CN111515541B - 厚板窄间隙激光-tig复合填丝焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

厚板窄间隙激光‑TIG复合填丝焊接装置及方法，包括摆动器、激光器、TIG焊枪和TIG电源，TIG电源的负极与TIG焊枪电连通，正极与母材电连通，从而在焊枪和母材之间形成熔池电弧，沿焊接方向，TIG焊枪和焊丝依次处于激光束的前方，且TIG焊枪和焊丝分别与热丝电源的负极和正极电连通，从而在TIG焊枪和焊丝之间形成熔丝电弧，TIG焊枪、焊丝和激光器由夹具固定为一体，并由摆动器控制同步摆动。本发明采用单次焊接双面成形的焊缝焊接方式实现窄间隙厚板的连接，避免因激光熔化焊丝而造成的激光能量波动，进而出现焊缝未熔合的情况，而且提高母材对激光能量的吸收率，提高了焊接效率。

Description

厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及到激光焊接领域，具体的说是厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置及方法。

背景技术

厚板焊接结构广泛应用于船舶、海洋、航空航天等领域。目前主要采用窄间隙埋弧焊、窄间隙熔化极气体保护焊、氩弧焊工艺对厚板进行焊接。但这些焊接方法的主要问题是焊接热输入量大，造成的焊接接头组织粗大，焊接工件变形较大，引起焊缝残余应力。

对于窄间隙激光填丝焊方法多采用聚焦光斑作用于焊丝，通过深熔焊接模式将焊丝熔化填充间隙形成焊缝。但是由于焊丝依靠激光能量熔化，焊丝轻微波动都会造成焊丝熔化不充分，焊缝底部未熔合、焊缝气孔等缺陷。为了保证激光束作用于坡口底部，需要令间隙宽度足够大，但由于激光光斑直径很小（一般为0.2mm）造成激光焊接的熔宽有限，增大间隙宽度极易造成焊缝侧壁未熔合的缺陷。

厚板窄间隙激光-GMA复合焊接，容易出现焊接裂纹缺陷，主要是为了保证足够的焊丝熔化填充量而采取较大的电弧焊参数带来较大的热输入，当焊件冷却时产生较大的约束应力从而形成裂纹。

中国专利一种316LN厚板的窄间隙激光填热丝焊接工艺，公开了通过焊丝通过电流加热，再通过激光加热母材，实施多层多道焊。中国专利一种厚板窄间隙激光填丝焊接方法，公开了通过填充焊丝以前送丝方式进入熔池，通过熔池加热熔化，填充间隙形成焊缝，采用单道多层焊接的方式实现厚板的连接。但单道多层焊接、多层多道焊容易造成焊缝的重复加热对焊缝母材组织产生影响，焊接过程中极易出现焊接气孔，最终影响焊缝质量，而且单道多层焊接、多层多道焊焊接工序较多，影响焊接生产效率。

中国专利一种厚板超窄间隙激光填丝焊接装置及方法，公开了通过将主光束分为清洗光束、深熔光束和填丝光束，将激光清洗技术应用于厚板超窄间隙坡口的清洗，并与激光深熔填丝焊接技术复合，解决了现有方法难以有效清理深窄坡口的问题。但此方法，焊丝需要一束光束熔化，激光光斑直径很小（一般为0.2mm），焊丝的轻微波动都会造成焊丝熔化不充分，进而造成熔化不充分的焊丝夹杂在焊缝中。

发明内容

为了解决激光熔化焊丝导致的焊缝底部未熔合、焊缝气孔缺陷以及激光光斑直径很小造成焊缝侧壁未熔合的问题，本发明提供了一种板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置及方法，该装置采用垂直于焊接方向激光束以摆动的形式进入待焊工件窄间隙坡口，作用于坡口底部及侧壁，并与TIG焊枪形成的熔池电弧共同形成焊接熔池，而填充焊丝以前送丝方式进入熔池，焊丝送入熔池时依靠内外两个电弧同时熔化并采用振动的方式填充间隙形成焊缝，采用单次焊接双面成形的焊缝焊接方式实现窄间隙厚板的连接，避免了因激光熔化焊丝而造成的激光能量波动，进而出现焊缝未熔合的情况，而且焊丝熔化后填充到窄间隙焊缝中，可提高母材对激光能量的吸收率，提高了焊接效率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置，包括摆动器、产生激光束的激光器、一把TIG焊枪和向TIG焊枪供电的TIG电源，且TIG电源的负极与TIG焊枪电连通，TIG电源的正极与所要焊接的母材电连通，从而在TIG焊枪和母材之间形成熔池电弧，沿焊接方向，TIG焊枪和焊丝依次处于激光束的前方，且TIG焊枪和焊丝分别与一热丝电源的负极和正极电连通，从而在TIG焊枪和焊丝之间形成将焊丝熔化的熔丝电弧；所述TIG焊枪、焊丝和激光器由夹具固定为一体，并由摆动器控制三者同步摆动。

