CN105127595A - 厚板激光-双面电弧复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种厚板激光-双面电弧复合焊接方法，解决现有焊接方法在焊接厚板时，存在焊缝根部缺陷，激光能量利用率低，操作复杂费时，设备成本高等问题。方法包括：步骤一，根据焊接接头的型式，在待焊接部位加工出坡口；步骤二，固定工件并清洁坡口；步骤三，在接头一侧，布置激光束和第一焊枪，激光束的光轴与第一焊枪的中轴线形成30°～45°的第一夹角；激光束入射点和焊枪的焊丝末端之间具有预定间距；接头的另一侧，镜像布置第二焊枪；步骤四，通过能量匹配，使得焊接过程中在接头形成一个双面贯通的熔池；第一焊枪产生的电弧等离子体与激光束产生的光致等离子体相接触，从而稀释所述光致等离子体。

Description

厚板激光-双面电弧复合焊接方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及到大型厚板激光-电弧复合焊接方法。

背景技术

在焊接领域，一般将厚度小于4mm的板材称为薄板，厚度在4mm～12mm之间的板材称为中厚板，厚度大于12mm的板材称为厚板。

激光-电弧复合焊综合了激光焊和电弧焊的优势，具有熔深大、焊接速度高、间隙适应性宽和焊接变形小等特点，在中厚板焊接中显示出特有的优越性。

目前公知的激光-电弧复合焊接方法有：

1、常规的激光-电弧复合焊接方法

激光-电弧复合加工方法如图1所示，对于对接接头，该方法为一个激光热源1与一个电弧热源2在待焊工件3同侧组成复合热源焊接。该方法在焊接中厚板时，优势十分明显，得到了广泛的应用。但是该方法存在缺陷，如图2所示，该方法在焊接厚板时，因熔池较小，且焊缝W深宽比较大，焊接冷却速率快，焊缝根部容易形成裂纹C和气孔P的缺陷。此外，该方法为单面焊接，存在焊接应力变形问题。

对于T型接头，如图3所示，也存在焊缝根部容易形成裂纹、气孔缺陷，焊接应力变形的问题。

2、激光-电弧异侧复合焊接方法

如图4所示，对于对接接头，该方法为一个激光热源4与一个电弧热源5分居待焊工件6两侧组成复合热源焊接。虽然该方法为双面对称焊接，降低了焊接应力变形，且电弧为激光提供了预热作用，利于工件对激光能量的吸收，而激光形成的局部高温区则提高了电弧的稳定性。但是，在焊接过程中，由于高温高密度的光致等离子体(激光与工件相互作用形成的等离子体)主要在待焊工件的一侧形成，而温度和密度较低的电弧等离子体在工件的另一侧形成，即光致等离子体与电弧等离子体被工件隔开。电弧等离子体不能和光致等离子体接触，将无法起到稀释光致等离子体的作用，致密的光致等离子体对入射的激光有吸收和散射作用，影响了激光的能量传输效率，极大地减少了到达工件的激光能量密度，导致焊缝熔深变浅。同时，光致等离子体也不能有效的吸引和压缩电弧，不能起到进一步提高电弧稳定性的作用。

如图5所示，对于T型接头，该方法也存在光致等离子体与电弧等离子体被工件隔开的问题。此外，由于激光和电弧热输入差异较大，如图6所示，两侧焊缝不对称，焊接应力变形较大。

3、激光-双电弧异侧复合焊接方法，如图7所示，该方法为一个激光热源7在待焊工件面板91一侧，而两个电弧热源81和82在待焊工件面板91另一侧并镜像分布于待焊工件立板92两侧，组成复合热源焊接。该方法与激光-电弧异侧复合焊接方法类似，光致等离子体与电弧等离子体被工件隔开，不能有效地利用激光热源与电弧热源相互耦合的优势。而且该方法针对薄板焊接，如图8所示，待焊工件立板92两侧电弧的熔深较浅，不适用于厚板焊接。

