一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法
【專利摘要】一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法，包含導(dǎo)電嘴(4)的設(shè)計、打底焊道(6)的焊接、填充焊道(7)的數(shù)道疊加焊接以及蓋面焊道的焊接，導(dǎo)電嘴的有效長度L=[H/cosθ]+5mm，填充焊絲(5)的有效伸出長度為K，被焊工件(3)的坡口間隙(2)控制在D=6～10mm，打底焊道焊接時激光束(1)與焊接方向之間的夾角控制在80～85°且激光束焦點取負(fù)值，填充焊道焊接時激光束與焊接方向之間的夾角控制在85～90°且激光束焦點取正值，填充焊絲與打底焊道之間的傾角θ控制在20～60°，每道填充焊道焊接后要對其焊縫表面進(jìn)行清理并清除被焊工件側(cè)壁上產(chǎn)生的焊渣，最后完成蓋面焊道的焊接，消除未熔合缺陷。
【專利說明】一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接加工【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及到一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法。

【背景技術(shù)】
[0002]厚板焊接技術(shù)在船舶制造、海洋工程、核電設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，將壁厚^ 30mm且坡口間隙為5?1mm的焊接稱其為窄間隙焊接，將坡口間隙彡5mm的焊接稱其為超窄間隙焊接。
[0003]對于上述窄間隙焊接主要包括有NG-MAW、NG-SAW和NG-TIG，這些窄間隙電弧焊接方法雖能大幅度提聞焊接制造效率，但由于焊接缺陷難以控制、焊接熱輸入聞等不足因素，并未獲得廣泛應(yīng)用。
[0004]與窄間隙電弧焊接方法相比，窄間隙激光填絲焊接方法結(jié)合了激光焊和窄間隙焊的雙重優(yōu)勢，可進(jìn)一步減小熱輸入、焊接熱影響區(qū)寬度及焊接變形，具有良好的發(fā)展前景，但是窄間隙激光填絲焊接方法多采用聚焦激光束直接做用于焊絲末端，通過深熔焊接模式將焊絲熔化填充窄間隙形成焊縫，其不足之處在于熔池尺寸小，可適用窄間隙和板厚的范圍有限，易產(chǎn)生坡口側(cè)壁未熔合和氣孔缺陷。
[0005]盡管國內(nèi)外研究者先后發(fā)明了基于雙光束如US5155323、三光束如CN102059452B和旋轉(zhuǎn)雙光束如US4088865的窄間隙激光填絲焊接方法，但均存在各自的局限性:
采用雙光束焊接時，激光束作用在焊縫熔池兩側(cè)，熔池中心沒有激光束的作用，熔池中心攪拌不充分，容易產(chǎn)生焊縫氣孔及層間未熔合缺陷；
采用三光束焊接時，雖然消除了雙光束焊接過程中焊縫中心熱量不足導(dǎo)致的缺陷，但三光束要求較大的間隙寬度且坡口間隙適用性較差，制約了該方法的可焊板厚范圍和填充效率低；
采用旋轉(zhuǎn)雙光束焊接時，光束對焊縫熔池的攪拌作用強(qiáng)，減少了焊縫氣孔，但是光束的旋轉(zhuǎn)降低了焊絲填充穩(wěn)定性，易產(chǎn)生焊接飛濺。
[0006]將擺動激光和熱絲相結(jié)合用于厚板窄間隙的焊接方法還尚未見到相關(guān)報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法，該方法將擺動激光與熱絲技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于厚板窄間隙焊接，激光束沿窄間隙兩側(cè)往復(fù)擺動可以增大熔池尺寸，抑制側(cè)壁未熔合缺陷并提高間隙及板厚適用范圍，且擺動光束對焊接熔池的攪拌作用強(qiáng)，可抑制焊縫氣孔，再結(jié)合焊絲預(yù)熱可提高填充效率，是實現(xiàn)厚板窄間隙優(yōu)質(zhì)高效焊接的可行途徑。
