG复合焊的优点表现为以下几点:
1、双面激光-电弧复合焊接相对于激光-TIG双面复合焊的坡口钝边尺寸较小,在相同板厚的情况下提高了焊枪的可达性,保证了焊接过程定位精度和稳定性,提高焊缝质量;
2、由于激光-电弧复合热源同时在工件的两侧同步焊接,两侧热循环产生的应力场有相互抵消的作用,可以大幅度降低由于焊接应力产生的变形,相应地减少了焊后矫形的工作量,提高了焊接效率;
3、双面激光-电弧复合焊接在相同情况下减少了焊接道数,提高了焊接效率,降低了焊接成本;
4、焊接道数的减少降低了热输入,减少了焊缝组织经历的热循环的次数,有利于降低晶粒尺寸,同时还可以减少层间夹渣、气孔等焊接缺陷的产生,提高了焊缝质量。
附图说明
图1激光-电弧复合焊接示意图;
图2激光-TIG双面焊接主视图的示意图;
图3激光-TIG双面焊接截面图的示意图;
图4激光-TIG双面焊接过程电弧偏移时的焊缝成型电镜图;
图5激光-TIG双面焊接过程电弧和激光同时偏移时的焊缝成型电镜图;
图6双面激光-电弧复合焊接示意图;
图7双面激光-电弧复合焊接双V型坡口示意图;
图8双面激光-电弧复合焊接双U型坡口示意图;
图9双面激光-电弧复合焊接双Y型坡口示意图;
图10双面激光-电弧复合焊接带钝边双U型坡口示意图;
图11激光-TIG复合焊接的焊接接头成型示意图;
图12激光-TIG双面焊接的焊接接头成型示意图;
图13双面激光-TIG复合焊接的焊接接头成型示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,具体操作如下:
步骤一:焊接前,将待焊工件的待焊接部位加工成双V型坡口,并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗,将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上;
步骤二:将两套相对独立的激光-TIG电弧***分别置于待焊工件两侧,保持两套激光器在一条轴线上,轴线与工件的夹角为60°~90°,调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为25°~55°;
步骤三:设置焊接工艺参数:激光功率为500~10000W,光斑直径为-4~+4mm;电弧电流为50~500A,焊接速度为50~500mm/min;
步骤四:在设置完成焊接工艺参数后,先通入保护气体,再将待焊接工件两侧的电弧同时起弧,在电弧稳定1~2s后,然后使待焊接工件两侧的激光器同时发出激光束,采用激光在前、电弧在后的焊缝方式,通过机器人控制激光头和焊枪,使得工件两侧的两套激光-TIG电弧***共同运动完成双面激光-TIG电弧复合焊接。
采用机器人集成***控制本实施方式的焊接工艺参数。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不相同的是:所述的电弧焊接是采用钨极氩弧焊焊机进行的。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不相同的是:电弧焊接方式为直流焊接或交流焊接。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不相同的是:直流焊接方式为直流反极性焊接或直流正极性焊接。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不相同的是:若待焊接工件为铝合金或镁合金,则采用直流反极性焊接。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不相同的是:待焊接工件为中厚板,厚度为4-10mm;若为对接焊缝时,两板之间间隙为0~2mm。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不相同的是:激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不相同的是:保护气为惰性气体;所述的惰性气体为Ar气或He气。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不相同的是:保护气的流量为10~30L/min。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不相同的是:保护气的流量为10~20L/min。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式一至十之一不相同的是:保护气的流量为10~15L/min。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二:本实施方式与具体实施方式一至十一之一不相同的是:调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为30°~50°。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三:本实施方式与具体实施方式一至十二之一不相同的是:调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为35°~45°。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四:本实施方式与具体实施方式一至十三之一不相同的是:步骤三中设置焊接工艺参数:激光功率为1000~10000W,光斑直径为-4~+4mm;电弧电流为100~400A,焊接速度为100~400mm/min。其它与具体实施方式一至十三之一相同。
具体实施方式十五:本实施方式与具体实施方式一至十四之一不相同的是:步骤三中设置焊接工艺参数:激光功率为2000~10000W,光斑直径为-4~+4mm;电弧电流为200~400A,焊接速度为200~400mm/min。其它与具体实施方式一至十四之一相同。
具体实施方式十六:本实施方式与具体实施方式一至十五之一不相同的是:步骤三中设置焊接工艺参数:激光功率为3000~10000W,光斑直径为-4~+4mm;电弧电流为300~400A,焊接速度为300~400mm/min。其它与具体实施方式一至十五之一相同。
