专利名称：利用激光-gma电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法
技术领域：
本发明涉及一种激光-熔化极气体保护焊复合焊接方法。
背景技术：
以往在舰船、石油管道、高压容器、铁路车辆、国防与民用工业领域大量使用的中、 厚板高强钢的焊接均采用传统的电弧焊接方法，不仅焊接效率低，而且焊缝强度低，热输入 大，焊接变形大。激光-GMA电弧复合焊接装置(GMA为熔化极气体保护焊)是实现中、厚壁 构件高效、低成本的有效途径，激光-GMA电弧复合焊接装置可焊各种金属材料，由于采用 激光-GMA电弧复合焊接装置具有焊接速度快(是传统弧焊的几倍以上)、焊接变形小、通过 光束距离长、柔性传输容易实现遥控和全位置焊接优点而被广泛用于中、厚板的焊接中。但 是利用激光-GMA电弧复合焊接装置在焊接中、厚板过程中，通常激光束在待焊工件1上呈 直线移动，焊道侧壁和层间会产生未熔合、气孔、夹渣等焊接缺陷；为了解决中、厚板复合多 层焊接过程中出现的上述缺陷，国内外学者进行了大量研究，提出了窄间隙引导路径式激 光电弧复合焊接(LPLAC)技术、窄间隙U形坡口设计等方法。虽然上述方法在一定程度上 改善了中、厚板激光-GMA电弧复合多层焊焊接过程中出现气孔、夹渣的缺陷，但是仍然会 有气孔和夹渣等缺陷，而且产生的焊道歪斜、焊接的稳定性难以保证。
发明内容
本发明的目的是为解决利用激光-GMA电弧复合焊接装置在焊接中、厚板过程中， 容易出现的侧壁和层间未熔合、气孔、夹渣等缺陷的问题，提供一种利用激光-GMA电弧复 合焊接装置实现摆动焊接的方法。 本发明的方法是通过以下步骤实现的步骤一 开坡口 在待焊工件的焊接部位 开坡口 ；步骤二 装夹待焊工件将待焊工件固定在夹具上；步骤三确定电弧与激光束的 位置调整激光-GMA电弧复合焊接装置的位置，使激光束垂直入射于待焊工件的表面，电 弧与激光束之间的夹角为15 60° ，激光束与GMA电弧焊丝尖端之间的间距为2 6mm ; 步骤四设定焊接工艺参数激光功率为800 5000W，焊接电流为60 300A， GMA电弧焊 枪气体流量为10 30L/min， GMA电弧焊丝的干伸长度为15 20mm， GMA电弧焊丝的直径 为1. 0 1. 6mm，焊接速度为0. 5 3. Om/min ;步骤五实施焊接启动激光-GMA电弧复合 焊接装置上的激光器和焊接电源，启动引弧开关和激光焊接电子光闸，焊接时，电弧焊枪保 持不动，激光束聚焦焊枪呈"S"形来回摆动，激光束聚焦焊枪的摆动频率为2 100Hz，摆动 幅度为0 10mm， GMA电弧与激光束共同作用在焊缝同一熔池并随激光焊接产生的匙孔移 动，完成摆动焊接。 本发明具有以下优点一、利用激光-GMA电弧复合焊接装置，在中、厚板焊接过程 中，实施激光束在待焊工件1上呈"S"形摆动焊接，使焊接能量作用在焊缝坡口的两侧壁 上，改变了熔池流动，扩大了焊缝熔池，增加了焊缝熔宽，有效避免了激光-GMA电弧复合焊 接过程中出现的侧壁未熔合现象；由于焊缝熔池增加了 ，所以降低了焊缝冷却速率，有利于
3气体逸出，由此避免了焊接气孔及夹渣等缺陷。二、由于激光的摆动，避免了复合焊接过程 中电弧等离子体对激光能量的损耗，提高了激光能量利用率和焊接匙孔的稳定性，有利于 焊接过程的稳定。同时，对于一定尺寸的焊缝坡口，采用激光-GMA电弧复合焊接技术每一 层可能需要多道焊接才能完成；而采用摆动激光-GMA电弧复合焊接技术由于增加了熔池 宽度，因此，可以相应地减少焊接道数，提高焊接效率，保证了焊缝质量和焊接稳定性，降低 生产成本。
图1是利用激光-GMA电弧复合焊接装置在待焊工件1上实施摆动激光焊接的焊 接部位立体图，图2是电弧2与激光束3之间的位置示意图，图中标记5为GMA电弧焊枪喷 嘴、标记7为聚焦镜，图3是焊接时，激光束聚焦焊枪呈"S"形来回摆动焊接示意图(图中 标记8为激光束呈"S"形摆动的路线，标记9为焊接方向)。
具体实施例方式
具体实施方式
