专利名称：一种激光引导gmaw电弧复合横向焊接方法
技术领域：
本发明涉及横向焊接方法。
背景技术：
众所周知，与传统的水平焊接相比，横向焊接过程存在着很大的不同，横向焊接时，熔融的金属受到自身重力的作用，当熔融金属的表面张力不足以抵抗其自身重力作用时，熔融金属将会下淌，从而形成咬边、焊瘤及焊缝中心线偏离等缺陷。尤其是对于铝合金，由于其表面张力小，流动性好等特点，在其横向焊接过程中熔融金属下淌现象将会更加严重。目前国内外针对横向焊接方法的研究主要是集中在传统的电弧焊以及埋弧焊方面，所采用的控制方法主要是脉冲电流控制、磁场辅助控制以及旋转电弧控制等。这些方法 都是通过改变熔池的流动行为来控制熔融金属的下淌，但是这些方法都要求热输入量控制在较小的范围内，这大大降低了焊接效率。20世纪70年代末，激光-电弧复合热源焊接技术首次被提出，它是将激光与电弧两种热源结合在一起作用在同一平面同一区域，从而克服单独作用的不足，相比单激光焊接或者是单电弧焊接，可以提高焊缝熔深和焊接适应性，减少焊接变形，提高焊接效率。众所周知，传统的激光-电弧复合焊接采用的方式多是激光与焊丝同时作用在焊缝中心线上，并且激光束中心线与焊丝中心线在同一平面，激光焊接形成的匙孔可以吸引和压缩焊接电弧，改变熔池的形态和流动方式，提高电弧焊接能量密度和焊接效率。目前传统的激光-电弧复合焊接方法应用于水平面内进行水平焊接时具备了上述的优点，但应用于竖直平面内进行横向焊接时仍然解决不了熔融金属下淌而导致的咬边及焊缝中心线偏离的问题。
发明内容
本发明要解决现有的焊接方法用于竖直平面内进行横向焊接时存在熔融金属下淌而导致的咬边及焊缝中心线偏离的问题，而提出一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法。本发明中的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法按以下步骤进行—、对待焊工件进行除油和除氧化膜处理先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍 3遍以去除油污，再用质量百分比浓度为69TlO%的氢氧化钠溶液对铝合金板进行浸泡6mirTl2min后，用清水冲洗干净，再用质量百分比浓度为25% 35%的硝酸溶液对待焊工件进行浸泡2mirT4min后，用清水冲洗干净并吹干，然后将待焊工件的待焊面以横向放置的方式固定在行走机构上；二、填充焊丝焊丝直径为I. OmnTl. 6mm,焊丝干伸长控制在10mnT30mm,焊丝与法线的夹角α为30° 75° ；三、启动激光器及GMAW电弧焊机进行焊接使用纯Ar气或体积比为95%Ar+5%C02混合气体为保护气体，焊接时气体流量为15L/mirT50L/min，激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，在激光束的光斑直径为O. lmnTO. 4mm、激光功率范围为2. 0kff^6. Okff, GMAff电弧焊的焊接电流为30A 250A、焊接速度为O. 5m/mirT2. 5m/min的条件下进行复合横向焊接，得到焊接件；其中激光器为CO2气体激光器、光纤激光器、YAG固体激光器或半导体激光器，；其中当GMAW电弧焊的焊接电流为30A 149A时，激光束中心线与焊丝中心线位于待焊工件的两个法平面上，激光束作用位置位于焊缝中心线以上，垂直照射在待焊工件上，焊丝尖端作用位置位于焊缝中心线上，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为2mnT5mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为2mnT5mm ；当GMAW电弧焊的焊接电流为150A 250A时，激光束中心线位于待焊工件法平面上，且在焊缝中心线上方，垂直照射在待焊工件上，焊丝尖端与待焊工件法平面呈夹角β，其大小在20° ^45°之间，GMAW电弧倾斜作用在焊接区域，焊丝尖端作用点位于焊缝中心线，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为2mnT5mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为2mnT5mm。 本发明的工作原理为激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，就是在横向焊接过程中，将激光与电弧交叉作用或倾斜作用在焊接区域，即激光与电弧作用在不同平面不同区域，利用激光对GMAW电弧的吸引作用，激光等离子体对熔滴的吸引作用，以及电弧自身的电弧力，改变熔池的受力情况，从而改善熔池的流动状态，减小熔融金属自身重力的负面影响，抑制熔池的下淌。与传统的横向焊接方法相比，本发明包括以下有益效果I、增大了工艺参数范围，通过调节激光功率，可抑制在较大的电流焊接参数下熔融金属的下淌，从而消除焊缝的咬边缺陷，而且焊缝中心线刚好对中；2、提高了焊接效率，高功率密度的激光作用在焊接区域内，可增大焊缝熔深，减小焊接热输入量，同时提高焊接速度；3、采用复合焊接方法，可以改善焊缝的组织形貌，提高焊缝的力学性能。