4、双面激光-电弧复合焊接方法

对于T型接头，如图9所示，该方法涉及两个激光热源和两个电弧热源，在待焊工件面板121上方，其中一个激光热源10和一个电弧热源11在待焊工件立板122一侧组成一套激光-电弧复合热源，而另一套激光-电弧复合热源镜像分布在待焊工件立板122的另一侧，两套激光-电弧复合热源同步施焊。该方法为双面对称焊接，降低了焊接应力变形，且有效地利用了激光与电弧耦合的优势，其接头横截面示意图如图10所示。但是该方法涉及两个激光，对设备成本要求高，而且两侧激光束要求严格对中，以维持两侧激光束产生的两个激光匙孔相互贯通，形成一个熔池，实现焊接，这极大的限制了该方法的应用与推广。

对于对接接头，如图11所示，也存在设备成本高，要求严格对中的问题。

总之，上述激光-电弧复合焊接方法在焊接薄板和中厚板时，优势十分明显，但是在焊接厚板时，都不同程度的存在各自的问题，限制了其在厚壁构件焊接中的应用与推广，因此，从焊接质量、激光能量利用率和成本考虑，急需开发新型激光-电弧复合焊接方法。

发明内容

本发明的目的是要提供一种厚板激光-双面电弧复合焊接方法，现有激光-电弧复合焊接方法在焊接厚板时，存在焊缝根部裂纹、气孔缺陷，焊接应力变形大，激光能量利用率低，操作复杂费时，设备成本高等问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种厚板激光-双面电弧复合焊接方法，包括：

步骤一，根据焊接接头的型式，在厚板工件的待焊接部位加工出坡口：

步骤二，固定所述厚板工件并清洁所述待焊接部位和所述坡口；

步骤三，在所述焊接接头的一侧，布置激光束和第一焊枪，所述激光束的光轴与所述第一焊枪的中轴线形成30°～45°的第一夹角；所述激光束在所述待焊接部位上的入射点和所述第一焊枪的焊丝末端之间具有预定间距；在所述焊接接头的另一侧，相对所述第一焊枪镜像布置第二焊枪；

步骤四，通过能量匹配，使得焊接过程中在所述焊接接头形成一个双面贯通的熔池；在焊接过程中，所述第一焊枪产生的电弧等离子体与所述激光束产生的光致等离子体相接触，从而稀释所述光致等离子体。

优选的，上述的方法中，所述预定间距为1mm～6mm。

优选的，上述的方法中，

所述焊接接头的型式为T型接头，所述T型接头具有水平面板和接头立板，所述第一焊枪和所述第二焊枪镜像布置在所述接头立板两侧；

所述光轴和所述中轴线位于同一平面内；

所述光轴与所述水平面板形成5°～40°的第二夹角；

所述中轴线与所述水平面板形成5°～40°的第三夹角；

所述第二夹角等于所述第三夹角。

优选的，上述的方法中，所述焊接接头的型式为对接接头；

所述激光束的所述光轴垂直于所述厚板工件的水平表面。

优选的，上述的方法中，所述步骤二中，使用酒精进行所述清洗。

优选的，上述的方法中，所述能量匹配包括：根据所述厚板工件的厚度，设置激光功率、电弧电流、焊接速度、电弧焊枪气体流量和焊丝直径。

优选的，上述的方法中，产生所述激光束的激光器为CO₂激光器、YAG激光器或者光纤激光器；

所述焊枪采用熔化极活性气体保护焊或者熔化极惰性气体保护焊。

优选的，上述的方法中，所述接头立板开K型坡口，所述K型坡口的钝边d1为8mm～30mm，坡口角度θ为10°～20°，所述接头立板和所述水平面板的焊接间隙L1为0.5mm～1.5mm。

优选的，上述的方法中，所述对接接头的坡口为双Y型坡口，钝边d2为10mm～35mm，坡口角度φ为10°～30°，焊接间隙L2为0.3mm～1mm。

优选的，上述的方法中，所述厚板工件的厚度大于12mm。

本发明实施例具有以下技术效果：

本发明实施例中，第一焊枪和激光束组合设置在接头一侧，使得电弧等离子体能够稀释光致等离子体，具有了组合优势；第二焊枪镜像设置在接头另一侧，三个热源相互耦合共同作用形成熔池，从而具有了两侧电弧带来的流动性能好、利于根部气孔的溢出以及合金元素均匀分布等优势；而只采用一个激光热源，避免了两侧激光束需要严格对中的问题，因此，在保留所有组合优势的同时简化了操作难度并节约了成本。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为对接接头常规激光-电弧复合焊示意图；