作为上述激光-摆动TIG复合填丝焊接装置的一种优化方案，所述焊丝依靠送丝管完成送丝作业。

作为上述激光-TIG复合填丝焊接装置的另一种优化方案，所述TIG焊枪、焊丝和激光器同步摆动的摆动方向与焊接方向垂直。

上述激光-TIG复合填丝焊接装置的使用方法，包括以下步骤：

1）将待焊接母材加工出V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V型坡口内，并用焊接夹具固定；

2）沿焊接方向，依次放置激光器、TIG焊枪和焊丝，且将TIG电源的负极与TIG焊枪电连通，TIG电源的正极与所要焊接的母材电连通；将热丝电源的负极和正极分别与TIG焊枪和焊丝电连通；利用夹具将激光器、TIG焊枪和焊丝固定为一体后与摆动器连接；

3）先启动摆动器，再启动激光器、TIG电源和热丝电源，并通过送丝机构控制焊丝移动，从而进行厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接焊接。

作为上述摆动激光-TIG复合填丝焊接焊接装置的使用方法的一种优化方案，所述TIG焊枪的钨针与母材的距离为0-6mm，TIG焊枪与母材之间的夹角θ为40-80°，焊丝与母材的夹角β为20-70°，激光束与母材的夹角a为70-90°。

作为上述激光-TIG复合填丝焊接焊接装置的使用方法的另一种优化方案，所述焊丝的送丝速度为0.2-20m/min，焊丝直径为0.8-3mm，热丝电源的电流为50-400A，TIG电源的电流为50-400A，激光器的激光功率为5-20kW，激光束的摆动速度0-1000mm/s，摆动频率为120-150Hz，焊接速度0.2-10m/min。

作为上述激光-TIG复合填丝焊接焊接装置的使用方法的另一种优化方案，所述焊接时，在焊接位置通入氩气或氦气作为保护气，且保护气的流量为10-40L/min。

本发明中，激光器的激光类型包括Nd：YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。

本发明中所述的厚板窄间隙是指板厚为30mm以下，单坡口角度为0°-10°。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明采用垂直于焊接方向激光束以摆动的形式进入待焊工件窄间隙坡口，作用于坡口底部及侧壁，并与同步摆动TIG焊枪形成的熔池电弧共同形成焊接熔池，而同步摆动填充焊丝以前送丝方式进入熔池，并由热丝电源在焊丝和TIG焊枪之间形成小电弧熔化填充，填充间隙形成焊缝，避免了因激光熔化焊丝而造成的激光能量波动，进而出现焊缝未熔合的情况，而且焊丝熔化后填充到窄间隙焊缝中，可提高母材对激光能量的吸收率，提高了焊接效率；

2）由于普通的激光-MIG或激光填丝焊或者激光-TIG复合填丝焊均很难保证在提高焊丝熔化率的情况下同时，保证对母材热输入低的要求，因此对于厚板窄间隙焊接一般采用多层多道焊；而本发明中，送丝速度与焊接电流相互独立，可在不影响焊接过程的前提下，增大焊丝熔化填充量，焊丝送入熔池时依靠内外两个电弧同时熔化，在振动装置的作用下沿焊丝送入方向做往复振动的方式促进液态熔滴进入熔池中，可满足单道单次焊接双面成形的焊缝对填充金属填充量的需求，实现了厚板窄间隙、单道单次焊接双面成形的焊缝，极大提高了焊接效率；

3）本发明中两个电弧熔化焊丝的效果，极为明显的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，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；