图I为激光引导GMAW电弧复合横向焊接示意图，其中GMAW电弧焊的焊接电流为30A 149A，I为待焊工件，2为焊缝，3为激光束，4为GMAW焊枪，5为焊丝，6为GMAW电弧焊枪所在的法平面，为了视图更清楚激光束中心线所在法平面省略，h为激光作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离，d为激光斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离，k为焊丝干伸长，箭头所指方向为焊接方向；图2为激光引导GMAW电弧复合横向焊接示意图，其中GMAW电弧焊的焊接电流为150A 250A，I为待焊工件，2为焊缝，3为激光束，4为GMAW焊枪，5为焊丝，6为焊缝中心线所在的垂直于工件表面的法平面，7为GMAW电弧焊枪中心线所在的工作面，h为激光作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离，d为激光斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离，焊丝尖端与待焊工件法平面呈夹角β，k为焊丝干伸长，箭头所指方向为焊接方向；图3为实验一中激光引导GMAW电弧复合横向焊接的焊缝表面；图4为实验一中激光引导GMAW电弧复合横向焊接的焊缝截面；图5为实验二中激光引导GMAW电弧复合横向焊接的焊缝表面；图6为实验二中激光引导GMAW电弧复合横向焊接的焊缝截面；图7为实验三中传统激光-GMAW电弧复合横向焊接的焊缝表面；图8为实验三中传统激光-GMAW电弧复合横向焊接的焊缝截面。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式中的一种激光引 导GMAW电弧复合横向焊接方法以下步骤进行一、对待焊工件进行除油和除氧化膜处理先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍 3遍以去除油污，再用质量百分比浓度为69TlO%的氢氧化钠溶液对铝合金板进行浸泡6mirTl2min后，用清水冲洗干净，再用质量百分比浓度为25% 35%的硝酸溶液对待焊工件进行浸泡2mirT4min后，用清水冲洗干净并吹干，然后将待焊工件的待焊面以横向放置的方式固定在行走机构上；二、填充焊丝焊丝直径为I. OmnTl. 6mm,焊丝干伸长控制在10mnT30mm,焊丝与法线的夹角α为30° 75° ；三、启动激光器及GMAW电弧焊机进行焊接使用纯Ar气或体积比为95%Ar+5%C02混合气体为保护气体，焊接时气体流量为15L/mirT50L/min，激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，在激光束的光斑直径为O. lmnTO. 4mm、激光功率范围为2. 0kff^6. Okff, GMAff电弧焊的焊接电流为30A 250A、焊接速度为O. 5m/mirT2. 5m/min的条件下进行复合横向焊接，得到焊接件；其中激光器为CO2气体激光器、光纤激光器、YAG固体激光器或半导体激光器，；其中当GMAW电弧焊的焊接电流为30A 149A时，激光束中心线与焊丝中心线位于待焊工件的两个法平面上，激光束作用位置位于焊缝中心线以上，垂直照射在待焊工件上，焊丝尖端作用位置位于焊缝中心线上，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为2mnT5mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为2mnT5mm ；当GMAW电弧焊的焊接电流为150A 250A时，激光束中心线位于待焊工件法平面上，且在焊缝中心线上方，垂直照射在待焊工件上，焊丝尖端与待焊工件法平面呈夹角β，其大小在20° ^45°之间，GMAW电弧倾斜作用在焊接区域，焊丝尖端作用点位于焊缝中心线，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为2mnT5mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为2mnT5mm。与传统的横向焊接方法相比，本发明包括以下有益效果I、增大了工艺参数范围，通过调节激光功率，可抑制在较大的电流焊接参数下熔融金属的下淌，从而消除焊缝的咬边缺陷；2、提高了焊接效率，高功率密度的激光作用在焊接区域内，可增大焊缝熔深，减小焊接热输入量，同时提高焊接速度；3、采用复合焊接方法，可以改善焊缝的组织形貌，提高焊缝的力学性能。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍以去除油污，再用质量百分比浓度为8%的氢氧化钠溶液对铝合金板进行浸泡9min后，用清水冲洗干净，再用质量百分比浓度为30%的硝酸溶液对待焊工件进行浸泡3min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中焊丝直径为I. 2mnTl. 4mm,焊丝干伸长控制在12mnT25mm,焊丝与法线的夹角α为40。 65。。其它
