專利名稱：采用填充焊絲的窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種采用填充焊絲的窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接方法，屬于激光材料加工 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著交通、能源、核電、航空、航天等工業(yè)裝備的日趨大型化，高參數(shù) 化，厚(超厚)板焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并對(duì)悍接變形、接頭質(zhì)量等 提出了越來(lái)越高的要求。
目前應(yīng)用于厚板焊接的非熔化極惰性氣體焊(GTAW)、熔化極惰性/活性 氣體保護(hù)焊(GMAW)、埋弧焊接(SAW)等工藝，在進(jìn)行大厚板焊接時(shí)需要開(kāi) 較大的坡口，焊接道次多，焊接熱影響區(qū)寬，焊接殘余應(yīng)力大，焊接變形大， 焊接效率低等，限制了大厚尺度焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。同時(shí)由于電弧的熱穿透深 度較淺，對(duì)于中厚板不能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面一次成形，由于較大的熱輸入量， 焊后變形也不能滿足使用要求。
作為一種先進(jìn)的高效焊接方法，激光焊接是一種理想的解決辦法。但受 激光功率及光束質(zhì)量的限制， 一般激光焊接的深度有限，對(duì)于厚度超過(guò)10mm 的厚板需采用萬(wàn)瓦級(jí)的激光器。由于萬(wàn)瓦級(jí)激光器的造價(jià)非常昂貴，同時(shí)光 束質(zhì)量較差，超高功率激光束焊接時(shí)，等離子體的控制更加困難，焊接過(guò)程 穩(wěn)定性惡化，其工業(yè)應(yīng)用受到限制。
激光一電弧復(fù)合焊接技術(shù)的出現(xiàn)，特別是激光一熔化極電弧(MI G/ MAG)的復(fù)合為大厚板的焊接提供了一種有效手段。復(fù)合焊接充分利用了 激光和電弧的特性，它與單純的激光焊接相比，提高了間隙搭橋能力，降低 了坡口準(zhǔn)備的精度要求，并且在合適的規(guī)范下可以改變?nèi)鄣蔚倪^(guò)渡方式，減 少了單一MIG/MAG焊接時(shí)的飛濺量。同時(shí)仍然保持了激光焊的高能密度輸入、 大深熔、高效、低變形等特點(diǎn)，特別適用于大厚板的焊接。但是其不足之處 在于焊接時(shí)的熔滴過(guò)渡影響電弧穩(wěn)定性，其焊接過(guò)程穩(wěn)定性難以保證，甚至 存在大量氣孔，接頭質(zhì)量不高。同時(shí)傳統(tǒng)的激光-MIG/MAG復(fù)合焊接通常采用激光束與工件表面垂直，電弧相對(duì)激光束以45 60。旁軸布置。這種情況下， 電弧對(duì)激光束產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致其焊接深度有限，單道厚度不超過(guò)8mm。 對(duì)于厚度超過(guò)8mm的焊接結(jié)構(gòu)，激光一M I G / MAG復(fù)合焊接需采用多層 焊，焊接工藝將變得非常復(fù)雜，接頭質(zhì)量也難以滿足使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題的不足之處，本發(fā)明的目的在于采用高功率激光器，開(kāi)發(fā) 大厚板的單道焊接成型的復(fù)合焊接方法。本發(fā)明采用激光與非熔化極電弧復(fù) 合，并填加焊絲，采用激光束與焊絲布置在電弧的兩側(cè)并且三者在一個(gè)平面 內(nèi)的布置方式，實(shí)現(xiàn)了大厚板的單道焊接成型，提高了焊接效率，同時(shí)由于 非熔化極電弧穩(wěn)定性好，不涉及焊絲的熔滴過(guò)渡導(dǎo)致電弧穩(wěn)定性變差的問(wèn)題， 大大改善了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，接頭質(zhì)量得到保證。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案焊接前，工件預(yù)開(kāi)坡 口 2。焊接時(shí)，激光束4與焊絲9布置在電弧8的兩側(cè)并且三者在一個(gè)平面內(nèi)， 電弧8與工件1表面法線的夾角不超過(guò)20。。激光束4與工件1表面夾角為 30 75° ，激光束4從電弧8前方傾斜入射。焊絲9從電弧8后方送入所述 坡口 2的間隙中，由激光束4和電弧8組成的復(fù)合熱源熔化焊絲后填充間隙，