3）本发明中摆动TIG电弧焊的热作用区大，桥接性能好，对焊接工件的间隙和平整度要求不严格，间隙和错位可达工件厚度的 1/10，电弧在前，激光束在后，电弧先对焊接金属起到预热或者表面熔化的作用，提高了材料表面的温度，进而提高了对激光的吸收能力；而激光束的可达性高，则摆动激光避免了焊缝侧壁未熔合的问题，两者复合实现了厚板窄间隙，单道单次焊接双面成形的焊缝，提高了焊接效率。

附图说明

图1为本发明的焊接工作原理图；

图2为图1的左视示意图；

图3为本发明加工的V-1型坡口示意图；

图4为本发明加工的V-2型坡口示意图；

附图标记：1、TIG电源，2、激光束，3、摆动TIG焊枪，4、热丝电源，5、焊丝，6、送丝机构，7、母材，8、在振动器的作用下焊丝沿焊丝送进方向做往复振动的振动方向，9、激光束、TIG焊枪和焊丝垂直于焊接方向沿水平方向摆动的方向箭头。

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的详细阐述，本发明以下各实施例中未做具体说明的部分，比如摆动器、夹具、激光器、TIG电源、热丝电源、TIG焊枪、送丝机构等的具体结构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和2所示，一种厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置，包括摆动器、产生激光束2的激光器、一把TIG焊枪3和向TIG焊枪3供电的TIG电源1，且TIG电源1的负极与TIG焊枪3电连通，TIG电源1的正极与所要焊接的母材7电连通，从而在TIG焊枪3和母材7之间形成熔池电弧，沿焊接方向，TIG焊枪3和焊丝5依次处于激光束2的前方，且TIG焊枪3和焊丝5分别与一热丝电源4的负极和正极电连通，从而在TIG焊枪3和焊丝5之间形成将焊丝5熔化的熔丝电弧；所述TIG焊枪3、焊丝5和激光器由夹具固定为一体，并由摆动器控制三者同步摆动。

在本实施例中，所述焊丝5依靠送丝机构6完成送丝作业。

作为上述激光-TIG复合填丝焊接装置的另一种优化方案，所述所述TIG焊枪3、焊丝5和激光器同步摆动的摆动方向与焊接方向垂直。

上述摆动激光-TIG复合填丝焊接装置的使用方法，包括以下步骤：

1）将待焊接母材加工出V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V型坡口内，并用焊接夹具固定；

2）沿焊接方向，依次放置激光器、TIG焊枪3和焊丝5，且将TIG电源1的负极与TIG焊枪3电连通，TIG电源1的正极与所要焊接的母材7电连通；将热丝电源4的负极和正极分别与TIG焊枪3和焊丝5电连通；利用夹具将激光器、TIG焊枪3和焊丝5固定为一体后与摆动器连接；

3）先启动摆动器，再启动激光器、TIG电源1和热丝电源4，并通过送丝机构控制焊丝5移动，从而进行厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接。

实施例2

本实施例是对实施例1中使用方法的一种优化限定，其中，所述TIG焊枪3的钨针与母材7的距离为0-6mm，TIG焊枪3与母材7之间的夹角θ为40-80°，焊丝5与母材7的夹角β为20-70°，激光束2与母材7的夹角a为70-90°。

实施例3

本实施例是对实施例1中使用方法的另一种优化限定，其中，所述焊丝5的送丝速度为0.2-20m/min，焊丝5直径为0.8-3mm，热丝电源4的电流为50-400A，TIG电源1的电流为50-400A，激光器的激光功率为5-20kW，TIG焊枪3、焊丝5和激光器同步摆动的摆动速度0-1000mm/s，摆动频率为120-150Hz，焊接速度0.2-10m/min。

实施例4

本实施例是对实施例1中使用方法的另一种优化限定，其中，所述焊接时，在焊接位置通入氩气或氦气作为保护气，且保护气的流量为10-40L/min。

图3为本发明的方法加工V-1型坡口示意图。图3中工件板厚18mm，V-1型坡口的深度为14mm，单坡口的夹角为10°；单次焊接双面成形的焊接参数：激光功率13kW，焊接速度1.0m/min，送丝速度16m/min，热丝电源热丝电流300A，TIG电弧电流100A，保护气流量30-40L/min，摆动幅度1.7mm，摆动频率150Hz。

