CN117300427A - 一种中厚板激光填丝焊坡口结构及焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种中厚板激光填丝焊坡口结构及焊接方法，其坡口内两侧壁表面沿长度方向形成不连续凸起状结构。本发明采用窄间隙焊接坡口，通过坡口尺寸及形状设计，压缩激光等离子体，使得等离子体热量充分烧到焊缝侧壁上，避免侧壁未熔合缺陷，同时压缩的等离子体使得焊道表面形状由凸起状向平面状转变，有利于后一道激光填丝焊焊缝成形控制；同时，本发明方法减小了焊缝填充量，提升了焊接效率，获得成形较好的焊接接头，解决了激光填丝焊侧壁难熔合的问题。

Description

一种中厚板激光填丝焊坡口结构及焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，特别涉及一种中厚板激光填丝焊坡口结构及焊接方法。

背景技术

中厚板激光填丝焊，一般采用I型坡口的方法，如图1所示，但该I型坡口进行焊接时，由于激光等离子体没有被坡口约束，导致等离子体向上逸出，无法加热到侧壁，导致侧壁不完全熔合，从而形成侧壁未熔合缺陷。

另外，也有采用V型坡口进行激光填丝焊，如图2所示，由于V型坡口的下部较窄可以实现较好的侧壁熔合，但随着填充深度的增加，坡口上部越来越宽，导致出现侧壁未熔合缺陷，如图3所示。

因此，中厚板低合金高强钢激光填丝焊面临的最主要问题包括：

(1)激光与材料作用导致的等离子区域较窄，使得不能烧到侧壁或侧壁热量较低，导致形成侧壁未熔合缺陷。

(2)激光填丝焊后，由于表面张力作用，焊缝表面形状为凸起状，后一道焊接时容易在凸起状焊道两侧根部形成未熔合缺陷。针对这两种问题，有研究采用激光正离焦量方法，增加激光光斑尺寸，尽可能烧到焊缝侧壁。也有采用设计窄坡口方法，使得坡口尺寸非常小，尽可能烧到侧壁。也有采用激光填充热丝焊方法，减少焊丝吸收热量，从而使得更多热量被侧壁吸收，避免形成侧壁未熔合缺陷。

中国专利CN111618434A公开了一种基于激光扫描的窄间隙厚板填丝焊接方法，通过设计带钝边的V型坡口、调节激光光斑尺寸、激光频率及送丝角度来控制侧壁未熔合缺陷。

中国专利CN111299828A公开了其采用激光以热导焊模式熔化超窄间隙坡口内的后置焊丝，光-丝作用位置位于坡口底部熔池的上方；焊丝熔化面的反射激光作用于坡口底部和侧壁并对其预热；焊丝熔化的熔滴填充坡口间隙形成焊缝。

中国专利CN111515541公开了采用激光电弧-TIG复合焊方法，避免因激光熔化焊丝而造成的激光能量波动而出现焊缝未熔合的情况，并提高母材对激光能量的吸收率，提高焊接效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中厚板激光填丝焊坡口结构及焊接方法，该方法激光填丝焊保证了焊接质量的同时也提高了焊接效率，获得成形较好的焊接接头，解决了激光填丝焊侧壁难熔合的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种中厚板激光填丝焊坡口结构，其中，坡口内两侧壁表面沿长度方向形成不连续凸起状结构。

优选的，所述坡口内两侧壁表面均匀设置凸起状结构，和/或，两侧壁表面的凸起状结构成对称设计。

优选的，所述凸起状结构为弧面。

优选的，所述坡口内两侧壁凸起状结构顶点之间的间距a＝3～4mm，所述坡口内一侧侧壁上相邻凸起状结构的底部间距b＝3～5mm，凸起状结构底部宽度c＝4～6mm，所述坡口钝边厚度f＝4～6mm，所述坡口内宽度d为2～3mm。