步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中焊丝直径为I. 3mm，焊丝干伸长控制在15mm，焊丝与法线的夹角α为60°。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是步骤三中激光束的光斑直径为O. 2mnT0. 3_，激光功率范围为3. 0kff^5. Okff0其它步骤及参数与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是步骤三中激光束的光斑直径为O. 2mm，激光功率范围为4. Okff0其它步骤及参数与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤三中GMAff电弧焊的焊接电流为40A 200A，焊接速度为lm/mirT2m/min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤三中GMAff电弧焊的焊接电流为120A，焊接速度为lm/min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤三中当GMAff电弧焊的焊接电流为40A140A时，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为3mnT4mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为3mnT4mm。其它步骤及参数与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤三中当GMAW电弧焊的焊接电流为120A时，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为3mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为3mm。其它步骤及参数与具体实施方式
一至八之一相同。为了验证本发明的有益效果，进行了以下实验实验一一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法按以下步骤进行一、对待焊工件进行除油和除氧化膜处理先用丙酮在厚度为8mm的2219铝合金板表面擦拭2遍以去除油污，再用质量百分比浓度为8%的氢氧化钠溶液对铝合金板进行浸泡9min后，用清水冲洗干净，再用质量百分比浓度为30%的硝酸溶液对待焊工件进行浸泡3min后，用清水冲洗干净并吹干，然后将铝合金板的待焊面以横向放置的方式固定在行走机构上；二、填充焊丝焊丝直径为I. 0mm，焊丝干伸长k为15mm，焊丝与法线的夹角α为60。；三、启动激光器及GMAW电弧焊机进行焊接C02气体激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，光斑直径为O. 2mm，激光功率范围为3. 5kff,GMAff电弧焊的焊接电流为120A，焊接速度为lm/min，焊接时激光器在前，GMAff电弧焊在后，复合横向焊接时，使用纯Ar气体为保护气体，焊接时流量为25L/min，激光束中心线与焊丝中心线位于铝合金板材的两个法平面上，激光作用位置位于焊缝中心线以上，垂直照射在铝合金板材上，焊丝尖端作用位置位于焊缝中心线上，激光作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为3mm，激光斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为3mm，见图I ;实验二 一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法按以下步骤进行一、对待焊工件进行除油和除氧化膜处理先用丙酮在厚度为8mm的2219铝合金板表面擦拭2遍以去除油污，再用质量百分比浓度为8%的氢氧化钠溶液对铝合金板进行浸泡9min后，用清水冲洗干净，再用质量百分比浓度为30%的硝酸溶液对待焊工件进行浸泡3min后，用清水冲洗干净并吹干，然后将铝合金板的待焊面以横向放置的方式固定在行走机构上；二、填充焊丝焊丝直径为I. Omm，焊丝干伸长k为15mm，焊丝与法线的夹角α为60。