CN111515539A - 一种环缝激光-tig复合焊接装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种环缝激光‑TIG复合焊接装置及使用方法，焊接激光头置于环焊缝母材12点方向的正上方，垂直向下发射激光束，第一TIG焊枪设置在环焊缝母材下方，并与第一TIG电源的负极电连通，第一TIG电源的正极与环焊缝母材电连通；第二TIG焊枪设置在激光束的前方，并与第二TIG电源的负极电连通，第二TIG电源的正极与环焊缝母材电连通；焊丝位于第二TIG焊枪的前方，且焊丝与热丝电源的正极电连通，热丝电源的负极与第二TIG焊枪电连通。本发明利用两把TIG焊枪和热丝电源产生多个不同位置、不同作用的电弧，不仅能够高效熔化焊丝，也能直接作用于激光作用区的工件背面提高焊接工件对激光能量吸收率。

Description

一种环缝激光-TIG复合焊接装置及使用方法

技术领域

本发明涉及到激光-TIG复合焊接领域，具体的说是一种环缝激光-TIG复合焊接装置及使用方法。

背景技术

环焊缝接头广泛应用与石油管道、压力容器储罐等焊接方面，对于管道环焊缝通常采用手工焊、熔化极气体保护自动焊。但此工艺需要加工较大的坡口，焊缝对填充金属的需求量很大，焊接强度大，而且还容易造成焊前预热、焊后热处理、焊后矫正变形的问题。

在环焊缝焊接领域目前主要应用激光-GMA复合焊接工艺，激光-GMA复合焊接工艺可以令焊接母材保持旋转，激光束垂直于焊接水平面，之后激光-GMA在环焊缝的最高点12点位或者1点位进行焊接，但此方法的弊端是很容易造成焊缝背面未熔合、未焊透，而且为增大焊丝的熔化量必须增大焊接电流，这样会造成GMA电流对母材的热输入过大，进而熔池体积过大，出现液态金属下趟、焊瘤等焊接缺陷。

中国专利一种环缝激光-GMA复合焊接的方法，公开了通过激光束从11点钟角度入射起弧的激光-GMA复合焊接方法。但是此方法，如果增大焊丝熔化端液态金属的填充量，同样需要增大焊接电流，对母材的热输入过大，会造成接头变形量大、焊缝组织晶粒粗大，力学性能差的缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中环焊缝背面未熔合、未焊透、以及为了增大填充金属的熔覆量而增大焊接电流造成的对母材的热输入大、变形大、焊缝力学性能差的问题，本发明提供了一种环缝激光-TIG复合焊接装置及使用方法，其核心是利用两把TIG焊枪和热丝电源产生多个不同位置、不同作用的电弧，不仅能够高效熔化焊丝，同时，也能直接作用于激光作用区的工件背面提高焊接工件对激光能量吸收率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种环缝激光-TIG复合焊接装置，包括第一TIG电源、第一TIG焊枪、第二TIG电源、第二TIG焊枪、热丝电源和焊接激光头，其中，焊接激光头置于环焊缝母材12点方向的正上方，并垂直向下发射激光束，所述第一TIG焊枪设置在环焊缝母材下方，并与第一TIG电源的负极电连通，第一TIG电源的正极与环焊缝母材电连通，从而在激光束照射点的下方形成第一TIG电弧，从而提升母材对激光能量的吸收率；

沿焊接方向，所述的第二TIG焊枪设置在激光束的前方，并与第二TIG电源的负极电连通，第二TIG电源的正极与环焊缝母材电连通，从而在第二TIG焊枪与环焊缝母材之间形成第二TIG电弧；

所述焊丝位于第二TIG焊枪的前方，且焊丝与热丝电源的正极电连通，热丝电源的负极与第二TIG焊枪电连通，从而在第二TIG焊枪和焊丝之间形成第三TIG电弧；

所述环焊缝母材在焊接时，能够在动力源的驱动下进行圆周自转。所述的动力源是任意形式的动力源，只要能够满足带动环焊缝母材自转即可。

作为上述环缝激光-TIG复合焊接装置的一种优化方案，所述环焊缝母材上开设有便于与焊接工件结合的Y型、V型或U型坡口。

作为上述环缝激光-TIG复合焊接装置的另一种优化方案，所述焊丝由送丝机构控制其在焊接过程中的送丝。

上述环缝激光-TIG复合焊接装置的使用方法，包括以下步骤：

1）将待焊接的环焊缝母材上加工出Y型、V型或U型坡口，之后对焊接工件表面处理，去除表面杂质，再将焊接工件置于该坡口内，并用焊接夹具固定；

2）在环焊缝母材的12点方向的正上方布置焊接激光头，以使其垂直向下发射激光束照射在环焊缝母材上；

3）在环焊缝母材的内部布置第一TIG焊枪，第一TIG焊枪与第一TIG电源的负极电连通，第一TIG电源的正极与环焊缝母材电连通，从而在激光束照射点下方的环焊缝母材上形成第一TIG电弧；

