一种振镜激光-热丝复合管道自动焊接方法及其装置与流程

本发明涉及管道自动焊接领域，具体地说是一种振镜激光-热丝复合管道全位置自动焊接方法。

背景技术：

管道被广泛应用于石油化工，煤炭，矿石，建材，核电等国家重要的工业领域，是各类资源转移的重要枢纽，因此工业上对于管道的焊接往往有较高的要求，既需要保证很高的焊接质量，同时还要尽可能缩短焊接周期。

目前，国内应用于实际生产中的管道焊接方法主要还是电弧焊，依靠一个焊枪绕管道一周或两个焊枪同时绕管道半周来完成打底焊，之后通过自动焊、半自动焊或者人工焊接的方法来进行管道的填充盖面。随着资源运输量的快速增长，为了承载住大量物质资源的转移，应用于各行各业的管道也逐渐向大口径、厚管壁方向发展，电弧焊由于受到自身特点的限制，无法通过进一步提高焊接速度或增加焊接熔深等方法来提高焊接效率。而激光焊接有速度快，熔深大，能量集中的特点，因此，为了降低大量人力物力的消耗，进一步提高当前的焊接效率来缩短工期，人们对激光-电弧复合热源的管道焊接技术进行了研究。

《电焊机》2015年5月刊提出了一种x80管线钢的激光-mig复合焊接技术，该技术通过考察各类焊接工艺参数对焊缝成形的影响，最终确定了能够保证焊缝质量的多组工艺参数范围，但是由于该实验所用材料为10mm厚板材，后期并未真正利用管道进行实验，因此结果并不可靠；《油气运输》2017年12月刊描述了一种以管道内环缝自动焊机+激光-mag复合焊的焊接工艺进行管道的根焊，然后采用自动焊机进行填充和盖面焊，虽然这种方法有不错的效果，但是由于其对设备要求较高，且焊接结果很不稳定，经常出现不确定的气孔位置，因此应用于实际工程的难度较大。

虽然管道的激光电弧复合焊接技术近几年来取得了不错的进展，但真正应用于实际生产中的少之又少，大部分行业依旧采用电弧焊进行管道焊接，且目前已知的各类管道焊接方法都存在一定程度上的缺陷，如下：

1.厚壁管道窄间隙坡口往往存在较厚的钝边，在进行打底焊接时单纯的电弧焊接想要焊透比较困难，若采用双面焊则比较繁琐；

2.采用传统的电弧焊方式进行管道的多层单道焊接，极易出现坡口侧壁未熔合的现象，即使单纯加上激光焊接的辅助，也并不能完全避免侧壁未熔合或熔合不均的缺陷；

3.采用单一的焊接工艺参数在进行立焊和仰焊操作时，熔池金属受重力作用很容易就会出现流淌问题，这会使得焊缝成形不佳出现背面内凹，严重影响到焊缝质量；

当采用一般形式的激光电弧复合焊方式进行焊接时，由于激光焊所形成的熔深大于电弧焊形成的熔深，电弧无法深入复合熔池的底部使其产生流动，进而导致底部熔池气泡不能够及时逸出，从而形成气孔缺陷。

技术实现要素：

本发明就是为了解决超厚材料窄间隙焊接过程中坡口侧壁与焊缝金属熔合不良以及非平焊过程中产生焊缝缺陷的技术问题，提供了一种高管道焊接效率、高稳定性的全位置管道自动焊接方法。

为此，本发明提供了一种振镜激光-热丝复合管道自动焊接方法，具体包括以下步骤：

(1)将管道对接开组合坡口，所述的组合坡口为窄间隙深坡口，在保护气的条件下，调整激光束的方向和摆动幅度、激光束与焊枪的夹角、激光光斑大小；(2)对步骤(1)中的组合坡口的根部钝边进行振镜激光打底焊接；(3)对步骤(2)处理后的组合坡口，加焊丝，在保护气的条件下，调整激光束的摆动幅度、焊丝与激光束的夹角、焊丝与激光光斑的间距；(4)采用振镜激光-热丝复合焊接方法对步骤(3)处理后的坡口进行填充焊接和盖面焊接。

优选地，经过管道轴心的垂直线将管道分为左半部和右半部，所述垂直线的上端点为起始端点，将圆弧分为第一区段至第八个区段，第一区段至第四区段分布在右半部，第五区段至第八区段分布在左半部，所述左半部和所述右半部的对称区段焊接工艺参数相同。

优选地，步骤(1)中，激光束的方向与管道切线方向保持垂直，激光摆幅为-2mm～+2mm，激光束与焊枪夹角为30°～40°，激光光斑大小为φ0.4～0.6mm，保护气为氩气。

优选地，振镜激光打底焊过程中，第一区段至第四区段的焊接工艺参数如下：

第一区段焊接参数为激光功率为4.0～8.0kw，激光摆动频率为20～200hz，焊接速度为0.3～0.6m/min；

第二区段焊接参数为激光功率为4.0～8.0kw，激光摆动频率为20～200hz，焊接速度为0.3～0.6m/min；

第三区段焊接参数为激光功率为5.0～10.0kw，激光摆动频率为20～500hz，焊接速度为0.4～0.8m/min；

第四区段圆弧焊接参数为激光功率为5.0～10.0kw，激光摆动频率为20～500hz，焊接速度为0.3～0.6m/min。

优选地，步骤(3)中，激光束摆幅为-5mm～+5mm，焊丝与激光束间夹角为50°～60°，光斑与焊丝间距为2mm～4mm，调整激光光斑大小为φ0.4～0.6mm，,保护气采用ar气。

