一种用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝及其焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光焊接技术领域，具体的是一种用于厚板多道填丝激光焊接的焊 丝，还是一种采用该用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝消除填丝窄间隙激光焊接侧壁未熔 合的焊接方法。
【背景技术】
[0002] 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，同时克服了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。近年来，国内外诸多学者开展了关于窄间 隙激光焊接技术的相关研究，比如国内北京工业大学的通过散焦窄间隙激光焊接成功焊 接70mm不锈钢，在实验室，曼彻斯特大学大学的教授，用1KW光纤单模激光器用15道焊接 26mm的钛合金，获得低残余应力、抗拉强度大于母材的焊接接头；日本学者用12KW光纤激 光器8道双面焊接焊透45mm的不锈钢板。总之，以上的这些成就就是限于实验室条件下的 一些试验件，距离工程化应用还很远，究其主要原因：一、精准的送丝难以操作；二、对侧壁 熔合性的控制不稳定，因此难以复制到实际工程应用中。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有窄间隙激光焊接技术工程化较为困难的问题，本发明提供一种用于 厚板多道填丝激光焊接的焊丝及其焊接方法，该用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝利用激 光的光反射特性，通过改变焊丝断面的几何外形，使得在焊接过程中侧壁母材能够合理地 被激光熔化；其次，通过改变焊丝与焊缝的接触方式，焊丝的底边形状可以确保焊丝能居于 焊缝的正顶端，以此确保稳定的填丝以及稳定的母材侧壁熔合性，便于顺利完成填丝的窄 间隙激光焊接。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于厚板多道填丝激光焊接 的焊丝，所述用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝的断面为左右对称结构，所述用于厚板多 道填丝激光焊接的焊丝的断面包括位于左侧的左侧边、位于右侧的右侧边和位于底部的底 边，左侧边和右侧边均为直线，左侧边和右侧边之间的夹角小于180°，该夹角朝上，底边向 该断面的内部凹或向该断面的外部凸。
[0005] -种消除填丝窄间隙激光焊接侧壁未熔合的焊接方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1、在两个工件的边缘分别开左右对称的阶梯形坡口，装卡所述两个工件，使 该两个工件的阶梯形坡口左右对称设置形成一个条形凹槽；
[0007] 步骤2、将权利要求1所述焊丝的一端放入该条形凹槽内，使该焊丝的底边放置于 该条形凹槽的下表面上，该焊丝的底边为一条向所述焊丝的断面的内部凹的弧线，该焊丝 的断面的对称中心线与该条形凹槽的断面的对称中心线重合；
[0008] 步骤3、使激光束沿该焊丝的断面的对称中心线照射向该焊丝的左侧边和右侧边 进行第一道激光焊接；
[0009] 步骤4、当第一道激光焊接完成后形成的焊缝的上表面为向上凸时，多次重复步骤 5A，直至焊接完成；当第一道激光焊接完成后形成的焊缝的上表面为向下凹时，多次重复步 骤5B，直至焊接完成；
[0010] 步骤5A、将权利要求1所述焊丝的一端放入该条形凹槽内焊缝的上表面，该焊丝 的底边为一条向该焊丝的断面的内部凹的弧线，该焊丝的断面的对称中心线与该条形凹槽 的断面的对称中心线重合；使激光束沿该焊丝的断面的对称中心线照射向该焊丝的左侧边 和右侧边进行一道激光焊接；
[0011] 步骤5B、将权利要求1所述焊丝的一端放入该条形凹槽内焊缝的上表面，该焊丝 的底边为一条向该焊丝的断面的外部凹的弧线，该焊丝的断面的对称中心线与该条形凹槽 的断面的对称中心线重合；使激光束沿该焊丝的断面的对称中心线照射向该焊丝的左侧边 和右侧边进行一道激光焊接。
[0012] 本发明的有益效果是，该用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝及其焊接方法利用激 光的光反射特性，通过改变填充材料（焊丝断面）的几何外形，使得在焊接过程中侧壁母材 能够合理地被反射激光熔化。其次，通过改变焊丝与焊缝的接触方式，焊丝的底边形状可以 确保焊丝能居于焊缝正顶端，以此实现稳定的填丝窄间隙激光焊接。而且可以有效消除填 丝激光窄间隙焊接侧壁未熔合以及导丝不稳定等问题。利用此焊接方法使得通过填丝窄间 隙激光焊接维修一些大、长、厚的大型载体工具或厚壁管线成为可能，从而创造更大的经济 效益。
【附图说明】
[0013] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0014] 图1是第一种用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝的断面结构示意图。
