CN115070213A - 激光-电弧复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光‑电弧复合焊接方法。该焊接方法包括如下步骤：将第一母材和第二母材拼合以形成具有Y型坡口的待焊接板；使激光器产生的激光束和电弧焊枪在设定电流下产生的电弧共同作用于Y型坡口以进行第一层焊接；以及降低激光束的能量输入并且增大电弧焊枪的电流，并控制电弧焊枪在垂直于待焊接板的厚度方向上往复摆动以进行第二层焊接。本申请的焊接方法通过将激光和电弧两热源共同作用于焊接熔池，避免了焊缝根部熔合不良的情况，同时也降低了电弧热输入过大而引起裂纹缺陷的风险。电弧的往复摆动可增加两侧侧壁的热输入，减小熔池的温度梯度，有效解决侧壁熔合不充分的问题，提高填充过程的稳定性，从而进一步提高焊接质量。

Description

激光-电弧复合焊接方法

技术领域

本申请涉及焊接技术领域，特别涉及一种激光-电弧复合焊接方法。

背景技术

目前，厚板高强钢广泛应用于工程机械、船舶、重机等大型设备中，而厚板焊接坡口形式多以Y型坡口为主，其具有加工效率高、加工成本低的特点，但Y型坡口在厚板构件生产中存在焊接填充量大、效率低及变形难以控制等问题日益凸显，严重影响工程生产进度，故而如何实现厚板高效、可靠的连接便成为实现大型整体构件制造的关键技术之一。

激光焊接作为一种高能束焊接方法，具有能量密度高、热输入小的特点，在厚板焊接领域有着显著优势。但与此同时也存在一定的问题，例如对大功率激光焊接设备的依赖性使得激光自熔焊只能适用于中厚度以下的板材焊接。通过填丝的方式可以提高激光焊在厚板中的应用范围，但常用的Y型坡口形式对于焊丝的干扰以及焊接过程的稳定性也提出来更多的挑战。

在此需要说明的是，该背景技术部分的陈述仅提供与本申请有关的背景技术，并不必然构成现有技术。

发明内容

本申请提供一种激光-电弧复合焊接方法，以提高焊接质量。

本申请提供一种激光-电弧复合焊接方法，包括如下步骤：将第一母材和第二母材拼合以形成具有Y型坡口的待焊接板；使激光器产生的激光束和电弧焊枪在设定电流下产生的电弧共同作用于Y型坡口以进行第一层焊接；以及降低激光束的能量输入并且增大电弧焊枪的电流，并控制电弧焊枪在垂直于待焊接板的厚度方向上往复摆动以进行第二层焊接。

在一些实施例中，控制电弧焊枪在垂直于待焊接板的厚度方向上往复摆动包括控制电弧焊枪在Y型坡口的宽度方向上往复摆动；和/或，控制电弧焊枪在Y型坡口的深度方向上往复摆动。

在一些实施例中，在焊接过程中，使激光束的入射方向垂直于待焊接板的上表面。使电弧焊枪的焊丝与待焊接板的上表面倾斜设置，且激光束的作用位置在焊丝与待焊接板的接触点的前侧。

在一些实施例中，焊丝与待焊接板的倾角包括15°～60°。激光束的作用位置在焊丝与待焊接板的接触点的前侧包括使激光束的作用位置在焊丝与待焊接板的接触点前0～2mm。

在一些实施例中，使激光器产生的激光束和电弧焊枪在设定电流下产生的电弧共同作用于Y型坡口以进行第一层焊接包括：激光功率为7～9kW，离焦量为-2～+2mm，电弧焊枪电流为200～260A。

在一些实施例中，降低激光束的能量输入包括使激光功率降低至2～3kW。增大电弧焊枪的电流包括使电弧焊枪电流增大至330～400A。电弧焊枪的摆动幅度包括1.5～2mm，摆动频率包括1～5Hz。

在一些实施例中，激光-电弧复合焊接方法还包括：在完成第二层焊接后使焊缝表面与Y型坡口的开口处的距离为2～3mm，然后继续降低激光束的能量输入，增大电弧焊枪的摆动幅度，进行第三层焊接。

在一些实施例中，在第一层焊接和第二层焊接时，使激光束的入射方向垂直于待焊接板的上表面。使焊丝与待焊接板的上表面倾斜设置。焊丝与待焊接板的上表面的倾角包括15°～60°。激光束的作用位置在焊丝与待焊接板的接触点前0～2mm。在第三层焊接时，激光束的作用位置在焊丝与待焊接板的接触点后0～2mm。