优选地，振镜激光-热丝复合填充焊和盖面焊接过程中，第一区段至第四区段区段焊接工艺参数如下：

第一区段焊接参数：激光功率为1.0～2.0kw，激光摆动频率为20～200hz，焊接速度为0.5～1.5m/min，送丝速度为3～6m/min，热丝电流值为50～100a，电弧电流值为160～220a；

第二区段焊接参数：激光功率为1.0～2.0kw，激光摆动频率为20～200hz，焊接速度为0.5～1.5m/min，送丝速度为3～6m/min，热丝电流值为50～100a，电弧电流值为160～220a；

第三区段焊接参数：激光功率为1.0～1.5kw，激光摆动频率为20～500hz，焊接速度为1.5～2.0m/min，送丝速度为6～8m/min，热丝电流值为50～80a，电弧电流值为200～280a；

第四区段焊接参数：激光功率为1.0～1.5kw，激光摆动频率为20～500hz，焊接速度为0.5～1.5m/min，送丝速度为3～6m/min，热丝电流值为50～80a，电弧电流值为200～280a；

优选地，焊接方式为平焊、立焊和仰焊。

本发明同时提供了一种振镜激光-热丝复合管道自动焊接装置，设有计算机控制系统和执行机构，所述计算机控制系统设置焊接过程中不同焊接工艺参数，所述执行机构设有振镜激光头、焊枪、可运动小车、环形轨道和送丝装置。

优选地，振镜激光头和焊枪采用旁轴复合的方式与可运动小车连接，振镜激光头通过内置组合振镜来控制激光束的摆动。

本发明的有益性：

(1)采用振镜激光焊来进行打底焊接；由于激光束能量集中、热输入大，焊接时能够得到很大的熔深从而能够轻松熔透较厚钝边，克服了传统电弧焊接打底焊时较厚钝边无法熔透的缺点，大大提升了打底焊的效率和质量；且采用振镜扫描激光焊接，加热范围宽，有助于降低传统激光焊接对间隙的要求；

(2)在进行填充焊和盖面焊时，添加了扫描振镜的激光焊接装置，使激光束能横向进行快速移动，与坡口侧壁充分接触，从而使得焊接过程中侧壁与焊缝发生充分熔合，提高焊接质量；

(3)在进行填充焊和盖面焊时，添加了扫描振镜的激光焊接装置，使激光束发生了振荡，从而复合熔池底部产生流动使气泡有足够的时间逸出，大大降低了气孔缺陷；激光束的振荡同时也起到了细化焊缝晶粒，降低裂纹产生倾向，从而提升了焊接接头的质量；

(4)针对管道的不同位置采取了不同的焊接工艺参数；从12:00点位到6:00点位分成四段并采用了不同的焊接工艺参数进行焊接；通过降低激光器功率，提高焊接速度和加快激光摆动频率等措施充分保证了立焊和仰焊过程中焊缝的成形和质量；

(5)tig焊采用送热丝取代了送冷丝，这是因为热丝的送给速度较冷丝更快，更能匹配管道自动焊过程中的复合焊装置的焊接速度。

附图说明

图1为本发明振镜激光-热丝复合管道自动焊接方法的原理图；

图2为本发明是管道截面八区段示意图；

图3为本发明管道焊接前所开坡口示意图。

附图标记：

1.tig焊枪，2.激光束，3.焊丝，4.第一区段，5.第二区段，6.第三区段，7.第四区段，8.第五区段，9.第六区段，10.第七区段，11.第八区段，s1.坡口顶部宽度，s2.坡口底部宽度，h.坡口底部钝边厚度，a.激光束与焊枪夹角，b.焊丝与激光束间夹角，α.坡口侧壁角度。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权力要求书中所描述的本发明。

实施例一

采用本实施例中的振镜激光-热丝tig复合管道自动焊焊接技术来焊接直径600mm，壁厚70mm的316ln不锈钢管道，具体实验方法如下：

(1)焊接前将管道对接后开组合坡口，坡口底部宽度s2为8mm，顶部宽度s1为15mm，坡口侧壁角度α为3°，坡口底部钝边厚度h为10mm，钝边间隙小于2mm；坡口形状及所有参数位置如图3所示；

(2)焊接装置为激光头与tig焊枪1旁轴复合而成并与可动小车刚性连接，事先调整好激光束与tig焊枪夹角a为30°，激光光斑大小为0.6mm，调整激光束摆幅为-2mm～+2mm，保护气采用氩气；