；三、启动激光器及GMAW电弧焊机进行焊接光纤激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，光斑直径为O. 2mm，激光功率范围为3. 5kff, GMAff电弧焊的焊接电流为160A，焊接 速度为lm/min，焊接时激光器在前，GMAW电弧焊在后，复合横向焊接时，使用纯Ar气体为保护气体，焊接时流量为25L/min，激光束中心线位于待焊工件法平面上，且在焊缝中心线上方，垂直照射在铝合金板材上，焊丝尖端与待焊工件法平面呈夹角β，其大小为30°，激光束中心线与焊丝中心线位于铝合金板材的两个法平面上，激光作用位置位于焊缝中心线以上，垂直照射在母材上，焊丝尖端作用位置位于焊缝中心线上，激光作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为3mm，激光斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为3mm,见图2 ;实验三传统激光-GMAW电弧复合横向焊接方法按以下步骤进行—、对待焊工件进行除油和除氧化膜处理先用丙酮在厚度为8mm的2219铝合金板表面擦拭2遍以去除油污，再用质量百分比浓度为8%的氢氧化钠溶液对铝合金板进行浸泡9min后，用清水冲洗干净，再用质量百分比浓度为30%的硝酸溶液对待焊工件进行浸泡3min后，用清水冲洗干净并吹干，然后将铝合金板的待焊面以横向放置的方式固定在行走机构上；二、填充焊丝焊丝直径为I. 0mm，焊丝干伸长k为15mm，焊丝与法线的夹角α为60。；三、启动激光器及GMAW电弧焊机进行焊接C02气体激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，光斑直径为O. 2mm，激光功率范围为3. 5kff,GMAff电弧焊的焊接电流为120A，焊接速度为lm/min，焊接时激光器在前，GMAW电弧焊在后，复合横向焊接时，使用纯Ar气体为保护气体，焊接时流量为25L/min，激光束中心线与焊丝中心线位于铝合金板材的同一法平面上，激光作用位置位于焊缝中心线上，垂直照射在铝合金板材上，焊丝尖端作用位置位于焊缝中心线上，激光作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为0mm，激光斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为3mm ;图3为实验一中激光引导GMAW电弧复合横向焊接的焊缝表面；图4为实验一中激光引导GMAW电弧复合横向焊接的焊缝截面；图5为实验二中激光引导GMAW电弧复合横向焊接的焊缝表面；图6为实验二中激光引导GMAW电弧复合横向焊接的焊缝截面，由图3至图6可以看出，采用激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，可在较大的焊接电流条件下控制熔融金属的下淌，从而消除焊缝的咬边缺陷，而且焊缝中心线刚好对中。图7为实验三中传统激光-GMAW电弧复合横向焊接的焊缝表面；图8为实验三中传统激光-GMAW电弧复合横向焊接的焊缝截面，由图7和图8可以看出，焊缝出现严重的下塌缺陷，严重影响了焊缝的使用性能。
权利要求
1.一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的 一、对待焊工件进行除油和除氧化膜处理先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍 3遍以去除油污，再用质量百分比浓度为69TlO%的氢氧化钠溶液对铝合金板进行浸泡6mirTl2min后，用清水冲洗干净，再用质量百分比浓度为25% 35%的硝酸溶液对待焊工件进行浸泡2mirT4min后，用清水冲洗干净并吹干，然后将待焊工件的待焊面以横向放置的方式固定在行走机构上； 二、填充焊丝焊丝直径为I.OmnTl. 6mm,焊丝干伸长控制在10mnT30mm,焊丝与法线的夹角α为30° 75° ； 三、启动激光器及GMAW电弧焊机进行焊接使用纯Ar气或体积比为95%Ar+5%C02混合气体为保护气体，焊接时气体流量为15L/mirT50L/min，激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，在激光束的光斑直径为O. lmnTO. 4mm、激光功率范围为2. 0kff^6. Okff, GMAff电弧焊的焊接电流为30A 250A、焊接速度为O. 5m/mirT2. 