图2为常规激光-电弧复合焊焊缝根部裂纹和气孔缺陷示意图；

图3为T型接头常规激光-电弧复合焊示意图；

图4为对接接头激光-电弧异侧复合焊示意图；

图5为T型接头激光-电弧异侧复合焊示意图；

图6为激光-电弧异侧复合焊T型接头横截面示意图；

图7为T型接头激光-双电弧异侧复合焊示意图；

图8为激光-双电弧异侧复合焊T型接头横截面示意图；

图9为T型接头双面激光-电弧复合焊示意图；

图10为双面激光-电弧复合焊T型接头横截面示意图；

图11为对接接头双面激光-电弧复合焊示意图；

图12为T型接头激光-双面电弧复合焊示意图；

图13为对接接头激光-双面电弧复合焊示意图；

图14为激光-双面电弧复合焊T型接头横截面示意图；

图15为激光-双面电弧复合焊对接接头横截面示意图；

图16为激光-双面电弧复合焊T型接头坡口示意图；

图17为激光-双面电弧复合焊对接接头坡口示意图；

图18为激光-双面电弧复合焊接方法的流程图。

具体实施方式

图18为激光-双面电弧复合焊接方法的流程图，如图18所示，本发明实施例提供一种厚板激光-双面电弧复合焊接方法，包括：

步骤201，根据焊接接头的型式，在厚板工件的待焊接部位加工出坡口；

步骤202，固定所述厚板工件并清洁所述待焊接部位和所述坡口；

步骤203，在所述焊接接头的一侧，布置激光束和第一焊枪，所述激光束的光轴与所述第一焊枪的中轴线形成30°～45°的第一夹角；所述激光束在所述待焊接部位上的入射点和所述第一焊枪的焊丝末端之间具有预定间距；在所述焊接接头的另一侧，相对所述第一焊枪镜像布置第二焊枪；

步骤204，通过能量匹配，使得焊接过程中在所述焊接接头形成一个双面贯通的熔池；在焊接过程中，所述第一焊枪产生的电弧等离子体与所述激光束产生的光致等离子体相接触，从而稀释所述光致等离子体。

可见，本发明实施例中，第一焊枪和激光束组合设置在接头一侧，使得电弧等离子体能够稀释光致等离子体，具有了组合优势；第二焊枪镜像设置在接头另一侧，三个热源相互耦合共同作用形成熔池，从而具有了两侧电弧带来的流动性能好、利于根部气孔的溢出以及合金元素均匀分布等优势；而只采用一个激光热源，避免了两侧激光束需要严格对中的问题，因此，在保留所有组合优势的同时简化了操作难度并节约了成本。

本发明实施例中，激光束的光轴与所述第一焊枪的中轴线形成30°～45°的第一夹角(例如图12中的β)，激光束的入射点和焊丝末端之间的预定间距为1mm～6mm，这种设置更有利于稀释光致等离子体，并且更有利于熔池的流动性。

本发明一个实施例中，所述焊接接头的型式为T型接头，所述T型接头具有水平面板和接头立板，所述第一焊枪和所述第二焊枪镜像布置在所述接头立板两侧；所述光轴和所述中轴线位于同一平面内；所述光轴与所述水平面板形成5°～40°的第二夹角；所述中轴线与所述水平面板形成5°～40°的第三夹角；所述第二夹角等于所述第三夹角(图12中的α)。

具体参考图12，对于T型接头，在接头一侧，激光束13的光轴和焊枪141(第一焊枪)的中轴线位于同一平面内，并且均与T型接头的面板151形成5°～40°的夹角α，该激光束13的光轴与该焊枪141的中轴线之间形成30°～45°的夹角β，并且该激光束13在待焊接部位上的入射点和该焊枪141的焊丝末端之间的间距D1为1mm～6mm；而焊枪142(第二焊枪)相对于焊枪141(第一焊枪)镜像设置于T型接头另一侧，焊接方向为x轴正方向。