(3)先对坡口底部钝边进行打底焊接，此时采用的是振镜激光自熔焊方式，针对管道的不同位置采用不同的焊接参数进行焊接，具体参数如下：

第一区段4焊接参数：激光功率为6.5kw，激光摆动频率为30hz，焊接速度为0.6m/min；

第二区段5焊接参数：激光功率为7.0kw，激光摆动频率为30hz，焊接速度为0.6m/min；

第三区段6焊接参数：激光功率为8.0kw，激光摆动频率为50hz，焊接速度为0.8m/min；

第四区段7焊接参数：激光功率为8.5kw，激光摆动频率为50hz，焊接速度为0.5m/min；

由于管道的对称性，第五区段8、第六区段9、第七区段10、第八区段11采用与其对称部位相对应的焊接参数进行焊接；

(4)打底焊接完成后，检查tig焊枪与激光束的相对位置是否发生改变，若变化则需重新进行调整，保证与初始设置参数一致，同时加焊丝3并调整焊丝与激光束间的夹角b为60°，调整激光光斑大小为0.4mm，光斑与焊丝3前端在焊接面上间距为2mm，激光摆幅为-5mm～+5mm,保护气采用氩气；

(5)进行填充焊接和盖面焊接，此时采用振镜激光-热丝tig复合焊的方式进行，针对管道的不同位置采用不同的焊接参数进行焊接，具体参数如下：

第一区段4焊接参数：激光功率为1.6kw，激光摆动频率为30hz，焊接速度为1.2m/min，送丝速度为5.5m/min，热丝电流值为90a，电弧电流值为200a；

第二区段5焊接参数：激光功率为1.4kw，激光摆动频率为30hz，焊接速度为1.5m/min，送丝速度为6m/min，热丝电流值为80a，电弧电流值为220a；

第三区段6焊接参数：激光功率为1.2kw，激光摆动频率为50hz，焊接速度为2m/min，送丝速度为7.0m/min，热丝电流值为70a，电弧电流值为240a；

第四区段7焊接参数：激光功率为1.0kw，激光摆动频率为50hz，焊接速度为1.0m/min，送丝速度为4.0m/min，热丝电流值为60a，电弧电流值为280a；

由于管道的对称性，第五区段8、第六区段9、第七区段10、第八区段11采用与其对称部位相对应的焊接参数进行焊接。

实施例二

采用本实施例中的振镜激光-热丝tig复合管道自动焊焊接技术来焊接直径400mm，壁厚30mm的316l不锈钢管道，具体实验方法如下：

(1)焊接前将管道对接后开组合坡口，坡口底部宽度s2为8mm，顶部宽度s1为11mm，坡口侧壁角度α为3°，坡口底部钝边厚度h为5mm，钝边间隙小于2mm；

(2)焊接装置为激光头与tig焊枪1旁轴复合而成并与可动小车刚性连接，事先调整好激光束与tig焊枪夹角a为30°，激光光斑大小为0.5mm，调整激光束摆幅为-2mm～+2mm，保护气采用氩气；

(3)先对坡口底部钝边进行打底焊接，此时采用的是振镜激光自熔焊方式，针对管道的不同位置采用不同的焊接参数进行焊接，具体参数如下：

第一区段4焊接参数：激光功率为4.0kw，激光摆动频率为20hz，焊接速度为0.6m/min；

第二区段5焊接参数：激光功率为4.5kw，激光摆动频率为20hz，焊接速度为0.6m/min；

第三区段6焊接参数：激光功率为5.5kw，激光摆动频率为20hz，焊接速度为0.8m/min；

第四区段7焊接参数：激光功率为6.0kw，激光摆动频率为50hz，焊接速度为0.5m/min；

由于管道的对称性，第五区段8、第六区段9、第七区段10、第八区段11采用与其对称部位相对应的焊接参数进行焊接；

(4)打底焊接完成后，检查tig焊枪1与激光束2的相对位置是否发生改变，若变化则需重新进行调整，保证与初始设置参数一致，同时加焊丝3并调整焊丝3与激光束2的夹角b为50°，调整激光光斑大小为0.5mm，光斑与焊丝前端在焊接面上间距为2mm，激光摆幅为-5mm～+5mm,保护气采用氩气；

(5)进行填充焊接和盖面焊接，此时采用振镜激光-热丝tig复合焊的方式进行，针对管道的不同位置采用不同的焊接参数进行焊接，具体参数如下：

第一区段4焊接参数：激光功率为1.5kw，激光摆动频率为20hz，焊接速度为1.2m/min，送丝速度为5.5m/min，热丝电流值为90a，电弧电流值为200a；

第二区段5焊接参数：激光功率为1.5kw，激光摆动频率为20hz，焊接速度为1.5/min，送丝速度为6.0m/min，热丝电流值为80a，电弧电流值为220a；

第三区段6焊接参数：激光功率为1.2kw，激光摆动频率为20hz，焊接速度为2m/min，送丝速度为7.0m/min，热丝电流值为70a，电弧电流值为240a；

第四区段7焊接参数：激光功率为1.0kw，激光摆动频率为500hz，焊接速度为1.0m/min，送丝速度为4.0m/min，热丝电流值为60a，电弧电流值为280a；

由于管道的对称性，第五区段8、第六区段9、第七区段10、第八区段11采用与其对称部位相对应的焊接参数进行焊接。