[0008]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法，設(shè)定厚板的厚度為H，擺動激光形成的焊縫寬度為d，設(shè)定坡口間隙寬度為D，d > D且D=6?1mm ;設(shè)定激光束焦點與被焊工件待焊面之間的偏距為Def而其單位為mm，當(dāng)激光束焦點位于被焊工件待焊面以下時Def取負(fù)值，當(dāng)激光束焦點位于被焊工件待焊面以上時Def取正值，當(dāng)激光束焦點與被焊工件待焊面重合時Def取O;該方法使用到激光器、光纖、導(dǎo)電嘴、填充焊絲、可編程一維掃描振鏡及焊接電源；該方法包含導(dǎo)電嘴的設(shè)計、打底焊道的焊接、填充焊道的數(shù)道疊加焊接以及蓋面焊道的焊接，其它未述部分按常規(guī)焊接執(zhí)行，其中填充焊絲與打底焊道之間的傾角為Θ，本發(fā)明的特征如下:
導(dǎo)電嘴的設(shè)計:
導(dǎo)電嘴的有效長度L=[H/C0S Θ ]+5mm，導(dǎo)電嘴的前段厚度T=3mm，導(dǎo)電嘴的前段寬度W=6mm,導(dǎo)電嘴的內(nèi)孔根據(jù)填充焊絲的直徑而定，填充焊絲裝在導(dǎo)電嘴內(nèi)的有效伸出長度為K；
打底焊道的焊接:
將兩被焊工件放在水平操作臺上并使兩被焊工件的坡口間隙控制在所述D，設(shè)定焊接方向沿坡口間隙中心線自右至左并平行于水平操作臺，激光束與所述焊接方向之間的夾角控制在80?85°，激光束的功率控制在6.2?6.8kff,激光束的所述Def取負(fù)值，激光束的焊接速度控制在0.4?1.0m/min，在上述參數(shù)控制下對兩被焊工件實施一次打底焊道的熔透焊接；
填充焊道的數(shù)道疊加焊接:
將激光束聚焦輻照在打底焊道表面，激光束與所述焊接方向之間的夾角控制在85?90°，激光束的所述Def取正值，激光束輻照在打底焊道表面的激光光斑直徑控制在I?2mm，填充焊絲位于激光束的左側(cè)，填充焊絲與打底焊道之間的傾角Θ控制在20?60°，填充焊絲的末端需伸入所述激光光斑直徑范圍內(nèi)，通過施加在導(dǎo)電嘴的電流和電壓對填充焊絲進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱電流控制在80?200A，預(yù)熱電壓控制在6?1V ;激光束相對坡口間隙寬度中心線的擺動傾角Ψ控制在I?3°并滿足d/D=l.1?1.2，在激光束的功率3?5kff下其激光束和填充焊絲的焊接速度控制在0.3?0.8m/min,填充焊絲的送絲速度控制在3.0?8.0m/min,填充焊道的單道填充焊縫厚度控制在1.0?4.0mm,通過填充焊道的數(shù)道疊加焊接使得焊縫接近被焊工件的上表面并預(yù)留蓋面焊道；在每道填充焊道焊接后要對其焊縫表面進(jìn)行清理并清除被焊工件側(cè)壁上產(chǎn)生的焊渣；
蓋面焊道的焊接:
根據(jù)上述填充焊道的焊接程序?qū)︻A(yù)留蓋面焊道實施擺動激光-熱絲焊接直至坡口間隙被完全填充。
[0009]上述填充焊絲裝在導(dǎo)電嘴內(nèi)的有效伸出長度K彡15mm。
[0010]對每道填充焊道焊接后的焊縫表面采用不銹鋼絲刷和丙酮進(jìn)行清理。
[0011]由于采用如上所述技術(shù)方案，本發(fā)明產(chǎn)生如下積極效果:
1、本發(fā)明首先通過擺動激光焊接使得被焊工件側(cè)壁根部處于激光束的直接輻射范圍內(nèi)，打底焊道焊接消除了厚板窄間隙激光填絲焊接過程中易產(chǎn)生的側(cè)壁未熔合缺陷。
