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CN104874919B - 一种厚板窄间隙激光焊接方法 - Google Patents

一种厚板窄间隙激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对厚板窄间隙结构的激光焊接方法。具体步骤是：将激光器焦点调整至窄间隙焊接起始位置；将送粉管放置于激光焊接方向的前方，并与焊接起始位置保持一定的距离，将气帘保护罩放置于焊接起始位置上方，并开启保护气；开启送粉装置以一定送粉速率进行铺粉，同时开启激光器开始焊接，并使激光焊接位置、送粉位置及气帘保护罩位置在水平方向相对位置保持不变；完成单道焊接后激光焊接位置、送粉位置及气帘保护罩回到起始位置，并使激光器沿Z轴向上移动一定距离，开始下一道焊接，依次进行逐层焊接。

Description

一种厚板窄间隙激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种激光焊接方法，尤其涉及一种厚板窄间隙激光焊接方法，属于激光材料加工技术领域。
背景技术
随着重型工业的高速发展，厚板焊接结构在船舶制造、海洋工程、核电设备、航空航天等领域得到越来越广泛的应用。厚板焊接是各种大型钢结构工程建造过程中必不可少的关键工艺。尤其在核电设备领域厚板应用最多(厚度一般都在20mm以上，并且结构尺寸大，只能通过分段加工后连接成形)，板厚范围也最大，比如反应堆压力容器多采用大厚度不锈钢板焊接而成，有些容器壁厚最高可达250mm。随着这些重工业向大吨位发展，对厚板结构焊接接头的适用性以及焊接效率的要求越来越高。
目前，厚板焊接的方法主要包括氩弧焊(TIG)、窄间隙埋弧焊和窄间隙熔化极气体保护焊。由于这些焊接方法的热输入量大，焊接接头组织较粗大，接头残余应力及变形大。因为焊枪喷嘴直径及焊丝伸长量等因素的限制，当采用弧焊进行厚板焊接时，对于厚板材料的焊接一般都采用大坡口宽间隙焊接并采用多层多道的方式来进行焊接，从而有效保证焊缝质量。但是大坡口宽间隙焊接不仅使焊缝金属填充量及所需焊接时间均随厚度成几何级数增长，而且厚板的大拘束度和弧焊的大热输入量使得焊接接头存在较大的残余应力和残余变形，并带来较大的塑性、韧性损失，导致焊接接头的力学性能恶化。例如，在专利号为200410082758.0的专利中，采用双面双弧焊接方法对厚板进行焊接，这种方法虽然简化了焊接工序，但是存在焊缝坡口较大、焊缝的熔覆金属多等问题。而且电弧熔深小，焊接速度慢，焊接工作量大，应力变形不易控制，焊接效率低。
与宽坡口埋弧焊相比，窄间隙埋弧焊坡口窄、焊材消耗量少、热输入量低、焊接时间短，焊接变形和焊接应力小，降低了开裂倾向，接头具有较高的抗延迟冷裂能力，强度和冲击性能均优于传统宽坡口埋弧焊接头，可以在一定程度上解决厚板焊接的上述问题。但是，窄间隙埋弧焊装配质量要求高，要有精确的焊丝位置，保证坡口侧壁均匀焊透，而且要求熔渣在窄坡口内具有良好的脱渣性。因此其工艺实现难度大、适应性差以及对焊接设备要求高。这些问题使得窄间隙弧焊在厚板焊接领域的推广应用受到较大限制。例如，在专利号为201110060594.1的专利中，采用常规窄间隙焊接方法对厚板进行焊接，其焊接速度较低，打底焊能力较弱。