具体实施方式十七:本实施方式与具体实施方式一至四之一不相同的是:若待焊接工件表面不存在高熔点的氧化物,则采用直流正极性焊接;所述的高熔点的熔点温度为1200℃~3000℃。其它与具体实施方式一至四之一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容,其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例1
本实施例的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,具体操作如下:
步骤一:焊接前,将待焊工件(待焊工件为8mm厚铝合金)的待焊接部位加工成双V型坡口,并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗,将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上;
步骤二:将两套相对独立的激光-TIG电弧***分别置于待焊工件两侧,保持两套激光器在一条轴线上,轴线与工件的夹角为85°,调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为25°~55°;
步骤三:设置焊接工艺参数:激光功率为2000W,光斑直径为-1mm;电弧电流为80A,焊接速度为600mm/min;
步骤四:在设置完成焊接工艺参数后,同时启动两套激光-TIG电弧***,首先将待焊接工件两侧的电弧同时起弧,在电弧稳定1~2s后,待焊接工件两侧的激光器同时发出激光束,采用激光在前、电弧在后的焊缝方式,通过机器人控制激光头和焊枪,使得工件两侧的两套激光-TIG电弧***共同运动完成双面激光-TIG电弧复合焊接。
本实施例的激光器采用光纤传输的YAG固体激光器;
本实施例的电弧焊接采用的是为满足自动化焊接的钨极氩弧焊焊机;
本实施例的钨极氩弧焊的焊接方式为交流焊;
本实施例的保护气体为氦气,流量为20L/min。
本实施例的焊接结果如图13所示,图11至13分别显示了采用不同焊接方法下对接接头成型示意图。可以看出,图11中激光-TIG复合焊焊缝成型为典型的“高脚杯”状,由于激光的能量密度较高,可以把能量传输到焊缝底部,而电弧能量密度较小,主要作用区域为焊缝上部,增加焊缝的熔宽,因此焊缝可以分为上部的电弧区和下部的激光区。图12中激光-TIG双面焊焊接成形为明显不对称的“束腰”状,即在激光和电弧相互作用的结合处出现母材熔化宽度比较小的情况,接头中部的最小熔宽直接影响焊缝性能。图13中双面激光-TIG复合焊接接头成型为明显的对称“束腰”状。这是因为焊接件两侧受到对称热源的同步作用,使得焊缝受到的温度场也是对称的,从而形成对称的焊接接头,保证了焊接质量。
Claims (11)
1.一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于它是按照以下步骤进行的:
步骤一:焊接前,将待焊工件的待焊接部位加工成双V型坡口,并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗,将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上;
步骤二:将两套相对独立的激光-TIG电弧***分别置于待焊工件两侧,保持两套激光器在一条轴线上,轴线与工件的夹角为60°~90°,调整两套TIG电弧的焊枪与激光束之间夹角均为25°~55°;
步骤三:设置焊接工艺参数:激光功率为500~10000W,光斑直径为-4~+4mm;电弧电流为50~500A,焊接速度为50~500mm/min;
步骤四:在设置完成焊接工艺参数后,先通入保护气体,再将待焊接工件两侧的电弧同时起弧,在电弧稳定1~2s后,然后使待焊接工件两侧的激光器同时发出激光束,采用激光在前、电弧在后的焊缝方式,通过机器人控制激光头和焊枪,使得工件两侧的两套激光-TIG电弧***共同运动完成双面激光-TIG电弧复合焊接。
2.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于所述的电弧焊接是采用钨极氩弧焊焊机进行的。
3.根据权利要求1或2所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于电弧焊接方式为直流焊接或交流焊接。
4.根据权利要求3所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于直流焊接方式为直流反极性焊接或直流正极性焊接。
5.根据权利要求4所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于若待焊接工件为铝合金或镁合金,则采用直流反极性焊接。
6.根据权利要求4所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于若待焊接工件表面不存在高熔点的氧化物,则采用直流正极性焊接;所述的高熔点氧化物的熔点温度为1200℃~3000℃。
7.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于待焊接工件为中厚板,厚度为4~10mm。
8.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。
9.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于保护气为惰性气体。
10.根据权利要求1或9所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于保护气的流量为10~30L/min。
11.根据权利要求1所述的一种双面激光-TIG电弧复合焊接方法,其特征在于步骤三中设置焊接工艺参数:激光功率为1000~10000W,光斑直径为-4~+4mm;电弧电流为100~400A,焊接速度为100~400mm/min。
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