4）沿焊接方向，在激光束的前方设置第二TIG焊枪，第二TIG焊枪与第二TIG电源的负极电连通，第二TIG电源的正极与环焊缝母材电连通，从而在第二TIG焊枪与环焊缝母材之间形成第二TIG电弧；

5）在第二TIG焊枪的前方布置送丝机构，并且使送丝机构中的焊丝与热丝电源的正极电连通，热丝电源的负极与第二TIG焊枪电连通，从而在第二TIG焊枪和焊丝之间形成第三TIG电弧；

6）启动焊接激光头、第一TIG电源、第二TIG电源、热丝电源和送丝机构，并使环焊缝母材进行圆周自转进行焊接。

作为上述环缝激光-TIG复合焊接装置的使用方法的一种优化方案，所述激光束的功率为1kW-10kW，第一TIG电源提供给第一TIG焊枪的焊接电流为10-80A，热丝电源的电流为10-200A，第二TIG电源的焊接电流为50-300A，焊接速度为0.05-2m/min。

作为上述环缝激光-TIG复合焊接装置的使用方法的另一种优化方案，所述激光束和第一TIG焊枪均与水平方向成90°，第二TIG焊枪与水平方向的夹角α为60°-90°，焊丝与水平方向的夹角β为20°-70°。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明通过在环焊缝母材12点钟方向、正对激光束的母材下方设置第一TIG焊枪，该焊枪能够与母材表面产生较小能量的第一TIG电弧，从而起到预热母材、增大母材对激光能量的吸收率，进而增大焊接熔深，实现焊缝背面均匀熔透，避免环焊缝背面出现未熔合、未焊透的焊接缺陷；

2）本发明的第二TIG焊枪分别与热丝电源和第二TIG电源连接，从而使第二TIG焊枪在母材和焊丝间分别产生两个电弧，即第二TIG电弧和第三TIG电弧，其中第三TIG电弧用来熔化焊丝，第二TIG电弧在激光束吸引压缩的作用下共同熔化焊接母材，避免了常规激光-GMA复合焊接为增大填充金属的熔覆量而增大焊接电流造成的对母材的热输入大，进而出现的因熔池体积过大造成的液态金属下趟、焊瘤等缺陷；

3）本发明中，焊丝的送丝速度与焊接电流相互独立，这样降低了对母材的热输入，大大降低了接头的变形量，使母材焊缝组织晶粒细小、力学性能得到提高；

4）本发明中，两个电弧熔化焊丝的效果极为明显，提高了焊丝熔化效率，可达到媲美MIG焊的焊丝熔化率，而又能避免MIG焊接产生的焊接飞溅以及为了增大焊丝熔化效率而增大MIG电流造成对焊接母材的热输入过大、造成接头变形量大、焊缝组织晶粒粗大，力学性能差的缺陷问题，与环缝激光-GMA复合焊接的方法相比，降低了焊接飞溅的产生，从而避免出现焊缝表面咬边、焊缝成形不连续的情况。

附图说明

图1为本发明焊接方法的工作原理图；

图2为环缝常规激光-GMA 复合焊接方法的焊缝横截面示意图；

图3为环缝常规激光-GMA 复合焊接方法的焊缝纵截面示意图；

图4为本发明的环缝激光-TIG复合焊接的方法的焊缝横截面示意图；

图5为本发明的环缝激光-TIG复合焊接的方法的焊缝纵截面示意图；

附图标记：1、第一TIG焊枪，2、第二TIG焊枪，3、第二TIG电弧，4、第三TIG电弧，5、激光束，6、送丝机构，7、焊丝，8、环焊缝母材，9、第一TIG电源，10、热丝电源，11、第二TIG电源，12、第一TIG电弧。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细阐述。在以下各实施例中未做具体说明的部分，比如焊接激光头、TIG电源、热丝电源、TIG焊枪、送丝机构等的具体结构以及环焊缝母材的圆周自转等，均为本领域技术人员所公知的现有技术，在此不进行赘述。

