一种基于预制焊材的窄间隙激光扫描多层自熔焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于预制焊材的窄间隙激光扫描焊接方法。
【背景技术】
[0002]随着核电、船舶、航空航天、建筑、石油化工等行业的发展，各种焊接结构也不断朝向功能性与大型化发展，特别是大尺寸中厚板焊接结构件的应用越来越广泛，对焊接结构的应力应变、接头综合性能等提出更高的要求，需要新的焊接技术措施来保证焊缝的质量。
[0003]窄间隙焊接技术是一种先进、高效的焊接技术，适合大厚板的焊接。目前，工业应用的窄间隙焊接技术主要是窄间隙电弧焊接技术，包括窄间隙TIG、窄间隙MIG、窄间隙埋弧焊技术。国内众多学者将窄间隙焊接技术与激光焊接技术结合起来，获得了更优质窄间隙激光焊接技术。窄间隙激光焊接技术在保持了激光自熔焊的高质量、高精度、低变形等许多优点的同时，克服了其焊缝冶金过程难以控制、单道焊透晶粒粗大、应力集中、残余应力大的情况，是一种具有广阔应用前景的激光焊接新技术。激光聚焦斑点很小，桥接能力小，对焊缝两侧的坡口没有办法进行熔化，因此，在窄间隙激光焊接技术中，根部熔透、侧壁熔合依然是需要解决的关键问题。在填丝焊接过程中光束如何能够准确熔化焊丝也是重点，目前窄间隙激光填丝焊接仅限于实验室条件下的一些试验件，距离广泛工程化应用还很远，究其主要原因为:一、焊接过程控制；二、精准的送丝；三、完善的焊缝保护方法。由于焊丝添加增加了激光焊接过程的复杂性，精确的送丝参数影响着窄间隙激光填丝焊过程稳定性，并决定着窄间隙坡口中焊缝的单层填充高度。
[0004]随着激光器制造技术的进步，高光束质量的光纤激光器、碟片激光器、二极管激光器输出功率达到万瓦级，在单道焊接时能够获得较大的熔深。近年来，随着激光扫描技术的兴起，YAG、光纤、碟片激光等可经过光纤传输，再采用扫描系统对光束能量分布进行整形，使得激光束能够到达指定位置的速度、便捷性有了大大的提高，扩展激光热源的作用范围，增大熔池的面积，改善激光焊缝成型不均匀性，使激光缝合焊接成为可能。在激光扫描焊接过程中，只需要在准直与聚焦单元之间添加一个扫描系统就控制光束移动轨迹，使光束沿着不同轨迹产生精确控制的位移。因此，将扫描技术引入到窄间隙激光焊接技术能够解决侧壁熔合问题，激光束可以精确快速作用于坡口侧壁之间任何位置，保证填充金属能够充分熔化，且具有相同的溶深，同时能够进一步控制热输入，减小焊接变形。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决厚板焊接过程中存在的填丝困难及熔滴过渡不稳定的问题，而提供一种基于预制焊材的窄间隙激光扫描多层自熔焊接方法。
[0006]本发明的一种基于预制焊材的窄间隙激光扫描多层自熔焊接方法按以下步骤进行:
[0007]—、加工坡口:在两个待焊厚板之间加工出带有钝边的U型坡口或V型坡口，钝边厚度为t，U型坡口或V型坡口内为多层预制填充层，控制单层预制填充层的高度d与钝边厚度t相等，所述的U型坡口的宽度D呈台阶状分布，D随预制填充层的层数的递增而增加，逐层之间坡口宽度D的增加量AD = D2-D1，其中D1S初始坡口宽度，D2为第二坡口宽度，控制Δ D为0.5mm?2臟，控制初始坡口宽度D1S 2mm?4mm ;所述的V型坡口的宽度D随预制填充层的层数的递增而呈直线增加，逐层之间坡口宽度D的增加量AD = D2-D1，其中D1为初始坡口宽度，D1 =初始坡口所在等腰梯形上底边长，D 2为第二坡口宽度，D 2 =第二坡口所在等腰梯形上底边长，控制Δ D为0.5mm?2mm，控制初始坡口宽度0丨为2mm?4mm，控制V型坡口的角度Θ为6°?12° ;
[0008]二、固定:将两个待焊厚板置于支架上，通过支架来固定支撑；
[0009]三、打底焊:通过激光自熔焊进行打底焊，在焊接过程中，采用视觉检测系统实时检测坡口的宽度，识别坡口或预制填充层边缘，进而确定焊缝中心，使激光束在焊缝中心两侧坡口之间来回摆动扫描来熔化坡口钝边金属实现打底焊；所述的激光自熔焊过程为:采用单轴或双轴的扫描振镜对激光器产生并经光纤传输的激光束进行整形，使激光束以不同摆动方式进行摆动，在保持溶深的一致情况下，增加激光束的作用区域开始焊接，在进行打底焊之前，先用激光扫描点焊的方式将坡口钝边金属进行固定；