[0015] 图2是第二种用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝的断面结构示意图。
[0016] 图3是首道填丝焊接分析图。
[0017] 图4是"凸"型焊缝后续填丝焊接示意图。
[0018] 图5是"凹"型焊缝后续填丝焊接示意图。
[0019] 附图标记说明：
[0020] 1.焊丝顶角，2.焊丝底角，3.反射光与底面夹角，4.焊丝底角倒角，
[0021] 5.激光束宽度，6.焊丝底边宽度，7.间隙宽度，8.入射激光最低点，
[0022] 9.焊丝高度，10.法线，11.法线，12.入射激光束，
[0023] 13.焊丝顶角，14.焊丝底角，15.反射光与底面夹角，16.焊丝底角倒角，
[0024] 17.激光束宽度，18.焊丝底边宽度，19.间隙宽度，20.入射激光最低点，
[0025] 21.焊丝高度，22.法线，23.法线，24.入射激光束，
[0026] 25.前道焊缝余高弧度，26.焊丝底边弧度，27.焊丝顶角，28.焊丝底角，
[0027] 29.反射光与底面夹角，30.激光束宽度，31.焊丝底边宽度，32.间隙宽度，
[0028] 33.入射激光最低点，34.焊丝高度，35.法线，36.法线，
[0029] 37.入射激光束，38.前道焊缝余高弧度，39.焊丝底边弧度，40.焊丝底边弧高，
[0030] 41.焊丝底角倒角，42.焊丝顶端倒角，43.焊丝底边弧度，44.焊丝底边弧高，
[0031] 45.焊丝底边弧度，46.焊丝顶端倒角，47.左侧边，48.右侧边，
[0032] 49.底边。
【具体实施方式】
[0033] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【附图说明】本发 明的【具体实施方式】。
[0034] -种用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝，该焊丝的断面为左右对称结构，所述用 于厚板多道填丝激光焊接的焊丝的断面包括位于左侧的左侧边47、位于右侧的右侧边48 和位于底部的底边49,左侧边47和右侧边48均为具有一定长度的直线，左侧边47和右侧 边48之间的夹角小于180°，该夹角朝上，底边49向该断面的内部凹或向该断面的外部凸， 如图1和图2所示。
[0035] 该用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝可以用于焊接厚度在3mm~100mm的金属 板，焊丝截面为类似等腰三角形状结构，其腰面（左侧边47和右侧边48)作为激光反射面。 底边49向内部凹改变焊丝与焊缝的接触方式，底边49的内凹部可以确保焊丝能居于焊缝 正顶端，以此实现稳定的填丝窄间隙激光焊接。因激光的反射作用，使母材侧壁与焊丝同时 被熔化，形成熔池，有利于熔池的均匀铺展以及焊接缺陷的控制。即该焊接在使用时，如图 3所示，激光可以有效利用焊丝表面的光学反射特性，当激光照射到表面（左侧边47和右 侧边48)时，一方面吸收，一方面反射，反射光可以直接反射到母材侧壁上，最远极其焊缝 最底端，熔化母材与焊缝；另一方面，底边49的形状可以增加焊丝与焊缝（母材）的接触面 积，从而有助于单层多道焊接中实现良好的导丝作用。进而提高激光的吸收率和焊接的稳 定性，为突破激光对大厚板窄间隙焊接的研究和工程应用，提供一项可行的工艺焊接方法。 使得用窄间隙激光焊接维修一些大、长、厚的大型载体工具成为可能，从而创造更大的经济 效益。
[0036] 在本实施例中，左侧边47或右侧边48与所述底边49两端之间连线的夹角为焊丝 底角2,该焊丝底角2为45°~75°。焊丝底边弧高40为焊缝堆叠余高的25%~35%，其 目的是相当给填充材料做了一个导向设置，防止焊接过程中，焊材左右偏摆，便于焊丝稳定 投送。
[0037] 在本实施例中，该焊丝底角2还需要满足以下条件：当激光束沿该焊丝的断面的 对称中心线照射到左侧边47和右侧边48时，该激光束中激光的反射光线与所述底边49两 端之间连线的夹角为α，单位为° ;
[0038] α满足关系式：
[0039] tan α < 0. 5 X tan β ；
[0040] 2β = 90+α ；
[0041] 在该关系式中，β为左侧边47或右侧边48与所述底边49两端之间连线的夹角， 即β为焊丝底角2,单位为°，α也等于反射光与底面夹角3。
[0042] 在本实施例中，底边49可以为一条向所述用于厚板多道填丝激光焊接的焊丝的 断面的内部凹的弧线，如图1所示，或底边49也可以为一条向所述用于厚板多道填丝激光 焊接的焊丝的断面的外部凸的弧线，如图2所示。图1所示的焊丝主要用于焊缝或焊接部 位为平面或上凸结构，如图3和图4所示，图2所示的焊丝主要用于焊缝或焊接部位为下凹 结构，如图5所示。这样设计底边49的好处是在焊接的过程中使焊丝的断面的对称中心线 始终与焊缝的对称中心线重合。或者，底边49也可以设计为多个弧形过度连接或凹槽或凸 棱类结构。
[0043] 在本实施例中，左侧边47和右侧边48之间设有倒角，左侧边47和底边49之间 也设有倒角，右侧边48和底边49之间也设有倒角，如图1和图2所示。该焊丝高度9为 0. 8mm~5. 0mm，焊丝底边宽度6为0·