在一些实施例中，继续降低激光束的能量输入包括降低激光功率和/或增大离焦量。

在一些实施例中，继续降低激光束的能量输入包括使激光功率降低至1～1.5kW并使离焦量增大至3～7mm。增大电弧焊枪的摆动幅度包括使摆动幅度增大至2～3mm。

在一些实施例中，Y型坡口的角度为20°～30°。

在一些实施例中，激光-电弧复合焊接方法还包括：在焊接过程中通过监测装置对坡口和焊缝进行实时监测并基于监测结果调整焊接参数。

基于本申请提供的技术方案，激光-电弧复合焊接方法包括如下步骤：将第一母材和第二母材拼合以形成具有Y型坡口的待焊接板；使激光器产生的激光束和电弧焊枪在设定电流下产生的电弧共同作用于Y型坡口以进行第一层焊接；以及降低激光束的能量输入并且增大电弧焊枪的电流，并控制电弧焊枪在垂直于待焊接板的厚度方向上往复摆动以进行第二层焊接。本申请的焊接方法通过将激光和电弧两热源共同作用于焊接熔池，激光可以更有效地熔化焊丝，避免了焊缝根部熔合不良的情况，同时也降低了电弧热输入过大而引起裂纹缺陷的风险，从而提高焊接质量。而且本申请的焊接方法在进行第二层焊接时控制电弧焊枪在垂直于待焊接板的厚度方向上往复摆动可增加两侧侧壁的热输入，减小熔池的温度梯度，使熔滴的流动更加稳定，有效解决侧壁熔合不充分的问题，提高填充过程的稳定性，并且对焊接过程中易产生的气孔裂纹等缺陷起到抑制作用，从而进一步提高焊接质量。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例的激光-电弧复合焊接方法的流程图。

图2为本申请实施例的激光-电弧复合焊接方法的示意图。

图3为本申请实施例的激光-电弧复合焊接方法的另一视角的示意图。

图4为本申请实施例的Y型坡口的示意图。

图5为本申请又一实施例的激光-电弧复合焊接方法的流程图。

图6为本申请实施例的三层焊缝的示意图。

图中：

1、激光束；2、电弧焊枪；21、焊丝；3、待焊接板；A、打底层焊缝；B、填充层焊缝；C、盖面层焊缝。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现有技术中，厚板Y型坡口激光-电弧复合焊接设计中多采用60°以上的大坡口设计，为了保证焊丝熔化需要采用较大的电弧参数从而导致热输入过大引发热裂纹缺陷的产生。传统激光-电弧复合焊接技术难以实现小坡口尺寸接头的高质量焊接，主要是因为较窄的坡口对电弧的吸引能力较强，导致电弧的弧偏吹现象较为明显，易生成侧壁未熔合、层间未熔合等缺陷。另外由于厚板结构件装配间隙控制能力相对较弱，现有工艺难以适应大间隙条件下高质量焊接。

为了解决上述问题，参考图1，本申请提供了一种激光-电弧复合焊接方法，包括如下步骤：

S1，将第一母材和第二母材拼合以形成具有Y型坡口的待焊接板3；

S2，使激光器产生的激光束1和电弧焊枪2在设定电流下产生的电弧共同作用于Y型坡口以进行第一层焊接；以及

S3，降低激光束1的能量输入并且增大电弧焊枪2的电流，并控制电弧焊枪2在垂直于待焊接板3的厚度方向上往复摆动以进行第二层焊接。

本申请的焊接方法通过将激光和电弧两热源共同作用于焊接熔池，激光可以更有效地熔化焊丝，避免了焊缝根部熔合不良的情况，同时也降低了电弧热输入过大而引起裂纹缺陷的风险，从而提高焊接质量。而且本申请的焊接方法在进行第二层焊接时控制电弧焊枪在垂直于待焊接板的厚度方向上往复摆动可增加两侧侧壁的热输入，减小熔池的温度梯度，使熔滴的流动更加稳定，有效解决侧壁熔合不充分的问题，提高填充过程的稳定性，并且对焊接过程中易产生的气孔裂纹等缺陷起到抑制作用，从而进一步提高焊接质量。