5m/min的条件下进行复合横向焊接，得到焊接件；其中激光器为CO2气体激光器、光纤激光器、YAG固体激光器或半导体激光器；其中当GMAW电弧焊的焊接电流为30A 149A时，激光束中心线与焊丝中心线位于待焊工件的两个法平面上，激光束作用位置位于焊缝中心线以上，垂直照射在待焊工件上，焊丝尖端作用位置位于焊缝中心线上，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为2mnT5mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为2mnT5mm ；当GMAW电弧焊的焊接电流为150A 250A时，激光束中心线位于待焊工件法平面上，且在焊缝中心线上方，垂直照射在待焊工件上，焊丝尖端与待焊工件法平面呈夹角β，其大小在20° ^45°之间，GMAW电弧倾斜作用在焊接区域，焊丝尖端作用点位于焊缝中心线，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为2mnT5mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为2mnT5mm。
2.如权利要求I所述的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于步骤一中先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍以去除油污，再用质量百分比浓度为8%的氢氧化钠溶液对铝合金板进行浸泡9min后，用清水冲洗干净，再用质量百分比浓度为30%的硝酸溶液对待焊工件进行浸泡3min。
3.如权利要求I所述的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于步骤二中焊丝直径为I. 2mnTl. 4mm,焊丝干伸长控制在12mnT25mm,焊丝与法线的夹角α为40。 65。。
4.如权利要求I所述的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于步骤二中焊丝直径为I. 3mm，焊丝干伸长控制在15mm，焊丝与法线的夹角α为60°。
5.如权利要求I至4中任一项所述的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于步骤三中激光束的光斑直径为O. 2mnT0. 3mm，激光功率范围为3. 0kff^5. OkW。
6.如权利要求I至4中任一项所述的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于步骤三中激光束的光斑直径为O. 2mm，激光功率范围为4. OkW。
7.如权利要求5所述的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于步骤三中GMAW电弧焊的焊接电流为40A 200A，焊接速度为lm/mirT2m/min。
8.如权利要求5所述的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于步骤三中GMAW电弧焊的焊接电流为120A，焊接速度为lm/min。
9.如权利要求7所述的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于步骤三中当GMAW电弧焊的焊接电流为40A140A时，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为3mnT4mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为3mnT4mm0
10.如权利要求7所述的一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，其特征在于步骤三中当GMAW电弧焊的焊接电流为120A时，激光束作用位置与焊丝尖端作用位置之间垂直距离h为3mm，激光束的斑点作用位置与焊丝尖端作用位置之间水平距离d为3mm。
全文摘要
一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，它涉及横向焊接方法，本发明要解决现有的焊接方法用于竖直平面内进行横向焊接时存在熔融金属下淌而导致的咬边及焊缝中心线偏离的问题。本发明中一种激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法按以下步骤进行一、对待焊工件进行除油和除氧化膜处理；二、填充焊丝；三、启动激光器及GMAW电弧焊机。采用激光引导GMAW电弧复合横向焊接方法，可在较大的焊接电流条件下控制熔融金属的下淌，从而消除焊缝的咬边缺陷，而且焊缝中心线刚好对中。本发明适用于金属横向焊接工程领域。
文档编号B23K28/02GK102922153SQ20121049063
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者雷正龙, 李颖, 陈彦宾, 吕涛 申请人:哈尔滨工业大学