图4为本发明的方法加工的V-2型坡口示意图。图4工件板厚18mm，V-2型坡口的深度为10mm，单坡口的夹角为10°；单次焊接双面成形的焊接参数：激光功率15kW，焊接速度1.0-1.5m/min，送丝速度13m/min，热丝电源热丝电流260A，TIG电弧电流100A，保护气流量30-40L/min，摆动幅度1.2mm，摆动频率120Hz。

常规激光填丝焊焊缝出现了侧壁未熔合缺陷，这是由于此焊缝需要单次焊接双面成形，需要较大的激光能量，而激光能量不但要熔化母材形成熔池，还有熔化焊丝，焊丝轻微波动都会造成焊丝熔化不充分，很容易造成激光作用于母材的能量不稳定，造成焊缝侧壁或焊缝底部未熔合的缺陷，而且由于常规激光填丝焊焊丝在激光的能量作用下熔化后沿匙孔边缘送入，会造成对匙孔的冲击，甚至匙孔底部倒塌形成气泡，气泡未在熔池凝固前逃逸出，则形成气孔缺陷。而当采用多层多道焊接工艺时，容易造成焊缝的重复加热对焊缝母材组织产生影响，焊接过程中极易出现焊接气孔，最终影响焊缝质量，而且单道多层焊接、多层多道焊焊接工序较多，影响焊接生产效率；本发明方法单次焊接双面成形，焊缝成形较好，未出现焊接缺陷。

Claims (6)

1.厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置，包括摆动器、产生激光束(2)的激光器、一把TIG焊枪(3)和向TIG焊枪(3)供电的TIG电源(1)，且TIG电源(1)的负极与TIG焊枪(3)电连通，TIG电源(1)的正极与所要焊接的母材(7)电连通，从而在TIG焊枪(3)和母材(7)之间形成熔池电弧，其特征在于：沿焊接方向，TIG焊枪(3)和焊丝(5)依次处于激光束(2)的前方，且TIG焊枪(3)和焊丝(5)分别与一热丝电源(4)的负极和正极电连通，从而在TIG焊枪(3)和焊丝(5)之间形成将焊丝(5)熔化的熔丝电弧；所述TIG焊枪(3)、焊丝(5)和激光器由夹具固定为一体，并由摆动器控制三者同步摆动；

上述厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将待焊接母材加工出V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V型坡口内，并用焊接夹具固定；

2)沿焊接方向，依次放置激光器、TIG焊枪(3)和焊丝(5)，且将TIG电源(1)的负极与TIG焊枪(3)电连通，TIG电源(1)的正极与所要焊接的母材(7)电连通；将热丝电源(4)的负极和正极分别与TIG焊枪(3)和焊丝(5)电连通；利用夹具将激光器、TIG焊枪(3)和焊丝(5)固定为一体后与摆动器连接；

3)先启动摆动器，再启动激光器、TIG电源(1)和热丝电源(4)，并通过送丝机构(6)控制焊丝(5)移动，从而进行厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接。

2.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置，其特征在于：所述焊丝(5)依靠送丝机构(6)完成送丝作业。

3.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置，其特征在于：所述TIG焊枪(3)、焊丝(5)和激光器同步摆动的摆动方向与焊接方向垂直。

4.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置，其特征在于：所述TIG焊枪(3)的钨针与母材(7)的距离为0-6mm，TIG焊枪(3)与母材(7)之间的夹角θ为40-80°，焊丝(5)与母材(7)的夹角β为20-70°，激光束(2)与母材(7)的夹角a为70-90°。

5.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置，其特征在于：所述焊丝(5)的送丝速度为0.2-20m/min，焊丝(5)直径为0.8-3mm，热丝电源(4)的电流为50-400A，TIG电源(1)的电流为50-400A，激光器的激光功率为5-20kW，激光束(2)的摆动速度0-1000mm/s，摆动频率为120-150Hz，焊接速度0.2-10m/min。

6.根据权利要求1所述的厚板窄间隙激光-TIG复合填丝焊接装置，其特征在于：所述焊接时，在焊接位置通入氩气或氦气作为保护气，且保护气的流量为10-40L/min。

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