相比常规焊接方法，窄间隙激光填丝焊结合了激光焊和窄间隙焊的双重优势，具 有热输入小、焊接热影响区和焊接变形小等优点，作为一种高效的厚板焊接方法，越来越受到重视。厚板窄间隙激光填丝焊接技术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。然而，该方法可焊接的板材厚度范围较小，且容易出现焊接气孔及底部未熔合等缺陷。但当间隙较大时，由于激光能量高度集中，激光焊的熔宽有限，所以会出现侧壁未熔合缺陷。目前单面窄间隙激光焊接的最大板厚仅为60mm。
受限于上述激光焊接工艺的限制，有学者提出了激光-电弧复合焊接的方法进行厚板焊接。该方法一方面可以降低所需的激光功率，从而降低对激光器的要求；另一方面可以适当减小所开坡口的尺寸，从而减小焊接工程量以及焊接接头的残余应力和残余变形。但是较小的坡口尺寸会导致焊枪的枪头无法进入坡口内侧，为了使熔滴在焊缝底部顺利过渡，不得不增加焊丝的干伸长，再加上坡口侧壁对电弧的吸引，使得电弧不稳，降低了焊接质量。例如在专利号为201020637762.X的专利中，提出了采用激光电弧复合焊枪对厚板进行焊接的工艺方法，但是该专利公开的技术方案的焊枪角度不能任意调节，造成焊枪不能实现窄间隙深坡口的焊接。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种厚板窄间隙激光焊接方法，解决上述问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种厚板窄间隙激光焊接方法。
一种厚板窄间隙激光焊接方法，设置有可移动的送粉管，所述送粉管用于输送焊接用的焊料，通过所述送粉管将所述焊料预铺在激光焊接移动方向的前方，在焊接过程中，所述送粉管与激光器焦点位置保持固定的距离，实现窄间隙焊缝连续快速焊接成型的目的。
进一步地，这种厚板窄间隙激光焊接方法，包括以下步骤：
a)将激光器焦点调整至窄间隙焊接起始位置，将送粉管放置于激光焊接方向的前方；
b)将气帘保护罩放置于焊接起始位置上方，并开启保护气；
c)开启送粉装置以一定送粉速率进行铺粉，同时开启激光器开始焊接，并使激光焊接点、送粉管及气帘保护罩在焊接移动方向的移动速度相同，从而使激光焊接位置、送粉管位置及气帘保护罩位置在水平面内相对位置保持不变；
d)完成单道焊接后，激光焊接点、送粉管及气帘保护罩回到起始位置，并使激光器沿垂直于焊接移动方向向上移动，开始下一道焊接，依次进行逐层焊接。
进一步地，所述激光器沿垂直于焊接移动方向向上移动的距离等于上一道焊缝成型的高度。
进一步地，送粉管与激光焊接位置保持的固定距离范围为1mm～1000mm。
进一步地，送粉管为金属或者陶瓷材料制成。
进一步地，焊接所用的焊料为金属粉末。
进一步地，焊缝上方放置有气帘保护罩对焊接过程加以保护，气帘保护罩随激光焊接位置而移动。
进一步地，所述气帘保护罩的缝隙宽度比焊缝宽度略宽，以避免保护气体直接冲击预铺焊料。
进一步地，当激光光斑直径小于焊缝宽度时，激光光斑可以以“Z”型、螺旋形或多道焊接的方式进行移动。
该焊接方法及送粉装置解决了厚板窄间隙焊接过程中无法连续有效焊接成型的问题，使厚板窄间隙激光焊具有更少的焊材消耗量、更小的焊接变形以及更高的焊接效率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明实施例中厚板窄间隙焊接整体结构及装置示意图；
图2是厚板窄间隙焊接整体结构及装置A-A面剖视图。
图3是厚板窄间隙焊接整体结构及装置B-B面剖视图。
图4是厚板窄间隙焊接整体结构中焊缝部位的细节图。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例不构成对本发明的限定。