本发明另一个实施例中，所述焊接接头的型式为对接接头；所述激光束的所述光轴垂直于所述厚板工件的水平表面。

具体参考图13，对于对接接头，激光束16垂直于待焊工件18，该激光束16的光轴和焊枪171(第一焊枪)的中轴线之间形成30°～45°的夹角γ，并且该激光束16在待焊接部位上的入射点和焊枪171的焊丝末端之间的间距D2为1mm～6mm。而焊枪172(第二焊枪)相对于焊枪171镜像设置于待焊工件18另一侧，焊接方向为x轴正方向。

T型接头和对接接头横截面示意图分别如图14和图15所示，由图可知，本发明采用双面焊接形式，三个热源相互耦合，共同作用于待焊工件，形成一个双面贯通的熔池，熔池流动更加充分。

本发明实施例涉及到的激光器类型可以是：CO₂激光器、YAG激光器或者光纤激光器；涉及到的电弧可以是熔化极活性气体保护焊或者熔化极惰性气体保护焊。

所述厚板工件的厚度大于12mm。本发明实施例根据待焊工件厚度不同，激光功率为10kW～40kW，电弧电流为100A～500A，焊接速度为1m/min～3m/min，电弧焊枪气体流量为151/min～351/min，焊丝直径为1mm～2mm。

本发明实施例根据待焊材料成分的不同，电弧焊枪保护气可以选择高纯He气、高纯Ar气、CO₂、Ar气和CO₂混合气(CO₂气体的比例为5％～20％)。

如图16所示，本发明实施例根据焊接接头型式加工坡口，对于T型接头，接头立板开K型坡口，钝边d1为8mm～30mm，坡口角度θ为10°～20°，立板和面板的焊接间隙L1为0.5mm～1.5mm。

如图17所示，而对于对接接头，坡口为双Y型坡口，钝边d2为10mm～35mm，坡口角度φ为10°～30°，焊接间隙L2为0.3mm～1mm。

本发明焊接方法涉及一个激光热源和两个电弧热源，其针对船舶、车辆、大型储罐和风电等厚壁构件，采用激光-双面电弧复合焊接技术，解决现有激光-电弧复合焊接方法在焊接厚板时，存在焊缝根部裂纹、气孔缺陷，焊接应力变形大，激光能量利用率低，设备成本高等问题。

焊接方法的具体步骤举例如下：

步骤一：将工件的待焊接部位根据焊接接头型式加工坡口；

步骤二：将工件待焊部位以及坡口用酒精清洗干净，并固定在工装夹具上；

步骤三：根据该方法的特征，保持激光束、电弧焊枪与工件三者之间的相对位置；

步骤四：根据待焊材料厚度，设定激光功率、电弧电流、焊接速度、电弧焊枪气体流量等工艺参数，并选择焊丝直径；

步骤五：根据待焊材料成分，选择保护气体种类；

步骤六：打开激光器和电弧电源，启动激光-双面电弧复合焊接***，并实施焊接。

由上可知，本发明具有以下优势：

1)本发明的实施效果与《一种激光-电弧复合加工方法》的区别在于：该方法只涉及一个激光热源和一个电弧热源，旨在解决激光能量损耗大，电弧漂移和膨胀的问题。而本发明中，一个激光热源与两个电弧热源共同作用于待焊工件，相互耦合，需要控制三个热源的能量匹配，以形成一个双面贯通的熔池。因此，本发明不仅仅是该方法的简单镜像，三个热源相互耦合形成的熔池的流动行为不同于该方法。两侧电弧的电弧力和熔滴过渡对熔池的冲击作用使得熔池的流动性能更好，利于根部气孔的溢出以及合金元素的均匀分布，提高了焊接接头性能。同时，两侧电弧的引入，降低了熔池的冷却速率，抑制了裂纹的形成。而且，本发明为双面焊接，减少了焊缝背部碳弧气刨清根，刨槽，打磨等工序，缩短了工作周期，提高了焊接效率。同时，双面焊接，两侧焊缝同时冷却收缩，有利于应力变形的控制，提高了焊接质量。

