一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法及其焊接夹具与流程

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法，本发明还涉及一种该方法的焊接夹具。

背景技术：

随着工业的发展，厚板在焊接结构中的应用日益广泛。目前，对于厚板焊接常常使用传统的焊接方法(手工电弧焊接、埋弧自动焊接、熔丝气保焊接等)。虽然传统焊接方法的成本相对比较低，但是易产生未熔合、咬边以及焊瘤等缺陷，并且焊接效率低，随着世界经济技术的发展，传统焊接方法已渐渐满足不了使用需求，所以新型焊接技术逐步出现。

激光-电弧复合焊接方法具有高效率、高质量及高适应性，对于厚板的焊接具有较大优势。随着世界经济的发展，各国的旅游业持续发展，船舶、核电、车辆、桥梁等大型钢结构的需求量不断加大。传统的焊接方法虽能满足焊接的要求，但是受其焊接效率低及焊接质量不高的约束，逐渐已不能满足实际生产的需求。

另外，现有的焊接夹具结构不够合理，面对不同型号的材料无法调整夹具，另外，每次焊接之后，焊接残留物质对夹具的损伤较大，夹具更换频繁。

技术实现要素：

发明目的：

本发明所述的一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法及其焊接夹具，其目的是解决传统焊接方法的不足。

技术方案：

一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法，其特征在于：该方法按照以下工艺步骤进行：

a)坡口加工：在焊接处采用焊接坡口形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝20-30°；

b)焊接材料：选择直径为1.0mm-1.3mm的焊丝作为焊接填充材料；

c)焊接保护气体：激光-mag复合焊接过程中，采用保护气体的体积分数为(80-90)％ar+(10-20)％co2混合气体，焊件背面保护为纯氩气；

d)焊接工艺：采用激光-mag复合焊工艺时，激光功率为9-10kw、离焦量为(-2)-0mm、光丝间距为1-3mm、焊接电流为350a-400a、焊枪与水平面倾斜角度(α)为25-45°、焊接速度为1.2-1.5m/min。

该方法应用于一种厚板船用高强钢为eh36钢板，板厚(h)为18mm；接头形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝20°-30°，钝边高度h＝9-11mm；采用φ＝1.2mm的ghs50ns焊丝；焊接方法为的激光-mag复合焊接，焊接工艺为单道一次成形。

激光-mag复合焊单道成形焊接工艺参数为激光功率10kw、焊接电流400a、焊接速度1.5m/min、气体流量15-25l/min，背面保护为纯氩气，氩气气体流量10-20l/min。

该夹具包括：底板(1)和压板(2)；

底板(1)的中部开有底板槽(1-1)，压板(2)设置在底板槽(1-1)的的两侧；底板槽(1-1)的一端设置有接气口(6)。

底板(1)上设置有定位销孔(3)。

压板(2)上设置有供螺栓穿过的螺栓孔(4)；

底板(1)上与螺栓孔(4)对应的位置设置有供螺栓旋入并与螺栓螺纹配合的定位孔。

该夹具还包括一块刚好放入底板槽(1-1)内的铜垫片(5)。

铜垫片(5)上设置有气体通孔(5-1)。

底板槽(1-1)内的侧壁顶部设置有凸台(9)，铜垫片(5)搭在该凸台上，铜垫片(5)的上表面与底板(1)的上表面持平。

铜垫片(5)的一端底部设置有斜坡面(5-2)，在底板槽(1-1)侧壁设置有使用时与该斜坡面(5-2)对应的销孔(1-2)；

销孔(1-2)内设置有能沿着销孔(1-2)移动的顶头(10)，顶头(10)的后端连接驱动杆(11)，驱动杆(11)的后端穿过销孔(1-2)的堵头(15)后伸出销孔(1-2)外，驱动杆(11)的后端设置有手柄(13)，使用时，通过推动手柄(13)，使得顶头(10)伸至斜坡面(5-2)下将铜垫片(5)顶起。