使电弧摆动还可提高焊接间隙的适应性。具体地，使电弧摆动能够增加电弧的作用范围，等同于增加了热源的作用面积，因此在有焊接间隙的情况下仍能保持对两侧母材有具较好的热作用，从而提高焊接间隙的适应性。通过该方法可以实现对接间隙在1.5mm以下，开口角度在20°～30°之间的Y型坡口的高效率高质量焊接，与常规厚板焊接中的坡口相比(角度范围在50°～80°)，焊接填充量大幅度降低，节约了成本并提高了焊接效率。

此外，不对第一母材和第二母材的材料的异同作出限制，因此该焊接方法具有普适性。

在一些实施例中，控制电弧焊枪2在垂直于待焊接板3的厚度方向上往复摆动包括控制电弧焊枪2在Y型坡口的宽度方向上往复摆动；和/或，控制电弧焊枪2在Y型坡口的深度方向上往复摆动。具体地，Y型坡口的深度方向即为焊接方向(如图中2箭头所示)。可以根据实际工况控制电弧焊枪2的摆动方式。电弧焊枪2的摆动一方面能够使Y型坡口的侧壁更好的熔合，提高填充过程的稳定性，另一方面提高了装配间隙的适用性，使对接间隙在1.5mm时仍可以进行良好的焊接。

在一些实施例中，使用工业机器人控制电弧焊枪2摆动。具体地，通过对工业机器人进行编程来使电弧焊枪2按照期望的运动轨迹移动。

参考图2和图3，在一些实施例中，在焊接过程中，使激光束1的入射方向垂直于待焊接板3的上表面。使电弧焊枪2的焊丝21与待焊接板3的上表面倾斜设置，且激光束1的作用位置在焊丝21与待焊接板3的接触点的前侧。具体地，激光束1与电弧在Y型坡口内部复合，两者共同作用于焊接熔池以提供热输入。激光束1垂直入射可以提升熔深，以确保进行厚板焊接时坡口根部能够焊透。激光束1还会加热焊丝21，使焊丝21熔化更充分，降低因采用过大电弧焊枪电流熔化焊丝21所带来的热输入过大而出现裂纹缺陷的风险。更具体地，激光束1在焊丝21的前侧，采用后送丝的方式进行焊接。

在一些实施例中，在沿图2中所示的箭头方向进行焊接时，焊丝21与待焊接板3的倾角包括15°～60°，激光束1的作用位置在焊丝21与待焊接板3的接触点的前侧包括使激光束1的作用位置在焊丝21与待焊接板3的接触点前0～2mm。此时可以使激光束1对焊丝21的加热熔化作用最大化。

具体在本实施例中，在使用本焊接方法对具有图4中所示的Y型坡口(即，钝边高度为6～10mm，坡口角度为20°～30°，对接间隙为0～1.5mm)的20mm厚的待焊接板3进行焊接时，使激光器产生的激光束1和电弧焊枪2在设定电流下产生的电弧共同作用于Y型坡口以进行第一层焊接包括：激光功率为7～9kW，离焦量为-2～+2mm，电弧焊枪电流为200～260A。在焊接过程中采用一元调节的方式来调整各项参数。具体地，根据电弧焊枪电流的大小来对送丝速度进行相应的调节。在本实施例中，送丝速度为6～12m/min。焊接速度为0.8～1.2m/min。

在另一些实施例中，首先确定送丝速度，然后根据送丝速度来调节电弧焊枪电流的大小。

在一些实施例中，降低激光束1的能量输入包括使激光功率降低至2～3kW，增大电弧焊枪2的电流包括使电弧焊枪电流增大至330～400A，电弧焊枪2的摆动幅度包括1.5～2mm，摆动频率包括1～5Hz。具体地，在进行第一层焊接(打底焊)时，使电弧焊枪2不摆动，确保打底层为单面焊双面成型且深度实现8～14mm(即为图6中的A层焊缝)。参考图6中的B层焊缝，在进行第二层焊接(填充焊)时，应适当降低激光束1的能量输入以防止过大的熔深影响A层焊缝的稳定性。由于此时坡口的宽度逐渐变大，所以使电弧焊枪2摆动以确保侧壁良好的熔合。

在一些实施例中，在进行第二层焊接时，通过降低激光功率和/或增大离焦量的方式来降低激光束1的能量输入。具体地，在完成第一层焊接后，待焊接板由于热输入还会保留一定的温度(等同于预加热)，因此降低激光束1的能量输入才可保持第二层焊接的总热输入不变，使熔深符合预期。