[0012]2、通過采用擺動激光-熱絲焊接相結(jié)合的方式，解決了填充焊道的焊接和蓋面焊道的焊接，降低了激光熔池深寬比且對熔池金屬進(jìn)行了充分?jǐn)嚢瑁撕缚p氣孔及層間未熔合缺陷。
[0013]3、通過采用本發(fā)明的導(dǎo)電嘴使將填充焊絲的有效伸出長度得到控制，提高了焊絲末端的剛度，降低了激光束擺動時對焊絲末端和焊絲金屬熔滴過渡穩(wěn)定性的不利影響。
[0014]4、通過對填充焊絲進(jìn)行預(yù)熱，提高了填充焊絲的熔化效率。
[0015]5、本發(fā)明中激光束的擺動寬度可根據(jù)被焊工件的坡口間隙寬度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，適應(yīng)能力較強(qiáng)。
[0016]6、本發(fā)明所采用激光束焦點位于焊道表面以上，有利于提高板厚范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是厚板窄間隙擺動激光-熱絲焊接方法的原理示意簡圖。
[0018]圖2是間隙寬度與焊縫寬度關(guān)系示意簡圖。
[0019]圖3是焊絲與激光束光斑重疊系數(shù)示意簡圖。
[0020]圖4是導(dǎo)電嘴結(jié)構(gòu)示意簡圖。
[0021]圖5是圖4的俯視圖。
[0022]上述圖中:1_激光束；2-坡口間隙；3_被焊工件；4_導(dǎo)電嘴；5_填充焊絲；6-打底焊道；7-填充焊道。

【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明是一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法，本發(fā)明采用高功率激光束對鈍邊進(jìn)行熔透焊接，實現(xiàn)打底焊道的單面焊雙面成形，然后對坡口間隙實施數(shù)道疊加的擺動激光-熱絲焊接，最終采用擺動激光-熱絲焊接進(jìn)行蓋面焊道的焊接，所有焊縫均采用單層單道焊接方法。
[0024]厚板的厚度> 30mm,如厚板的厚度H=35mm，擺動激光形成的焊縫寬度為d=7mm，設(shè)定坡口間隙寬度為D=6。本發(fā)明的厚板材料不限，填充焊絲根據(jù)厚板材料而定，比如選用10CrNi3MoV鋼，其填充焊絲選用WM960S。
[0025]設(shè)定激光束焦點與被焊工件待焊面之間的偏距為Def而其單位為mm，當(dāng)激光束焦點位于被焊工件待焊面以下時Def取負(fù)值，當(dāng)激光束焦點位于被焊工件待焊面以上時Def取正值，當(dāng)激光束焦點與被焊工件待焊面重合時Def取O。
[0026]本發(fā)明使用到激光器、光纖、導(dǎo)電嘴、填充焊絲、可編程一維掃描振鏡及焊接電源。激光器產(chǎn)生的激光束通過光纖傳輸至可編程一維掃描振鏡，再由可編程一維掃描振鏡聚焦后輻照在被焊工件待焊面。焊接電源與導(dǎo)電嘴聯(lián)接。比如激光器選用IPG YLS10000型光纖激光器，可編程一維掃描振鏡選用HIGHYAG BIMO可編程一維掃描振鏡，焊接電源選用Fronuis TPS5000型焊接電源。
[0027]本發(fā)明的方法包含導(dǎo)電嘴的設(shè)計、打底焊道的焊接、填充焊道的數(shù)道疊加焊接以及蓋面焊道的焊接，其它未述部分按常規(guī)焊接執(zhí)行，其中填充焊絲與打底焊道之間的傾角為Θ，本發(fā)明的特征如下:
結(jié)合圖4-5，導(dǎo)電嘴4的有效長度L=25mm，導(dǎo)電嘴4的前段厚度T=3mm，導(dǎo)電嘴的前段寬度W=6mm，導(dǎo)電嘴4的內(nèi)孔根據(jù)填充焊絲5的直徑而定，填充焊絲5裝在導(dǎo)電嘴4內(nèi)的有效伸出長度為Κ=15μπ。
