专利名称：采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法
技术领域：
一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法，属于激光材料加工 技术领域。
背景技术：
随着交通、能源、核电、航空、航天等工业装备的日趋大型化，高参数 化，厚(超厚)板焊接结构的应用越来越广泛，并对悍接变形、接头质量等 提出了越来越高的要求。
目前应用于厚板焊接的非熔化极惰性气体焊(GTAW)、熔化极惰性/活性 气体保护焊(GMAW)、埋弧焊接(SAW)等工艺，在进行大厚板焊接时需要开 较大的坡口，焊接道次多，焊接热影响区宽，焊接残余应力大，焊接变形大， 焊接效率低等，限制了大厚尺度焊接结构的应用。同时由于电弧的热穿透深 度较浅，对于中厚板不能实现单面焊双面一次成形，由于较大的热输入量， 焊后变形也不能满足使用要求。
作为一种先进的高效焊接方法，激光焊接是一种理想的解决办法。但受 激光功率及光束质量的限制， 一般激光焊接的深度有限，对于厚度超过10mm 的厚板需采用万瓦级的激光器。由于万瓦级激光器的造价非常昂贵，同时光 束质量较差，超高功率激光束焊接时，等离子体的控制更加困难，焊接过程 稳定性恶化，其工业应用受到限制。
激光一电弧复合焊接技术的出现，特别是激光一熔化极电弧(MI G/ MAG)的复合为大厚板的焊接提供了一种有效手段。复合焊接充分利用了 激光和电弧的特性，它与单纯的激光焊接相比，提高了间隙搭桥能力，降低 了坡口准备的精度要求，并且在合适的规范下可以改变熔滴的过渡方式，减 少了单一MIG/MAG焊接时的飞溅量。同时仍然保持了激光焊的高能密度输入、 大深熔、高效、低变形等特点，特别适用于大厚板的焊接。但是其不足之处 在于焊接时的熔滴过渡影响电弧稳定性，其焊接过程稳定性难以保证，甚至 存在大量气孔，接头质量不高。同时传统的激光-MIG/MAG复合焊接通常采用激光束与工件表面垂直，电弧相对激光束以45 60。旁轴布置。这种情况下， 电弧对激光束产生不利影响，导致其焊接深度有限，单道厚度不超过8mm。 对于厚度超过8mm的焊接结构，激光一M I G / MAG复合焊接需采用多层 焊，焊接工艺将变得非常复杂，接头质量也难以满足使用要求。
发明内容
针对上述问题的不足之处，本发明的目的在于采用高功率激光器，开发 大厚板的单道焊接成型的复合焊接方法。本发明采用激光与非熔化极电弧复 合，并填加焊丝，采用激光束与焊丝布置在电弧的两侧并且三者在一个平面 内的布置方式，实现了大厚板的单道焊接成型，提高了焊接效率，同时由于 非熔化极电弧稳定性好，不涉及焊丝的熔滴过渡导致电弧稳定性变差的问题， 大大改善了焊接过程的稳定性，接头质量得到保证。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案焊接前，工件预开坡 口 2。焊接时，激光束4与焊丝9布置在电弧8的两侧并且三者在一个平面内， 电弧8与工件1表面法线的夹角不超过20。。激光束4与工件1表面夹角为 30 75° ，激光束4从电弧8前方倾斜入射。焊丝9从电弧8后方送入所述 坡口 2的间隙中，由激光束4和电弧8组成的复合热源熔化焊丝后填充间隙，
实现工件单道悍接成型。
所述工件预开坡口 2为带钝边的U型坡口，其间隙宽度为1.5 2d，其中 d为焊丝9的直径。
所述的电弧8为TIG电弧或等离子弧。
所述激光束4为C02激光、YAG激光或光纤激光。
本发明的基本原理是待焊工件预开带钝边的U型坡口，其间隙宽度为 1.5 2d (d为焊丝直径)。焊接时，激光束与焊丝相对于电弧相向布置，激光 束倾斜从电弧前方入射，焊丝从电弧后方送入坡口间隙中。由于采用了焊丝 和激光相对电弧相向布置方式，复合热源熔化焊丝，避免了焊丝的引入导致 的激光焊接熔深的下降问题，这样可最大限度的利用激光深熔焊接时的大熔 深，有效穿透钝边。同时又充分利用激光-电弧的相互作用，激光焊接的小孔 吸引电弧深入坡口根部，促使电弧充满整个坡口中，避免了电弧焊接时，电弧仅在坡口顶部铺展及电弧在窄间隙坡口两侧的跳动问题，电弧稳定性明显 改善。由于前置的激光束首先在钝边上形成熔池，坡口根部的温度较高，电 弧熔化焊丝后的熔融金属流动性明显改善，可以充满整个坡口间隙，即使在
较小间隙条件下(1.5 2倍焊丝直径)也不存在熔滴短路现象，避免形成未
熔合。此外电弧较大的加热面积，也改善了工件的间隙适应性。由于本发明 的复合热源采用的是非熔化极电弧，不涉及熔化极电弧焊接时的熔滴过渡对 电弧稳定性具有不利影响的问题，电弧稳定性明显改善，焊接过程的稳定性 大大提高。同时在激光-电弧相互作用下，焊接速度较点弧焊有所提高，抑制 了单纯激光焊接时容易在小孔底部出现气孔的问题，同时焊接接头又保留了 激光焊接接头的特征，可以获得大深宽比，没有气孔缺陷的焊接接头。