实施例1

如图1所示，一种环缝激光-TIG复合焊接装置，包括第一TIG电源9、第一TIG焊枪1、第二TIG电源11、第二TIG焊枪2、热丝电源10和焊接激光头，其中，焊接激光头置于环焊缝母材8的12点方向的正上方，并垂直向下发射激光束5，所述第一TIG焊枪1设置在环焊缝母材8下方，并与第一TIG电源9的负极电连通，第一TIG电源9的正极与环焊缝母材8电连通，从而在激光束5照射点的下方形成第一TIG电弧12，从而提升母材对激光能量的吸收率；

沿焊接方向，所述的第二TIG焊枪2设置在激光束5的前方，并与第二TIG电源11的负极电连通，第二TIG电源11的正极与环焊缝母材8电连通，从而在第二TIG焊枪2与环焊缝母材8之间形成第二TIG电弧3；

所述焊丝7位于第二TIG焊枪2的前方，且焊丝7与热丝电源10的正极电连通，热丝电源10的负极与第二TIG焊枪2电连通，从而在第二TIG焊枪2和焊丝7之间形成第三TIG电弧4；

所述环焊缝母材8在焊接时，能够在动力源的驱动下进行圆周自转。

在本实施例中，所述的动力源是任意形式的动力源，只要能够满足带动环焊缝母材8自转即可，包括固定环焊缝母材8的夹具，均为现有技术，在此不进行赘述。

在本实施例中，所述环焊缝母材8上开设有便于与焊接工件结合的Y型、V型或U型坡口。

在本实施例中，所述焊丝7由送丝机构6控制其在焊接过程中的送丝。

上述环缝激光-TIG复合焊接装置的使用方法，包括以下步骤：

1）将待焊接的环焊缝母材8上加工出Y型、V型或U型坡口，之后对焊接工件表面处理，去除表面杂质，再将焊接工件置于该坡口内，并用焊接夹具固定；

2）在环焊缝母材8的12点方向的正上方布置焊接激光头，以使其垂直向下发射激光束5照射在环焊缝母材8上；

3）在环焊缝母材8的内部布置第一TIG焊枪1，第一TIG焊枪1与第一TIG电源9的负极电连通，第一TIG电源9的正极与环焊缝母材8电连通，从而在激光束5照射点下方的环焊缝母材8上形成第一TIG电弧12；

4）沿焊接方向，在激光束5的前方设置第二TIG焊枪2，第二TIG焊枪2与第二TIG电源11的负极电连通，第二TIG电源11的正极与环焊缝母材8电连通，从而在第二TIG焊枪2与环焊缝母材8之间形成第二TIG电弧3；

5）在第二TIG焊枪2的前方布置送丝机构6，并且使送丝机构6中的焊丝7与热丝电源10的正极电连通，热丝电源10的负极与第二TIG焊枪2电连通，从而在第二TIG焊枪2和焊丝7之间形成第三TIG电弧4；

6）启动焊接激光头、第一TIG电源9、第二TIG电源11、热丝电源10和送丝机构6，并使环焊缝母材8进行圆周自转进行焊接。

实施例2

本实施例是对实施例1中使用方法的一种参数优选限定，所述激光束5的功率为1kW-10kW，第一TIG电源9提供给第一TIG焊枪1的焊接电流为10-80A，热丝电源10的电流为10-200A，第二TIG电源11的焊接电流为50-300A，焊接速度为0.05-2m/min。

实施例3

本实施例是对实施例1中使用方法的另一种参数优选限定，所述激光束5和第一TIG焊枪1均与水平方向成90°，第二TIG焊枪2与水平方向的夹角α为60°-90°，焊丝7与水平方向的夹角β为20°-70°。

将本发明的方法与现有的常规激光-GMA复合焊接方法进行比对，如附图2-附图5所示，图2为环缝常规激光-GMA复合焊接方法的焊缝横截面示意图，可见焊缝底部出现未焊透的焊接缺陷，焊缝表面左侧出现咬边的焊接缺陷；图3为环缝常规激光-GMA 复合焊接方法的焊缝纵截面示意图，可见焊缝纵截面上表面和下表面焊缝高低起伏，这也说明作用于焊接母材的能量波动大，焊缝成形不稳定，易出现焊缝背面未熔合、未焊透的情况，而且环缝常规激光-GMA 复合焊接方法产生的焊接飞溅较大，也会增大焊接缺陷的产生。