一 结合图1 图3说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实 现的步骤一 开坡口 在待焊工件1的焊接部位开坡口 1_1 ;步骤二 装夹待焊工件1 :将 待焊工件1固定在夹具上；步骤三确定电弧2与激光束3的位置调整激光_GMA电弧复合 焊接装置的位置，使激光束3垂直入射于待焊工件1的表面，电弧2与激光束3之间的夹角 13为15 60° ，激光束3与GMA电弧焊丝6尖端之间的间距D为2 6mm ;步骤四设定 焊接工艺参数激光功率为800 5000W，焊接电流为60 300A，GMA电弧焊枪气体流量为 10 30L/min， GMA电弧焊丝6的干伸长度为15 20mm， GMA电弧焊丝6的直径为1. 0 1. 6mm，焊接速度为0. 5 3. Om/min ;步骤五实施焊接启动激光-GMA电弧复合焊接装置 上的激光器和焊接电源，启动引弧开关和激光焊接电子光闸，焊接时，电弧焊枪保持不动， 激光束聚焦焊枪呈"S"形来回摆动，激光束聚焦焊枪的摆动频率为2 100Hz，摆动幅度L 为0 10mm，GMA电弧与激光束共同作用在焊缝同一熔池并随激光焊接产生的匙孔移动，完 成摆动焊接。本发明主要针对10mm以上的厚板对接焊缝进行焊接。实验结果表明利用激 光-GMA电弧复合焊接装置在实施摆动焊接的过程中，激光焊接的锁孔作用能够吸引、压縮 GMA焊接电弧，因此，利用激光-GMA电弧复合焊接装置在实施摆动焊接可以提高电弧稳定 性和作用于工件的能量密度。
具体实施方式
二 结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的坡口形状 为U形或Y形。这样设计一方面有利于复合焊接过程中激光能量的吸收；另一方面有利于 避免侧壁未熔合缺陷的产生。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图l说明本实施方式，本实施方式的步骤三中的电弧2与激 光束3之间的夹角13为45° 。电弧2与激光束3之间的夹角13为45°时是激光束在待 焊工件1摆动焊接的最佳角度。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中的激光束3与 GMA电弧焊丝6尖端之间的间距D为4mm。激光束3与GMA电弧焊丝6尖端之间的间距D 为4mm时，能够保证激光与电弧之间相互作用和焊缝熔宽在最佳范围内。其它步骤与具体 实施方式一相同。
具体实施方式
五结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的激光功率 为3000W。激光功率为3000W时是实施焊接的最佳功率。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的焊接电流 为200A。焊接电流为200A时是实施焊接的最佳焊接电流。其它步骤与具体实施方式
一相 同。
具体实施方式
七结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的GMA电弧焊 枪气体流量为20L/min。 GMA电弧焊枪气体流量为20L/min时是实施焊接的最佳焊枪气体 流量。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的GMA电弧焊 丝6的干伸长度为18mm， GMA电弧焊丝6的直径为1. 2mm。上述数值能够保证焊缝熔池达 到要求，避免了焊接时出现气孔及夹渣等缺陷。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的焊接速度 为2. Om/min。焊接速度为2. Om/min时是实施焊接的最佳焊接速度。其它步骤与具体实施 方式一相同。
具体实施方式
十结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的激光采用 0)2激光、YAG激光、半导体激光或光纤激光。根据不同的工件尺寸和焊接材料可以选择不 同的激光器产生的激光进行摆动激光-GMA电弧复合焊接，以便提高焊接的适应性和加工 效率。其它步骤与具体实施方式
一相同。
权利要求