[0010]四、逐层激光扫描缝合焊接:通过激光自熔焊进行逐层激光扫描缝合焊接，在焊接过程中，采用视觉检测系统实时检测坡口的宽度，识别坡口或预制填充层边缘，进而确定焊缝中心，使激光束在焊缝中心两侧坡口之间来回摆动扫描来熔化预制填充层实现逐层激光扫描缝合焊接；所述的激光束的扫描宽度大于每层预制填充层的宽度，每层焊缝的熔深大于单层预制填充层的高度d，其中预制填充层边缘与坡口侧壁之间的配合方式为过渡配合或无间隙配合，在逐层激光扫描缝合焊接之前，逐层对每层的预制填充层进行固定，点焊时相邻激光扫描定位焊点的间距为10mm?200mm ；
[0011]五、盖面焊:在进行最后一层激光扫描盖面焊时，所使用的预制填充层的高度Cl1 =d+lmm，其中d为单层预制填充层的高度。
[0012]本发明有益效果:
[0013]本发明将激光扫描焊接技术与窄间隙多层填充焊巧妙结合，使厚板结构件激光填丝多层焊接转变为激光自熔多层焊方式，可以做到精确控制窄间隙坡口中焊缝的单层填充高度，由于预制填充层可防止焊缝收缩，可以进一步减小焊接变形，极大简化厚板焊接过程，极高焊接效率和焊缝质量。
[0014]本发明的具体优点如下:将通常厚板焊接所采用的激光多层填丝焊接或激光-电弧复合焊转变为激光自熔焊，使得厚板结构件焊接朝着简单化、自动化等发展，充分利用了激光束能量密度高熔深大且易于控制和整形的能力，不需要复杂的送丝装置或MIG焊等辅助设备，焊接过程稳定且容易控制，且能够将大型厚板结构件的焊接变形控制在更小的水平。采用激光扫描振镜，激光束以不同形式进行高速往复运动，能起到束流搅拌熔池作用，可以减少气孔缺陷、未熔合缺陷，同时可以细化晶粒提高焊缝综合性能。
[0015]本发明可适用于多种不同形式厚板结构的焊接，如平焊焊缝、横焊焊缝、环型焊缝、T型角焊缝等，对于不同形式、不同大小窄间隙的坡口，加工制造与坡口相对应的预制填充层即可实现焊接。通过单轴或双轴扫描振镜对激光束进行整形，其下表面距离工件的最大工作距离可达到660mm，使得厚板结构件中远程扫描焊接成为可能，可减小大型工件拼装结构的限制。该技术将激光自熔焊接、激光扫描焊接以及窄间隙焊接技术完美有机的结合在一起，整合了各自的优点，适用于大型复杂结构的厚板焊接，拓展了激光焊接技术的应用。
【附图说明】
[0016]图1为本发明所述的一种基于预制焊材的窄间隙激光扫描多层自熔焊接方法前视图；其中I为扫描系统、2为表面镀银摆动反射镜、3为黄色光纤、4为准直镜、5为聚焦镜、6为高频摆动激光束、7为待焊厚板、8为激光扫描打底焊缝；
[0017]图2为本发明所述的一种基于预制焊材的窄间隙激光扫描多层自熔焊接方法左视图；其中I为扫描系统、2为表面镀银摆动反射镜、3为黄色光纤、4为准直镜、5为聚焦镜、6为高频摆动激光束、7为待焊厚板、8为激光扫描打底焊缝；
[0018]图3为本发明所述方法的窄间隙U型坡口尺寸示意图；其中H为母材厚度、t为钝边厚度、d为单层预制填充层的高度、D为U型坡口宽度、D1为初始坡口宽度、D 2为第二坡口宽度；
[0019]图4为本发明所述方法的窄间隙V型坡口尺寸示意图；其中H为母材厚度、t为钝边厚度、d为单层预制填充层的高度、D为V型坡口宽度、D1为初始坡口宽度、D 2为第二坡口宽度、Θ为V型坡口的角度；
[0020]图5为本发明所述两个待焊厚板底部固定支撑示意图；其中7为待焊厚板，12为底部固定支撑件；
[0021]图6为本发明所述激光扫描打底焊示意图；其中6为高频摆动激光束、7为待焊厚板、8为激光扫描打底焊缝；
[0022]图7为本发明所述第一层预制填充层激光扫描缝合焊接示意图；其中6为高频摆动激光束、7为待焊厚板、8为激光扫描打底焊缝、9为预制填充层、10为激光扫描缝合焊缝；
[0023]图8为本发明所述U型坡口及预制填充层示意图；
[0024]图9为本发明所述V型坡口及预制填充层示意图；
[0025]图10为本发明所述激光束呈锯齿轨迹扫描摆动的示意图；其中T为扫描周期、L为一个扫描周期激光束位移；
[0026]图11为本发明所