优点效果：

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

a)坡口加工：厚板高强钢接头形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝20-30°，钝边高度h＝9-11mm，通过减小坡口角度和增大钝边高度可以减小热输入，进而提高生产效率；

b)焊接材料：按照等强匹配的原则选择焊接填充材料，保证焊接接头的力学性能；

c)保护气体：激光-mag复合焊接中采用(80-90)％ar+(10-20)％co2混合保护气体,背面保护为纯氩气(99.999％)；

d)焊接工艺：采用激光-mag复合焊工艺，激光功率9-10kw、离焦量为(-2)-0mm、光丝间距1-3mm、焊接电流350a-400a、焊枪与水平面倾斜角度25-45°、焊接速度1.2-1.5m/min；

步骤d所述采用激光-mag复合焊工艺，通过优化参数：激光功率9-10kw、离焦量为(-2)-0mm、光丝间距1-3mm、焊接电流350a-400a、焊枪与水平面倾斜角度25-45°、焊接速度1.2-1.5m/min，防止产生未熔合、咬边以及焊瘤等缺陷，改善表面成型，提高焊接质量。

本发明所述的一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法及其焊接夹具，其中焊接夹具包括：(1)底板，(2)压板，(3)定位销，(4)螺栓，(5)铜垫片，(6)接气口，其特征在于：底板有一块，底板通过定位销将其固定在焊接平台上，压板有两块，通过螺栓和垫圈将其固定在被焊板材上表面，铜垫片有一块，将其放在底板的槽中。该夹具可以快速固定安装，并且可以对工件进行准确的定位，在焊接过程中，工件不会偏移，焊缝的背面的保护效果更好，可以使焊缝质量更高。

与其它焊接技术相比，本发明具有如下优点：

1、此种焊接方法与传统焊接方法相比，可以提高传统焊接方法的焊接效率，并且可以解决传统焊接方法产生的未熔合、咬边以及焊瘤等缺陷。

2、此种焊接方法与激光焊接相比，由于添加了电弧，降低了焊接区的冷却速度，使焊接接头的裂纹敏感性降低；由于激光和电弧两个热源的耦合，充分利用了两种热源的优势，即电弧焊接增加装备间隙的富裕度及激光焊接增加了熔透深度，实现了高效率和高质量的激光-mag复合焊接。

3、以18mm厚板高强钢为例:对于板厚>10mm的板材来说，传统的焊接方法一般是采用先打底后盖面的焊接方法(多层多道)；采用10kw输出功率的激光-mag复合焊接方法可以单道一次熔透，并达到单面焊双面成形的目的，不仅可以减小焊后残余应力、焊接变形和裂纹倾向，而且可以极大提高焊接效率，并且焊接接头的力学性能得到了提高。

4.采用本申请的夹具，可以调整螺栓的位置来适应不同的型号和尺寸的待焊接工件；

5、通过铜垫片对整个底座予以保护，需要更换时，至需要更换铜垫片即可，无需底座整体更换；

6、通过顶头的设置使得铜垫片的拆卸更加方便快捷。

附图说明

图1为厚板高强钢激光-mag复合焊接的坡口示意图

图2为厚板高强钢激光-mag复合焊接的热源顺序示意图，是图1的侧视图，图2中的a_a方向为图1的形式；

图3是厚板高强钢激光-mag复合焊接正面焊缝成形照片。

图4是厚板高强钢激光-mag复合焊接背面焊缝成形照片。

图5是厚板高强钢激光-mag复合焊接的焊接夹具示意图。

图6是铜垫片示意图。

图7为压板压紧被焊板材的状态图。

图8为铜垫片安装的局部剖面图。

图9为显示顶头的结构示意图。

图1中：h-母材厚度，θ-坡口角度，h-钝边高度，α-焊枪与水平面夹角。

图5中：1—底板，2—压板，3—定位销，4—螺栓，5—铜垫片，6—接气口。

具体实施方式

一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法，其特征在于：该方法按照以下工艺步骤进行：

a)坡口加工：船用高强钢板厚度为18mm，在焊接处采用焊接坡口形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝20-30°，钝边高度h＝9-11mm，通过减小坡口角度和增大钝边高度可以减小热输入，进而提高生产效率。