本发明所述的中厚板激光填丝焊坡口结构的焊接方法，其包括以下步骤：

1)采用机加工方法，将两块对接中厚板的坡口表面加工如上述坡口结构；

2)采用激光焊对两块对接中厚板坡口的钝边进行打底焊，即将对接焊根部的钝边处焊上，确保钝边全焊透；然后采用激光填丝焊将所述坡口内侧壁上相邻凸起状结构的底部处进行焊满并堆高；随后再次用激光填丝焊方法，填充凸起状结构底部位置处焊缝，最终完成中厚板激光填丝对接焊；其中，激光填丝焊焊接工艺采用激光正离焦量，激光光斑尺寸控制在1mm以上，焊接速度优选控制在1±0.1m/min，确保焊丝能完全熔化。

优选的，所述步骤1)中，将机加工完成的坡口采用丙酮进行清洗，去除坡口表面机加工带来的油污。

优选的，步骤2)激光填丝焊时，送丝管在激光束前部，与激光束成40～50°夹角，焊丝送到位置应保证与激光聚焦光斑的前边缘向切；保护气体管在激光束后部，与激光束成40～60°夹角，吹气位置应对准激光光斑中心。

优选的，步骤2)中，采用激光填丝焊对所述坡口内一侧侧壁上相邻凸起状结构的底部处进行焊接时，确保焊缝的填充厚度大于b值。

优选的，步骤2)中，激光填丝焊方法填充所述坡口内两侧壁凸起状结构底部位置处焊缝时，焊缝填充厚度可小于c值。

优选的，步骤2)中，当焊接过程激光填丝焊不稳定时，填丝完成后如果焊道表面不光滑，可以对焊道表面进行激光重熔，使得表面光滑，有利于后一道填丝焊焊缝成形。

与其他激光填丝焊方法相比，本发明所述坡口设计及焊接方法的优点在于：

1.本发明所述坡口内壁采用锯齿状设计，防止传统坡口采用的平面结构而导致焊道与侧壁之间出现尖锐区域，从而形成焊接夹杂及空洞。

2.本发明所述坡口内壁采用锯齿状设计，能够改变等离子形貌，使得焊缝侧壁两侧能够被充分加热熔化，避免形成传统平面坡口带来的侧壁未熔合缺陷。

3.受压缩等离子作用熔池表面，使得焊缝表面形状由凸起状变为平面或下凹状，有利于后一道激光填丝焊焊缝成形，提高焊缝表面成形质量，避免传统平面坡口形成的焊道不连续缺陷。

4.本发明所述坡口以锯齿状设计，相比传统平面结构的坡口，可以减小了焊缝填充量，节约焊材，提高了焊接效率，增加经济效益。

本发明的有益效果：

本发明坡口采用不连续凸起、锯齿状、窄间隙设计，结合凸起尺寸及形状，一方面拘束激光等离子体能把等离子体形态变宽，使得等离子体热量可以充分烧到焊缝侧壁；另一方面，被拘束的等离子体对熔池表面产生压力，使得焊道表面形貌由凸起状变成平面状或凹面状，有利于后一道激光填丝焊焊缝成形控制；同时，通过采用该坡口设计，减少焊丝填充量，使得焊道两侧的根部不容易形成夹杂及未熔合等缺陷，实现中厚板钢激光填丝焊，也提升了焊接效率。

附图说明

图1为现有激光填丝焊I型坡口的示意图；

图2为现有激光填丝焊V型坡口的示意图；

图3为现有激光填丝焊坡口侧壁未熔合缺陷的示意图；

图4为现有激光焊接方法的坡口激光等离子体形貌示意图；

图5为本发明所述焊接坡口结构的示意图；

图6为本发明方法获得的激光等离子体形貌示意图；

图7为本发明所述焊接方法的激光光斑、送丝管及保护气管的示意图；

图8为本发明所述焊接方法实施例1所获得的焊缝宏观成形照片。

图9为本发明所述焊接方法实施例2所获得的焊缝宏观成形照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

参见图5～图8，本发明所述中厚板激光填丝焊坡口结构，其中，坡口1内两侧壁表面沿长度方向形成不连续凸起状结构2、2’、2”。

优选的，所述坡口1内两侧壁表面均匀设置凸起状结构2、2’、2”，和/或，两侧壁表面的凸起状结构成对称设计。

优选的，所述凸起状结构2、2’、2”为弧面。

优选的，所述坡口1内两侧壁凸起状结构2、2’顶点之间的间距a＝3～4mm，所述坡口1内一侧侧壁上相邻凸起状结构2、2”的底部间距b＝3～5mm，凸起状结构2底部宽度c＝4～6mm，所述坡口1钝边厚度f＝4～6mm，所述坡口内宽度d在2～3mm。