通过填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接，采用高功率激光器可实现大 厚板的单道焊接成型，焊接工艺简单，焊接成本低，焊接效率高，同时由于 电弧的加入，增加了搭桥能力，减少了装配要求。同时由于激光和电弧的相 互作用，焊接过程稳定型明显改善，减少了气孔的出现。釆用填充焊丝的窄 间隙激光-电弧复合焊接在大厚板焊接领域具有广泛的应用前景。
图1 :采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法示意图
图2:采用本发明方法焊接l Omm厚不锈钢板的焊缝表面成型图 图3 (1):采用本发明方法焊接l Omm厚不锈钢板的焊缝横截面图 图3 (2):相同条件下，单激光焊接的焊缝横截面图
图3 (3):相同条件下，单电弧焊接的焊缝横截面图
图中1、工件，2、坡口， 3、聚焦镜，4、激光束，5、光致等离 子体，6 、钨极，7 、焊炬喷咀，8 、电弧，9 、焊丝，1 0 、送丝咀，1 1 、熔池，1 2 、焊缝。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明
本实施例的技术方案参见附图l，焊接前，工件预开坡口2。悍接时，激
光束4与焯丝9相对于TIG电弧8对称纵向布置，电弧8垂直于工件1表面。激光束4与工件1表面夹角为45° ，并从电弧8前方倾斜入射。焊丝9从电 弧8后方送入坡口间隙2中，由激光束4和电弧8组成的复合热源熔化焊丝 后填充坡口2，实现工件l单道焊接成型。
本实施例中，工件为l Omm厚的不锈钢板，坡口2的形状为带钝边的 U型坡口，坡口间隙宽度为1. 8d (d为焊丝直径)。采用的激光器为DC035 Slab C02激光器，TIG电源直流正接。焊接工艺参数为激光功率3500W，电弧电流 200A，焊接速度0. 8m/min，焊丝直径为l腿，送丝速度4. 5m/min，保护气为 25L/min的He气。图2 、图3 (1)为本发明的焊接效果。焊接接头成型良好， 焊缝上部宽度为5. 2mm，深宽比约为2，解剖焊缝未见气孔、裂纹等缺陷。图 3 (2)为同样条件下单激光焊接时的焊缝横截面图(激光功率3500W，焊接速 度0.8m/min)，图3 (3)为单电弧焊接时的焊缝横截面图(电弧电流200A， 焊接速度0.8m/min，送丝速度4. 5m/min)，对比图3,可以看出采用填充焊丝 的窄间隙激光-TIG电弧复合焊接方法可实现1+1〉 2的效果。
权利要求
1、一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法，其特征在于焊接前，工件预开坡口(2)；焊接时，激光束(4)与焊丝(9)布置在电弧(8)的两侧并且三者在一个平面内，电弧(8)与工件(1)表面法线夹角不超过20°；激光束(4)与工件(1)表面夹角为30～75°，从电弧(8)前方倾斜入射；焊丝(9)从电弧(8)后方送入所述坡口(2)的间隙中，由激光束(4)和电弧(8)组成的复合热源熔化焊丝后填充间隙，实现工件单道焊接成型。
2、 根据权利要求1所述的一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方 法，其特征在于所述工件预开坡口 (2)为带钝边的U型坡口，其间隙宽度 为1.5 2d，其中d为焊丝(9)的直径。
3、 根据权利要求1所述的一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方 法，其特征在于所述的电弧为TIG电弧或等离子弧。
4、 根据权利要求1所述的一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方 法，其特征在于所述激光束(4)为C02激光、YAG激光或光纤激光。
全文摘要
本发明涉及一种采用填充焊丝的窄间隙激光-电弧复合焊接方法，属于激光材料加工技术领域。本发明采用高功率激光器和电弧复合，其布置方式为激光束与焊丝相对于电弧相向布置，其中激光束从电弧前方倾斜入射，焊丝从电弧后方送入坡口间隙中，复合热源熔化焊丝后填充间隙，实现工件单道焊接成型。本发明充分利用了激光的深熔特性和电弧的高填充效率特点，同时在激光-电弧的相互作用下，焊接过程稳定性改善，焊接效率提高。
文档编号B23K28/00GK101474726SQ20091007701
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者吴世凯, 杨武雄, 肖荣诗, 铠 陈 申请人:北京工业大学