在一些实施例中，通过打底层焊接和填充层焊接完成Y型坡口的焊接。

在另一些实施例中，如图5所示，通过打底层焊接、填充层焊接以及盖面层焊接完成Y型坡口的焊接。此时该焊接方法还包括：S4，在完成第二层焊接后使焊缝表面与Y型坡口的开口处的距离为2～3mm，然后继续降低激光束1的能量输入，增大电弧焊枪2的摆动幅度，进行第三层焊接。具体在本实施例中，参考图6中的C层焊缝，在进行第三层焊接(盖面焊)时，由于此时B层焊缝与Y型坡口的开口处的距离为2～3mm，所以应继续降低激光束1的能量输入以防止过大的熔深影响B层焊缝的稳定性。并且还应当提升电弧焊枪2的摆动幅度以确保侧壁良好的熔合以及盖面层焊缝余高1～4mm。

在一些实施例中，继续降低激光束1的能量输入包括降低激光功率和/或增大离焦量。

具体在本实施例中，继续降低激光束1的能量输入包括使激光功率降低至1～1.5kW并使离焦量增大至3～7mm。增大电弧焊枪2的摆动幅度包括使摆动幅度增大至2～3mm。

在一些实施例中，在第三层焊接时，激光束1的作用位置在焊丝21与待焊接板3的接触点后0～2mm。具体地，在进行第三层焊接时，使激光束1作用在焊丝21的后侧，采用前送丝的方式使激光的稳弧作用最强。

在一些实施例中，在焊接过程中采用氩气与二氧化碳的混合气来对焊缝进行保护。具体地，保护气的流量为12～20L/min，氩气与二氧化碳的体积比为4：1。

在一些实施例中，也可以采用纯氩气或者氩气与其他适合的活性气体的混合气体来对焊缝进行保护。

在一些实施例中，激光-电弧复合焊接方法还包括：在焊接过程中通过监测装置对坡口和焊缝进行实时监测并基于监测结果调整焊接参数。具体地，监测装置包括高速摄像机和处理器，高速摄像机可以实时获取焊缝表面形貌，处理器对焊缝表面形貌进行图像处理获取焊缝的变形量，然后根据变形量调整下一层焊接的工艺参数。

在一些实施例中，在焊接过程中还对侧壁熔合情况、电弧形态与位置进行观测以提升焊接的稳定性。

在一些实施例中，可以对电弧焊枪2的尺寸进行设计以得到适用于窄间隙的电弧焊枪。在对更厚的板材(例如为60mm)进行焊接时，使电弧焊枪可以深入坡口内部，进而使本焊接方法适于对更厚的板材进行焊接。

下面将以具有图4中所示Y型坡口的20mm厚的待焊接板3为例，详细描述本申请实施例的激光-电弧复合焊接方法的焊接过程。

待焊接板准备：首先准备第一母材和第二母材，并在其上进行加工以获得符合本申请所述的Y型坡口(钝边高度为6～10mm，坡口角度为20°～30°，对接间隙为0～1.5mm)。在加工完毕后，去除其上的油污杂质，将两个母材进行对接(例如，采用机械装夹的方式)，保证对接间隙在1.5mm内并利用激光束进行点固。在Y型坡口的深度方向上依次放置电弧焊枪2和激光器，使二者位于坡口的中心且运动轨迹在同一条直线上。其中，激光束1垂直入射，焊丝21与待焊接板3的倾角设定在15°～60°范围内，激光束1的作用位置应在焊丝21与待焊接板3的接触点前的0～2mm范围内。

第一层焊接(打底焊)：使激光功率为7～9kW，离焦量为-2～+2mm，焊接速度为0.8～1.2m/min，送丝速度为6～12m/min，电弧焊枪电流为200～260A，打底焊过程中电弧不摆动，打底层为单面焊双面成型且打底层深度为8～14mm。在完成该层焊接后，对焊缝表面进行清理，去除杂质以及侧壁附着的飞溅，校正电弧焊枪2和激光束1的位置。

第二层焊接(填充焊)：使激光功率为2-3kW，离焦量为-2～+2mm，焊接速度为0.6～1m/min，送丝速度为8～16m/min，电弧焊枪电流为330～400A。采用摆动幅度为1.5～2mm，摆动频率为1～5Hz的摆动电弧，确保完成该层焊接后，填充层焊缝表面距离Y型坡口开口处的距离为2～3mm。并且在完成该层焊接后，参照上一步对焊缝表面进行清理，确保无明显弧坑或下塌现象。