2)本发明的实施效果与《用于T型接头激光-电弧两侧同步焊接装置》中提到的激光-电弧异侧复合焊接方法的区别在于：该方法中的光致等离子体与电弧等离子体被工件隔开，无法充分发挥激光与电弧的复合效应。而本发明中的光致等离子体与电弧等离子体相互作用，充分发挥了激光-电弧复合效应，一是电弧加强激光：表现为双面电弧对激光焊接的预热作用、电弧对等离子体的稀释作用和电弧的气流对激光焊金属蒸汽有吹散作用；二是激光能够稳定电弧：表现为激光起到引导电弧的作用和激光起到压缩电弧的作用。另外，激光作用于工件形成的等离子体具有热辐射作用。

3)本发明的实施效果与《T型接头的激光-双电弧双面复合焊接方法》的区别在于该方法是针对薄板T型接头的焊接，解决了薄板T型接头装配间隙要求严格问题。虽然一个激光热源与两个电弧热源同步进行焊接，并且共用一个熔池，但是其光致等离子体与电弧等离子体被工件隔开，无法相互作用。而本发明中的光致等离子体与电弧等离子体相互作用，充分发挥了激光-电弧复合效应，更适合厚板的焊接。

4)本发明的实施效果与《厚板T型接头双面激光-电弧复合焊接方法》相似，接头中部主要由激光作用形成，而接头两侧主要由电弧作用形成。但是该方法涉及两个激光，不仅对设备成本要求高，而且两侧激光束要求严格对中。而本专利只涉及一个激光，降低了设备成本，也不存在激光束对中问题。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种厚板激光-双面电弧复合焊接方法，其特征在于，包括：

步骤一，根据焊接接头的型式，在厚板工件的待焊接部位加工出坡口；

步骤二，固定所述厚板工件并清洁所述待焊接部位和所述坡口；

步骤三，在所述焊接接头的一侧，布置激光束和第一焊枪，所述激光束的光轴与所述第一焊枪的中轴线形成30°～45°的第一夹角；所述激光束在所述待焊接部位上的入射点和所述第一焊枪的焊丝末端之间具有预定间距；在所述焊接接头的另一侧，相对所述第一焊枪镜像布置第二焊枪；

步骤四，通过能量匹配，使得焊接过程中在所述焊接接头形成一个双面贯通的熔池；在焊接过程中，所述第一焊枪产生的电弧等离子体与所述激光束产生的光致等离子体相接触，从而稀释所述光致等离子体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定间距为1mm～6mm。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述焊接接头的型式为T型接头，所述T型接头具有水平面板和接头立板，所述第一焊枪和所述第二焊枪镜像布置在所述接头立板两侧；

所述光轴和所述中轴线位于同一平面内；

所述光轴与所述水平面板形成5°～40°的第二夹角；

所述中轴线与所述水平面板形成5°～40°的第三夹角；

所述第二夹角等于所述第三夹角。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述焊接接头的型式为对接接头；

所述激光束的所述光轴垂直于所述厚板工件的水平表面。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，使用酒精进行所述清洗。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述能量匹配包括：根据所述厚板工件的厚度，设置激光功率、电弧电流、焊接速度、电弧焊枪气体流量和焊丝直径。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

产生所述激光束的激光器为CO₂激光器、YAG激光器或者光纤激光器；

所述焊枪采用熔化极活性气体保护焊或者熔化极惰性气体保护焊。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述接头立板开K型坡口，所述K型坡口的钝边d1为8mm～30mm，坡口角度θ为10°～20°，所述接头立板和所述水平面板的焊接间隙L1为0.5mm～1.5mm。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对接接头的坡口为双Y型坡口，钝边d2为10mm～35mm，坡口角度φ为10°～30°，焊接间隙L2为0.3mm～1mm。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厚板工件的厚度大于12mm。