b)焊接材料：按照船用高强钢的特性选择直径为1.2mm的焊丝作为焊接填充材料(ghs50ns、st-80cm、thq-80)，保证焊接接头的力学性能。

c)焊接保护气体：激光-mag复合焊接过程中，采用保护气体的体积分数为(80-90)％ar+(10-20)％co2混合气体(两种气体都是现有常用的纯ar气和纯co2气体，现有成品直接采购即可，这个是本领域常用的保护气体，没有特殊之处)，焊件背面保护为纯氩气；

d)焊接工艺：采用激光-mag复合焊工艺时，激光功率为9-10kw、离焦量为(-2)-0mm、光丝间距为1-3mm、焊接电流为350a-400a、焊枪与水平面倾斜角度(α)为25-45°、焊接速度为1.2-1.5m/min。

该方法应用于一种厚板船用高强钢为eh36钢板，板厚(h)为18mm；接头形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝20°-30°，钝边高度h＝9-11mm；采用φ＝1.2mm的ghs50ns焊丝；焊接方法为的激光-mag复合焊接，焊接工艺为单道一次成形。

激光-mag复合焊单道成形焊接工艺参数为激光功率10kw、焊接电流400a、焊接速度1.5m/min、气体流量20l/min(焊接保护气体的体积分数为80％ar+20％co2混合气体)，背面保护为纯氩气，氩气气体流量15l/min。上述条件下，单道一次熔透18mm船用高强钢板(eh36)。

与单激光自熔焊接比较，由于添加了电弧，所以降低了焊接区的冷却速度，使焊接接头的裂纹敏感性降低；由于激光和电弧两个热源的耦合，充分利用了两种热源的优势，即电弧焊接增加装配间隙的富裕度及激光焊接增加了熔透深度，实现了高效率和高质量的激光-mag复合焊接。实现了单道一次单面焊接双面成形的焊接工艺。

该夹具包括：底板(1)和压板(2)；

底板(1)的中部开有底板槽(1-1)，压板(2)设置在底板槽(1-1)的长度方向(一般就是焊缝的长度方向)的两侧；底板槽(1-1)的一端设置有接气口(6)。

底板(1)上设置有定位销孔(3)。(使用时，通过定位销穿过定位销孔(3)，将底板(1)定位在焊接平台上)

压板(2)上设置有供螺栓穿过的螺栓孔(4)(有多个,通过将螺栓插入不同的螺栓孔实现，适应不同型号和尺寸的待焊接材料)；

底板(1)上与螺栓孔(4)对应的位置设置有供螺栓旋入并与螺栓螺纹配合的定位孔。(使用时螺栓7穿过螺栓孔(4)伸进定位孔内通过下压压板(2)将压力施加于被焊板材8上实现夹紧)

该夹具还包括一块刚好放入底板槽(1-1)内的铜垫片(5)。铜垫片(5)有一块，将其放在底板(1)的槽中，以防止底板损坏。(主要防止损坏的原理就是，焊接的残留物质直接落到铜垫片(5)上，然后直接更换铜垫片(5)即可，否则就得底板(1)整体更换)

铜垫片(5)上设置有气体通孔(5-1)。气体通孔(5-1)沿着铜垫片(5)的长度方向均匀设置。(就是气体通孔(6-1)之间的间距相同)