實(shí)現(xiàn)工件單道悍接成型。
所述工件預(yù)開(kāi)坡口 2為帶鈍邊的U型坡口，其間隙寬度為1.5 2d，其中 d為焊絲9的直徑。
所述的電弧8為T(mén)IG電弧或等離子弧。
所述激光束4為C02激光、YAG激光或光纖激光。
本發(fā)明的基本原理是待焊工件預(yù)開(kāi)帶鈍邊的U型坡口，其間隙寬度為 1.5 2d (d為焊絲直徑)。焊接時(shí)，激光束與焊絲相對(duì)于電弧相向布置，激光 束傾斜從電弧前方入射，焊絲從電弧后方送入坡口間隙中。由于采用了焊絲 和激光相對(duì)電弧相向布置方式，復(fù)合熱源熔化焊絲，避免了焊絲的引入導(dǎo)致 的激光焊接熔深的下降問(wèn)題，這樣可最大限度的利用激光深熔焊接時(shí)的大熔 深，有效穿透鈍邊。同時(shí)又充分利用激光-電弧的相互作用，激光焊接的小孔 吸引電弧深入坡口根部，促使電弧充滿整個(gè)坡口中，避免了電弧焊接時(shí)，電弧僅在坡口頂部鋪展及電弧在窄間隙坡口兩側(cè)的跳動(dòng)問(wèn)題，電弧穩(wěn)定性明顯 改善。由于前置的激光束首先在鈍邊上形成熔池，坡口根部的溫度較高，電 弧熔化焊絲后的熔融金屬流動(dòng)性明顯改善，可以充滿整個(gè)坡口間隙，即使在
較小間隙條件下(1.5 2倍焊絲直徑)也不存在熔滴短路現(xiàn)象，避免形成未
熔合。此外電弧較大的加熱面積，也改善了工件的間隙適應(yīng)性。由于本發(fā)明 的復(fù)合熱源采用的是非熔化極電弧，不涉及熔化極電弧焊接時(shí)的熔滴過(guò)渡對(duì) 電弧穩(wěn)定性具有不利影響的問(wèn)題，電弧穩(wěn)定性明顯改善，焊接過(guò)程的穩(wěn)定性 大大提高。同時(shí)在激光-電弧相互作用下，焊接速度較點(diǎn)弧焊有所提高，抑制 了單純激光焊接時(shí)容易在小孔底部出現(xiàn)氣孔的問(wèn)題，同時(shí)焊接接頭又保留了 激光焊接接頭的特征，可以獲得大深寬比，沒(méi)有氣孔缺陷的焊接接頭。
通過(guò)填充焊絲的窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接，采用高功率激光器可實(shí)現(xiàn)大 厚板的單道焊接成型，焊接工藝簡(jiǎn)單，焊接成本低，焊接效率高，同時(shí)由于 電弧的加入，增加了搭橋能力，減少了裝配要求。同時(shí)由于激光和電弧的相 互作用，焊接過(guò)程穩(wěn)定型明顯改善，減少了氣孔的出現(xiàn)。釆用填充焊絲的窄 間隙激光-電弧復(fù)合焊接在大厚板焊接領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1 :采用填充焊絲的窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接方法示意圖
圖2:采用本發(fā)明方法焊接l Omm厚不銹鋼板的焊縫表面成型圖 圖3 (1):采用本發(fā)明方法焊接l Omm厚不銹鋼板的焊縫橫截面圖 圖3 (2):相同條件下，單激光焊接的焊縫橫截面圖
圖3 (3):相同條件下，單電弧焊接的焊縫橫截面圖
圖中1、工件，2、坡口， 3、聚焦鏡，4、激光束，5、光致等離 子體，6 、鎢極，7 、焊炬噴咀，8 、電弧，9 、焊絲，1 0 、送絲咀，1 1 、熔池，1 2 、焊縫。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
本實(shí)施例的技術(shù)方案參見(jiàn)附圖l，焊接前，工件預(yù)開(kāi)坡口2。悍接時(shí)，激