第三层焊接(盖面焊)：首先重新微调激光束1的聚焦位置，使其在焊丝21与待焊接板3的接触点后0～2mm范围内，然后使激光功率为1-1.5kW，离焦量为+3～+7mm，焊接速度为0.4～0.8m/min，送丝速度为7～14m/min，保持电弧焊枪电流不变，采用摆动幅度为2～3mm，摆动频率为1～5Hz的摆动电弧，确保焊后余高为1～4mm。

在整个焊接过程中，采用氩气与二氧化碳的混合气体对焊缝进行保护，氩气与二氧化碳的体积比为4：1，混合气体的流量为12～20L/min。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本申请技术方案的精神，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

Claims (12)

1.一种激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

将第一母材和第二母材拼合以形成具有Y型坡口的待焊接板(3)；

使激光器产生的激光束(1)和电弧焊枪(2)在设定电流下产生的电弧共同作用于所述Y型坡口以进行第一层焊接；以及

降低所述激光束(1)的能量输入并且增大所述电弧焊枪(2)的电流，并控制所述电弧焊枪(2)在垂直于所述待焊接板(3)的厚度方向上往复摆动以进行第二层焊接。

2.根据权利要求1所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述控制电弧焊枪(2)在垂直于待焊接板(3)的厚度方向上往复摆动包括控制所述电弧焊枪(2)在所述Y型坡口的宽度方向上往复摆动；和/或，控制所述电弧焊枪(2)在所述Y型坡口的深度方向上往复摆动。

3.根据权利要求1所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，使所述激光束(1)的入射方向垂直于所述待焊接板(3)的上表面，使所述电弧焊枪(2)的焊丝(21)与所述待焊接板(3)的上表面倾斜设置，且所述激光束(1)的作用位置在所述焊丝(21)与所述待焊接板(3)的接触点的前侧。

4.根据权利要求3所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述焊丝(21)与所述待焊接板(3)的倾角包括15°～60°，所述激光束(1)的作用位置在焊丝(21)与待焊接板(3)的接触点的前侧包括使所述激光束(1)的作用位置在所述焊丝(21)与所述待焊接板(3)的接触点前0～2mm。

5.根据权利要求1所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述使激光器产生的激光束(1)和电弧焊枪(2)在设定电流下产生的电弧共同作用于Y型坡口以进行第一层焊接包括：激光功率为7～9kW，离焦量为-2～+2mm，电弧焊枪电流为200～260A。

6.根据权利要求5所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述降低激光束(1)的能量输入包括使所述激光功率降低至2～3kW，所述增大电弧焊枪(2)的电流包括使所述电弧焊枪电流增大至330～400A，所述电弧焊枪(2)的摆动幅度包括1.5～2mm，摆动频率包括1～5Hz。

7.根据权利要求6所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，还包括：在完成第二层焊接后使焊缝表面与所述Y型坡口的开口处的距离为2～3mm，然后继续降低所述激光束(1)的能量输入，增大所述电弧焊枪(2)的摆动幅度，进行第三层焊接。

8.根据权利要求7所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，在第一层焊接和第二层焊接时，使所述激光束(1)的入射方向垂直于所述待焊接板(3)的上表面，使所述焊丝(21)与所述待焊接板(3)的上表面倾斜设置，所述焊丝(21)与所述待焊接板(3)的上表面的倾角包括15°～60°，所述激光束(1)的作用位置在所述焊丝(21)与所述待焊接板(3)的接触点前0～2mm，在第三层焊接时，所述激光束(1)的作用位置在所述焊丝(21)与所述待焊接板(3)的接触点后0～2mm。

9.根据权利要求7所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述继续降低激光束(1)的能量输入包括降低所述激光功率和/或增大所述离焦量。

10.根据权利要求7所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述继续降低激光束(1)的能量输入包括使所述激光功率降低至1～1.5kW并使所述离焦量增大至3～7mm，所述增大电弧焊枪(2)的摆动幅度包括使所述摆动幅度增大至2～3mm。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述Y型坡口的角度为20°～30°。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，还包括：在焊接过程中通过监测装置对坡口和焊缝进行实时监测并基于监测结果调整焊接参数。

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