一种利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特征在于所述方法是通过以下步骤实现的步骤一开坡口在待焊工件(1)的焊接部位开坡口(1-1)；步骤二装夹待焊工件(1)将待焊工件(1)固定在夹具上；步骤三确定电弧(2)与激光束(3)的位置调整激光-GMA电弧复合焊接装置的位置，使激光束(3)垂直入射于待焊工件(1)的表面，电弧(2)与激光束(3)之间的夹角(β)为15～60°，激光束(3)与GMA电弧焊丝(6)尖端之间的间距(D)为2～6mm；步骤四设定焊接工艺参数激光功率为800～5000W，焊接电流为60～300A，GMA电弧焊枪气体流量为10～30L/min，GMA电弧焊丝(6)的干伸长度为15～20mm，GMA电弧焊丝(6)的直径为1.0～1.6mm，焊接速度为0.5～3.0m/min；步骤五实施焊接启动激光-GMA电弧复合焊接装置上的激光器和焊接电源，启动引弧开关和激光焊接电子光闸，焊接时，电弧焊枪保持不动，激光束聚焦焊枪呈“S”形来回摆动，激光束聚焦焊枪的摆动频率为2～100Hz，摆动幅度(L)为0～10mm，GMA电弧与激光束共同作用在焊缝同一熔池并随激光焊接产生的匙孔移动，完成摆动焊接。
2. 根据权利要求1所述利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特征 在于所述步骤一中的坡口形状为U形或Y形。
3. 根据权利要求1所述利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特征 在于所述步骤三中的电弧(2)与激光束(3)之间的夹角(P)为45° 。
4. 根据权利要求1所述利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特征 在于所述步骤三中的激光束(3)与GMA电弧焊丝(6)尖端之间的间距(D)为4mm。
5. 根据权利要求1所述利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特征 在于所述步骤四中的激光功率为3000W。
6. 根据权利要求1所述利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特征 在于所述步骤四中的焊接电流为200A。
7. 根据权利要求1所述利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特征 在于所述步骤四中的GMA电弧焊枪气体流量为20L/min。
8. 根据权利要求1所述利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特 征在于所述步骤四中的GMA电弧焊丝(6)的干伸长度为18mm，GMA电弧焊丝(6)的直径为 1. 2mm。
9. 根据权利要求1所述利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特征 在于所述步骤四中的焊接速度为2. Om/min。
10. 根据权利要求1所述利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，其特 征在于所述步骤五中的激光采用C02激光、YAG激光、半导体激光或光纤激光。
全文摘要
利用激光-GMA电弧复合焊接装置实现摆动焊接的方法，它涉及一种激光-熔化极气体保护焊复合焊接方法。本发明为解决利用激光-GMA电弧复合焊接装置焊接中、厚板过程中，易出现侧壁和层间未熔合、气孔、夹渣等缺陷的问题。方法步骤一开坡口；步骤二装夹待焊工件；步骤三确定电弧与激光束的位置激光束垂直入射于待焊工件表面，电弧与激光束之间夹角为15～60°，激光束与GMA电弧焊丝尖端之间间距为2～6mm；步骤四设定焊接工艺参数；步骤五实施焊接焊接时，电弧焊枪保持不动，激光束聚焦焊枪呈“S”形来回摆动焊接。本发明用于造船、石油管道、高压容器、战车及核装置等国防与民用领域中10mm以上厚板的对接焊。
文档编号B23K28/02GK101716701SQ20091031116
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者陈彦宾, 雷正龙 申请人:哈尔滨工业大学