光束4與焯絲9相對(duì)于TIG電弧8對(duì)稱縱向布置，電弧8垂直于工件1表面。激光束4與工件1表面夾角為45° ，并從電弧8前方傾斜入射。焊絲9從電 弧8后方送入坡口間隙2中，由激光束4和電弧8組成的復(fù)合熱源熔化焊絲 后填充坡口2，實(shí)現(xiàn)工件l單道焊接成型。
本實(shí)施例中，工件為l Omm厚的不銹鋼板，坡口2的形狀為帶鈍邊的 U型坡口，坡口間隙寬度為1. 8d (d為焊絲直徑)。采用的激光器為DC035 Slab C02激光器，TIG電源直流正接。焊接工藝參數(shù)為激光功率3500W，電弧電流 200A，焊接速度0. 8m/min，焊絲直徑為l腿，送絲速度4. 5m/min，保護(hù)氣為 25L/min的He氣。圖2 、圖3 (1)為本發(fā)明的焊接效果。焊接接頭成型良好， 焊縫上部寬度為5. 2mm，深寬比約為2，解剖焊縫未見(jiàn)氣孔、裂紋等缺陷。圖 3 (2)為同樣條件下單激光焊接時(shí)的焊縫橫截面圖(激光功率3500W，焊接速 度0.8m/min)，圖3 (3)為單電弧焊接時(shí)的焊縫橫截面圖(電弧電流200A， 焊接速度0.8m/min，送絲速度4. 5m/min)，對(duì)比圖3,可以看出采用填充焊絲 的窄間隙激光-TIG電弧復(fù)合焊接方法可實(shí)現(xiàn)1+1〉 2的效果。
權(quán)利要求
1、一種采用填充焊絲的窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于焊接前，工件預(yù)開(kāi)坡口(2)；焊接時(shí)，激光束(4)與焊絲(9)布置在電弧(8)的兩側(cè)并且三者在一個(gè)平面內(nèi)，電弧(8)與工件(1)表面法線夾角不超過(guò)20°；激光束(4)與工件(1)表面夾角為30～75°，從電弧(8)前方傾斜入射；焊絲(9)從電弧(8)后方送入所述坡口(2)的間隙中，由激光束(4)和電弧(8)組成的復(fù)合熱源熔化焊絲后填充間隙，實(shí)現(xiàn)工件單道焊接成型。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用填充焊絲的窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接方 法，其特征在于所述工件預(yù)開(kāi)坡口 (2)為帶鈍邊的U型坡口，其間隙寬度 為1.5 2d，其中d為焊絲(9)的直徑。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用填充焊絲的窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接方 法，其特征在于所述的電弧為T(mén)IG電弧或等離子弧。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用填充焊絲的窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接方 法，其特征在于所述激光束(4)為C02激光、YAG激光或光纖激光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用填充焊絲的窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接方法，屬于激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用高功率激光器和電弧復(fù)合，其布置方式為激光束與焊絲相對(duì)于電弧相向布置，其中激光束從電弧前方傾斜入射，焊絲從電弧后方送入坡口間隙中，復(fù)合熱源熔化焊絲后填充間隙，實(shí)現(xiàn)工件單道焊接成型。本發(fā)明充分利用了激光的深熔特性和電弧的高填充效率特點(diǎn)，同時(shí)在激光-電弧的相互作用下，焊接過(guò)程穩(wěn)定性改善，焊接效率提高。
文檔編號(hào)B23K28/00GK101474726SQ20091007701
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者吳世凱, 楊武雄, 肖榮詩(shī), 鎧 陳 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)