[0028]結(jié)合圖1-2，將兩被焊工件3放在水平操作臺上并使兩被焊工件的坡口間隙2控制在所述D=6mm，設(shè)定焊接方向沿坡口間隙中心線自右至左并平行于水平操作臺，激光束I與所述焊接方向之間的夾角控制在83°，通過掃描振鏡可以控制激光束在焊縫中心線兩側(cè)且以上述參數(shù)往復(fù)運動的過程稱之為擺動激光，激光束I的功率控制在6.5kW，激光束I的所述Def=-2mm,激光束I的焊接速度控制在1.0m/min,在上述參數(shù)控制下對兩被焊工件3實施一次打底焊道6的熔透焊接，熔透焊接的結(jié)果是全熔透焊縫，可以提高激光小孔的穩(wěn)定性，降低焊接氣孔，其次熔透焊接時不填充焊絲5，最后由于激光束與所述焊接方向之間的夾角是83° ,可以有效避免反射激光對激光頭產(chǎn)生不利影響。
[0029]結(jié)合圖1-3，將激光束I聚焦輻照在打底焊道6表面，激光束與所述焊接方向之間的夾角控制在85°，激光束的所述Def=1mm,激光束輻照在打底焊道表面的激光光斑直徑控制在2mm，填充焊絲5位于激光束I的左側(cè)，填充焊絲5裝在導(dǎo)電嘴4內(nèi)的有效伸出長度K=15mm,填充焊絲5與打底焊道5之間的傾角Θ控制在45° ,填充焊絲的末端需伸入所述激光光斑直徑范圍內(nèi)，通過施加在導(dǎo)電嘴的電流和電壓對填充焊絲進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱電流控制在100A，預(yù)熱電壓控制在8V ;激光束相對坡口間隙寬度中心線的擺動傾角Ψ控制在1.5°并滿足d/D=l.2，坡口間隙按長度方向如圖1所示是橫向的則擺動傾角Ψ沿坡口間隙寬度是縱向的；在激光束的功率3.5kff下其激光束和填充焊絲的焊接速度控制在0.5m/min,填充焊絲的送絲速度控制在7.0m/min,填充焊道的單道填充焊縫厚度控制在3.0mm,通過填充焊道7的數(shù)道疊加焊接使得焊縫接近被焊工件的上表面并預(yù)留蓋面焊道；在每道填充焊道7焊接后要對其焊縫表面進(jìn)行清理并清除被焊工件側(cè)壁上產(chǎn)生的焊渣，對每道填充焊道7焊接后的焊縫表面采用不銹鋼絲刷和丙酮進(jìn)行清理。
[0030]根據(jù)上述填充焊道的焊接程序?qū)︻A(yù)留蓋面焊道實施擺動激光-熱絲焊接直至坡口間隙被完全填充。
[0031]焊后對被焊工件的焊縫進(jìn)行宏觀金相分析，焊縫橫截面上未出現(xiàn)側(cè)壁未熔合現(xiàn)象和焊縫氣孔缺陷，且焊縫X射線探傷未發(fā)現(xiàn)焊接氣孔，焊縫質(zhì)量滿足《GB/T 22085.1電子束和激光束焊接接頭缺陷質(zhì)量分級指南(第I部分鋼)》標(biāo)準(zhǔn)B級要求。
[0032]本發(fā)明的方法同樣適用于超窄間隙焊接，為了公開本發(fā)明而在本文中選用的實施例，當(dāng)前認(rèn)為是適宜的，但是應(yīng)了解的是:本發(fā)明旨在包括一切屬于本構(gòu)思和本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化和改進(jìn)。
【權(quán)利要求】