如图1、2、3所示，本发明实施例中厚板窄间隙焊接结构及装置示意图，z方向为厚板间隙的高度方向，y方向为厚板间隙的长度方向，即焊接在水平面连续移动方向，1为需要焊接的厚板，2为焊接钝边，保护气体9通过气帘保护罩3通入焊缝上方进行气氛保护。通常，气帘保护罩3的缝隙宽度比焊缝宽度略宽，以避免保护气体直接冲击预铺焊料。激光束4直接照射在焊缝底部的预铺焊料8上，从而实现对焊缝的焊接成型。
如图2所示，送粉管5放置于激光束4移动方向的前方，并与激光焊接点保持一定的距离。同时，送粉管5前端与焊缝底部保持一定的高度。气帘保护罩3具有多个处于同一水平位置的出气孔7，并与通气管6相通,从而对焊接过程进行有效保护。
首先，将欲焊接的两块厚板通过夹具对接，将激光器调整至窄间隙焊接起始位置，将送粉管5放置于激光焊接方向的前方，并与焊接起始位置保持一定的距离。
其次，将气帘保护罩3放置于焊接起始位置上方，使气帘保护罩3的缝隙宽度比焊缝宽度略宽，以避免保护气体直接冲击预铺焊料，开始通入保护气体。
然后，开启送粉装置以一定送粉速率进行铺粉，同时开启激光器开始焊接，并使激光焊接位置、送粉位置及气体保护罩三者在X-Y平面内的相对位置保持不变。当激光光斑直径小于焊缝宽度时，激光光斑可以以“Z”型(如图4所示)、螺旋形、或者多道焊接的方式进行移动。
最后，完成单道焊接后激光焊接位置、送粉位置及气帘保护罩回到起始位置，并使激光器沿Z轴向上移动一定距离，距离为单道成型高度，开始下一道焊接，依次进行逐层焊接。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种厚板窄间隙激光焊接方法，其特征在于，设置可移动的送粉管，所述送粉管用于输送焊接用的焊料，通过所述送粉管将所述焊料预铺在激光焊接移动方向的前方，在焊接过程中，所述送粉管与激光器焦点位置保持固定的距离，实现窄间隙焊缝连续快速焊接成型的目的；
所述的激光焊接方法，包括以下步骤：
a)将激光器焦点调整至窄间隙焊接起始位置，将送粉管放置于激光焊接方向的前方；
b)将气帘保护罩放置于焊接起始位置上方，并开启保护气；
c)开启送粉装置以一定送粉速率进行铺粉，同时开启激光器开始焊接，并使激光焊接点、送粉管及气帘保护罩在焊接移动方向的移动速度相同，从而使激光焊接位置、送粉管位置及气帘保护罩位置在水平面内相对位置保持不变；
d)完成单道焊接后，激光焊接点、送粉管及气帘保护罩回到起始位置，并使激光器沿垂直于焊接移动方向向上移动，开始下一道焊接，依次进行逐层焊接；
所述激光器沿垂直于焊接移动方向向上移动的距离等于上一道焊缝成型的高度。
2.如权利要求1所述的一种厚板窄间隙激光焊接方法，其特征在于，送粉管与激光焊接位置保持的固定距离范围为1mm～1000mm。
3.如权利要求1所述的一种厚板窄间隙激光焊接方法，其特征在于，送粉管为金属或陶瓷材料制成。
4.如权利要求1所述的一种厚板窄间隙激光焊接方法，其特征在于，焊接所用的焊料为金属粉末。
5.如权利要求1所述的一种厚板窄间隙激光焊接方法，其特征在于，焊缝上方放置有气帘保护罩对焊接过程加以保护，气帘保护罩随激光焊接位置而移动。
6.如权利要求1所述的一种厚板窄间隙激光焊接方法，其特征在于，所述气帘保护罩的缝隙宽度比焊缝宽度略宽，以避免保护气体直接冲击预铺焊料。
7.如权利要求1所述的一种厚板窄间隙激光焊接方法，其特征在于，当激光光斑直径小于焊缝宽度时，激光光斑以“Z”型、螺旋形或多道焊接的方式进行移动。
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