本发明所述的中厚板激光填丝焊坡口结构的焊接方法，其包括以下步骤：

1)采用机加工方法，将两块对接中厚板100、100’的坡口1表面加工如上述坡口结构；

2)采用激光焊对两块对接中厚板100、100’坡口1的钝边进行打底焊，即将对接焊根部的钝边f处焊上，确保钝边全焊透；然后采用激光填丝焊将所述坡口1内侧壁上相邻凸起状结构2、2’的底部处进行焊满并堆高；随后再次用激光填丝焊方法，填充凸起状结构2、2’底部位置处焊缝，最终完成中厚板激光填丝对接焊；其中，激光填丝焊焊接工艺采用激光正离焦量，激光光斑尺寸控制在1mm以上，焊接速度优选控制在1±0.1m/min，确保焊丝能完全熔化。

优选的，所述步骤1)中，将机加工完成的坡口采用丙酮进行清洗，去除坡口表面机加工带来的油污。

优选的，步骤2)激光填丝焊时，送丝管3在激光束4前部，与激光束4成40～50°夹角，焊丝送到位置应保证与激光聚焦光斑的前边缘向切；保护气体管5在激光束4后部，与激光束4成40～60°夹角，吹气位置应对准激光光斑中心。

优选的，步骤2)中，采用激光填丝焊对所述坡口内一侧侧壁上相邻凸起状结构的底部处进行焊接时，确保焊缝的填充厚度大于b值。

优选的，步骤2)中，激光填丝焊方法填充所述坡口内两侧壁凸起状结构底部位置处焊缝时，焊缝填充厚度可小于c值。

优选的，步骤2)中，当焊接过程激光填丝焊不稳定时，填丝完成后如果焊道表面不光滑，可以对焊道表面进行激光重熔，使得表面光滑，有利于后一道填丝焊焊缝成形。

实施例1

取2块为长、宽、厚分别为200mm、100mm和50mm厚的BG890QL低合金高强钢，用数控车床加工本发明所述坡口结构，具体参数参见表1。坡口加工完成采用丙酮将对坡口面清洗干净，并安装在工装上固定。激光器采用最大功率为10kW的光纤激光器，运动机构采用六轴机器人进行控制；填充焊丝为X70焊丝，焊丝直径为1.2mm，所用的送丝管直径为2mm；保护气体采用纯氩气保护，保护气管采用纯铜制作，直径为3mm，管壁厚0.5mm，保护气体流量为15L/min。

焊接时，激光垂直入射到焊接位置上，而送丝管3在激光束4前方，与激光束4成45°夹角，其送丝位置与激光聚焦光斑前部相切，保护气体管5位置在激光束4后方，与激光束4成45°方向，如图7所示。采用纯激光进行第一道打底焊接，焊接时功率为6kW，焊接速度为1m/min，氩气保护气体流量为15L/min；完成第一道打底焊后，开始进行激光填丝焊；激光填丝焊时激光功率为6kW，焊接速度为0.8m/min，送丝速度为4m/min，气体保护流量为20L/min。按照此工艺进行焊接，直到填满整个焊接接头。