1.一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法，設(shè)定厚板的厚度為H，擺動激光形成的焊縫寬度為山設(shè)定坡口間隙⑵寬度為D，d > D且D=6?1mm ;設(shè)定激光束(I)焦點與被焊工件(3)待焊面之間的偏距為Def而其單位為mm，當(dāng)激光束(I)焦點位于被焊工件(3)待焊面以下時Def取負(fù)值，當(dāng)激光束(I)焦點位于被焊工件(3)待焊面以上時Def取正值，當(dāng)激光束(I)焦點與被焊工件(3)待焊面重合時Def取O ;該方法使用到激光器、光纖、導(dǎo)電嘴(4)、填充焊絲(5)、可編程一維掃描振鏡及焊接電源；該方法包含導(dǎo)電嘴(4)的設(shè)計、打底焊道出)的焊接、填充焊道(7)的數(shù)道疊加焊接以及蓋面焊道的焊接，其它未述部分按常規(guī)焊接執(zhí)行，其中填充焊絲(5)與打底焊道(6)之間的傾角為Θ，其特征是: 導(dǎo)電嘴⑷的設(shè)計: 導(dǎo)電嘴⑷的有效長度L=[H/C0S Θ ]+5mm，導(dǎo)電嘴(4)的前段厚度T=3mm，導(dǎo)電嘴(4)的前段寬度W=6mm，導(dǎo)電嘴(4)的內(nèi)孔根據(jù)填充焊絲(5)的直徑而定，填充焊絲(5)裝在導(dǎo)電嘴(4)內(nèi)的有效伸出長度為K; 打底焊道(6)的焊接: 將兩被焊工件(3)放在水平操作臺上并使兩被焊工件(3)的坡口間隙(2)控制在所述D，設(shè)定焊接方向沿坡口間隙(2)中心線自右至左并平行于水平操作臺，激光束(I)與所述焊接方向之間的夾角控制在80?85°，激光束(I)的功率控制在6.2?6.8kW，激光束(I)的所述Def取負(fù)值,激光束(I)的焊接速度控制在0.4?1.0m/min,在上述參數(shù)控制下對兩被焊工件(3)實施一次打底焊道￠)的熔透焊接； 填充焊道(7)的數(shù)道疊加焊接: 將激光束(I)聚焦輻照在打底焊道(6)表面，激光束(I)與所述焊接方向之間的夾角控制在85?90°，激光束(I)的所述Def取正值，激光束(I)輻照在打底焊道(6)表面的激光光斑直徑控制在I?2mm，填充焊絲(5)位于激光束(I)的左側(cè)，填充焊絲(5)與打底焊道(6)之間的傾角Θ控制在20?60°，填充焊絲(5)的末端需伸入所述激光光斑直徑范圍內(nèi)，通過施加在導(dǎo)電嘴(4)的電流和電壓對填充焊絲(5)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱電流控制在80?200A，預(yù)熱電壓控制在6?1V ;激光束(I)相對坡口間隙(2)寬度中心線的擺動傾角Ψ控制在I?3°并滿足d/D=l.1?1.2，在激光束(I)的功率3?5kW下其激光束(I)和填充焊絲(5)的焊接速度控制在0.3?0.8m/min,填充焊絲(5)的送絲速度控制在3.0?8.0m/min,填充焊道(7)的單道填充焊縫厚度控制在1.0?4.0mm,通過填充焊道(7)的數(shù)道疊加焊接使得焊縫接近被焊工件(3)的上表面并預(yù)留蓋面焊道；在每道填充焊道(7)焊接后要對其焊縫表面進(jìn)行清理并清除被焊工件(3)側(cè)壁上產(chǎn)生的焊渣； 蓋面焊道的焊接: 根據(jù)上述填充焊道(7)的焊接程序?qū)︻A(yù)留蓋面焊道實施擺動激光-熱絲焊接直至坡口間隙(2)被完全填充。
2.根據(jù)權(quán)利要求所述一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法，其特征是:填充焊絲(5)裝在導(dǎo)電嘴⑷內(nèi)的有效伸出長度K彡15mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求所述一種厚板窄間隙實施對焊的擺動激光-熱絲焊接方法，其特征是:對每道填充焊道(7)焊接后的焊縫表面采用不銹鋼絲刷和丙酮進(jìn)行清理。
【文檔編號】B23K101/18GK104384717SQ201410633686
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】吳艷明, 李治, 龍興平 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所