图4和图5分别为常规激光-GMA复合焊接方法、本发明的激光-TIG复合焊接的方法的焊缝横截面和纵截面示意图，由图4可知常规激光-GMA复合焊接方法的焊缝横截面会出现未焊透的焊接缺陷，纵截面的焊缝上、下表面呈高低起伏状，这也表面此方法的焊接过程不稳定；而图5本发明的方法，由于本发明的热源能量“各司其职”，因此焊缝成形较好，未出现焊接缺陷，且焊缝表面和背面成形较连续，这也表明作用于母材的能量在焊接过程中波动较小，这样能够保证环焊缝再整个焊接过程中的焊缝成形较稳定。

Claims (6)

1.一种环缝激光-TIG复合焊接装置，其特征在于：包括第一TIG电源（9）、第一TIG焊枪（1）、第二TIG电源（11）、第二TIG焊枪（2）、热丝电源（10）和焊接激光头，其中，焊接激光头置于环焊缝母材（8）12点方向的正上方，并垂直向下发射激光束（5），所述第一TIG焊枪（1）设置在环焊缝母材（8）下方，并与第一TIG电源（9）的负极电连通，第一TIG电源（9）的正极与环焊缝母材（8）电连通，从而在激光束（5）照射点的下方形成第一TIG电弧（12），从而提升母材对激光能量的吸收率；

沿焊接方向，所述的第二TIG焊枪（2）设置在激光束（5）的前方，并与第二TIG电源（11）的负极电连通，第二TIG电源（11）的正极与环焊缝母材（8）电连通，从而在第二TIG焊枪（2）与环焊缝母材（8）之间形成第二TIG电弧（3）；

所述焊丝（7）位于第二TIG焊枪（2）的前方，且焊丝（7）与热丝电源（10）的正极电连通，热丝电源（10）的负极与第二TIG焊枪（2）电连通，从而在第二TIG焊枪（2）和焊丝（7）之间形成第三TIG电弧（4）；

所述环焊缝母材（8）在焊接时，能够在动力源的驱动下进行圆周自转。

2.根据权利要求1所述的一种环缝激光-TIG复合焊接装置，其特征在于：所述环焊缝母材（8）上开设有便于与焊接工件结合的Y型、V型或U型坡口。

3.根据权利要求1所述的一种环缝激光-TIG复合焊接装置，其特征在于：所述焊丝（7）由送丝机构（6）控制其在焊接过程中的送丝。

4.根据权利要求1所述的一种环缝激光-TIG复合焊接装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将待焊接的环焊缝母材（8）上加工出Y型、V型或U型坡口，之后对焊接工件表面处理，去除表面杂质，再将焊接工件置于该坡口内，并用焊接夹具固定；

2）在环焊缝母材（8）的12点方向的正上方布置焊接激光头，以使其垂直向下发射激光束（5）照射在环焊缝母材（8）上；

3）在环焊缝母材（8）的内部布置第一TIG焊枪（1），第一TIG焊枪（1）与第一TIG电源（9）的负极电连通，第一TIG电源（9）的正极与环焊缝母材（8）电连通，从而在激光束（5）照射点下方的环焊缝母材（8）上形成第一TIG电弧（12）；

4）沿焊接方向，在激光束（5）的前方设置第二TIG焊枪（2），第二TIG焊枪（2）与第二TIG电源（11）的负极电连通，第二TIG电源（11）的正极与环焊缝母材（8）电连通，从而在第二TIG焊枪（2）与环焊缝母材（8）之间形成第二TIG电弧（3）；

5）在第二TIG焊枪（2）的前方布置送丝机构（6），并且使送丝机构（6）中的焊丝（7）与热丝电源（10）的正极电连通，热丝电源（10）的负极与第二TIG焊枪（2）电连通，从而在第二TIG焊枪（2）和焊丝（7）之间形成第三TIG电弧（4）；

6）启动焊接激光头、第一TIG电源（9）、第二TIG电源（11）、热丝电源（10）和送丝机构（6），并使环焊缝母材（8）进行圆周自转进行焊接。

5.根据权利要求4所述的一种环缝激光-TIG复合焊接装置的使用方法，其特征在于：所述激光束（5）的功率为1kW-10kW，第一TIG电源（9）提供给第一TIG焊枪（1）的焊接电流为10-80A，热丝电源（10）的电流为10-200A，第二TIG电源（11）的焊接电流为50-300A，焊接速度为0.05-2m/min。

6.根据权利要求4所述的一种环缝激光-TIG复合焊接装置的使用方法，其特征在于：所述激光束（5）和第一TIG焊枪（1）均与水平方向成90°，第二TIG焊枪（2）与水平方向的夹角α为60°-90°，焊丝（7）与水平方向的夹角β为20°-70°。

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