按照此方法所获得的焊缝成形如图8所示，焊缝内部无加载及侧壁未熔合等缺陷，焊缝成形质量稳定，成形较好。

实施例2的坡口尺寸参数参见表1，所得焊缝成形如图9所示。

表1单位：mm

坡口尺寸参数	a	b	c	d	f
						实施例1	3	3	6	2	4
实施例2	4	5	6	3	4

图1、图2显示了激光焊和激光填丝焊中传统采用的I型坡口和V型坡口，在这种坡口形式下，极易导致焊道与侧壁之间出现尖锐区域从而形成焊接夹杂及空洞，如图3、图4所示。

采用图5中所示的本发明焊接坡口，通过不同实施例，均能获得较好的焊缝成形质量，无夹杂、侧壁未熔合等焊接缺陷，如图8、图9所示。

其主要原因在于：

本发明所述坡口设计改变了等离子形貌，使得焊缝侧壁两侧能够被充分加热熔化，避免形成传统平面坡口带来的侧壁未熔合缺陷；一方面拘束的激光等离子体能把等离子体形态变宽，使得等离子体热量可以充分烧到焊缝侧壁；另一方面，被拘束的等离子体对熔池表面产生压力，使得焊道表面形貌由凸起状变成平面状或凹面状，有利于后一道激光填丝焊焊缝成形控制；同时，通过采用该坡口设计，减少焊丝填充量，使得焊道两侧的根部不容易形成夹杂及未熔合等缺陷，实现中厚板钢激光填丝焊，也提升了焊接效率。

上述实施例只是对本发明进行了详细的描述，并非对发明保护范围的限制，不以任何形式限制本发明，本发明后续的变化和改进都落入要求保护的本发明范围中。

本发明的焊接方法可以应用到中厚板低合金高强钢的激光填丝焊中。本发明主要应用前景包括以下行业：工程机械、石油管线和化工等领域。

Claims (10)

1.一种中厚板激光填丝焊坡口结构，其特征在于，坡口内两侧壁表面沿长度方向形成不连续凸起状结构。

2.如权利要求1所述的中厚板激光填丝焊坡口结构，其特征在于，所述坡口内两侧壁表面均匀设置凸起状结构，和/或，两侧壁表面的凸起状结构成对称设计。

3.如权利要求1或2所述的中厚板激光填丝焊坡口结构，其特征在于，所述凸起状结构为弧面。

4.如权利要求1或2或3所述的中厚板激光填丝焊坡口结构，其特征在于，所述坡口内两侧壁凸起状结构顶点之间的间距a＝3～4mm，所述坡口内一侧侧壁上相邻凸起状结构的底部间距b＝3～5mm，凸起状结构底部宽度c＝4～6mm，所述坡口钝边厚度f＝4～6mm，所述坡口内宽度d在2～3mm。

5.如权利要求1～4任何一项所述的中厚板激光填丝焊坡口结构的焊接方法，其特征是，包括以下步骤：

1)采用机加工方法，将两块对接中厚板的坡口表面加工如权利要求1～4所述的坡口结构；

2)采用激光焊对两块对接中厚板坡口的钝边进行打底焊，即将对接焊根部的钝边处焊上，确保钝边全焊透；然后采用激光填丝焊将所述坡口内侧壁上相邻凸起状结构的底部处进行焊满并堆高；随后再次用激光填丝焊方法，填充凸起状结构底部位置处焊缝，最终完成中厚板激光填丝对接焊；其中，激光填丝焊焊接工艺采用激光正离焦量，激光光斑尺寸控制在1mm以上，焊接速度优选控制在1±0.1m/min，确保焊丝能完全熔化。

6.如权利要求5所述的中厚板激光填丝焊坡口结构的焊接方法，其特征是，所述步骤1)中，将机加工完成的坡口采用丙酮进行清洗，去除坡口表面机加工带来的油污。

7.如权利要求5所述的中厚板激光填丝焊坡口结构的焊接方法，其特征是，步骤2)激光填丝焊时，送丝管在激光束前部，与激光束成40～50°夹角，焊丝送到位置应保证与激光聚焦光斑的前边缘向切；保护气体管在激光束后部，与激光束成40～60°夹角，吹气位置应对准激光光斑中心。

8.如权利要求5或7所述的中厚板激光填丝焊坡口结构的焊接方法，其特征是，步骤2)中，采用激光填丝焊对所述坡口内一侧侧壁上相邻凸起状结构的底部处进行焊接时，确保焊缝的填充厚度大于b值。

9.如权利要求5或7或8所述的中厚板激光填丝焊坡口结构的焊接方法，其特征是，步骤2)中，激光填丝焊方法填充所述坡口内两侧壁凸起状结构底部位置处焊缝时，焊缝填充厚度可小于c值。

10.如权利要求5或6或7或8或9所述的中厚板激光填丝焊坡口结构的焊接方法，其特征是，步骤2)中，当焊接过程激光填丝焊不稳定时，填丝完成后如果焊道表面不光滑，可以对焊道表面进行激光重熔，使得表面光滑，有利于后一道填丝焊焊缝成形。