底板槽(1-1)内的侧壁顶部设置有凸台(9)，铜垫片(5)搭在该凸台上，铜垫片(5)的上表面与底板(1)的上表面持平(如图8所示)。

铜垫片(5)的一端底部设置有斜坡面(5-2)，在底板槽(1-1)侧壁设置有使用时与该斜坡面(5-2)对应的销孔(1-2)；

销孔(1-2)内设置有能沿着销孔(1-2)移动的顶头(10)(顶头(10)的前端为与斜坡面(5-2)斜度相适应的斜面)，顶头(10)的后端连接驱动杆(11)，驱动杆(11)的后端穿过销孔(1-2)的堵头(15)后伸出销孔(1-2)外，驱动杆(11)的后端设置有手柄(13)，使用时，通过推动手柄(13)，使得顶头(10)伸至斜坡面(5-2)下将铜垫片(5)顶起。其使用时，如图9所示，向左推动手柄(13)，使得顶头(10)伸入斜坡面(5-2)以下，随着逐步向左推动手柄(13)，使得铜垫片(5)逐渐被顶起，这样就方便拿下铜垫片(5)。此时复位弹簧被压缩，卸下铜垫片(5)后，松开手柄(13)，在复位弹簧的作用下，顶头(10)重新缩进销孔(1-2)内。

驱动杆(11)的后部还套有复位弹簧(12)，复位弹簧(12)前端顶触堵头(15)，后端顶触手柄(13)。底板(1)有一块，底板(1)通过定位销(3)将其固定在焊接平台上，压板(2)有两块，通过螺栓(4)将其压力施加于被焊板材上。

实施例1：

一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法，其特征在于：该方法按照以下工艺步骤进行：

a)坡口加工：在焊接处采用焊接坡口形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝20°；

b)焊接材料：选择直径为1.2mm的焊丝作为焊接填充材料；

c)焊接保护气体：激光-mag复合焊接过程中，采用保护气体的体积分数为80％ar+20％co2混合气体，焊件背面保护为纯氩气；(保护气体都是领域公知的直接购买的成品)

d)焊接工艺：采用激光-mag复合焊工艺时，激光功率为10kw、离焦量为0mm、光丝间距为1mm、焊接电流为400a、焊枪与水平面倾斜角度(α)为45°、焊接速度为1.5m/min。气体流量20l/min，背面保护为纯氩气，氩气气体流量15l/min。

该方法应用于一种厚板船用高强钢为eh36钢板板厚(h)为18mm；y型坡口钝边高度h＝9mm；采用φ＝1.2mm的ghs50ns焊丝；焊接方法为的激光-mag复合焊接，焊接工艺为单道一次成形。

激光-mag复合焊接焊缝成形良好，没有裂纹等焊接缺陷；焊接接头拉伸试验的断裂位置在母材区域，接头弯曲180°，表面没有裂纹出现，满足使用性能要求。

实施例2：

一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法，该方法按照以下工艺步骤进行：

a)坡口加工：在焊接处采用焊接坡口形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝30°；

b)焊接材料：选择直径为1.2mm的焊丝作为焊接填充材料；

c)焊接保护气体：激光-mag复合焊接过程中，采用保护气体的体积分数为90％ar+10％co2混合气体，焊件背面保护为纯氩气；(保护气体都是领域公知的直接购买的成品)

d)焊接工艺：采用激光-mag复合焊工艺时，激光功率为9kw、离焦量为-2mm、光丝间距为3mm、焊接电流为400a、焊枪与水平面倾斜角度(α)为25°、焊接速度为1.2m/min。气体流量20l/min，背面保护为纯氩气，氩气气体流量15l/min。

该方法应用于一种厚板船用高强钢为eh36钢板板厚(h)为18mm；y型坡口钝边高度h＝11mm；采用φ＝1.2mm的ghs50ns焊丝；焊接方法为的激光-mag复合焊接，焊接工艺为单道一次成形。

激光-mag复合焊接焊缝成形良好，没有裂纹等焊接缺陷；焊接接头拉伸试验的断裂位置在母材区域，接头弯曲180°，表面没有裂纹出现，满足使用性能要求。

实施例3：

一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法，该方法按照以下工艺步骤进行：

a)坡口加工：在焊接处采用焊接坡口形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝25°；

b)焊接材料：选择直径为1.2mm的焊丝作为焊接填充材料；

c)焊接保护气体：激光-mag复合焊接过程中，采用保护气体的体积分数为85％ar+15％co2混合气体，焊件背面保护为纯氩气；(保护气体都是领域公知的直接购买的成品)

d)焊接工艺：采用激光-mag复合焊工艺时，激光功率为9kw、离焦量为-1mm、光丝间距为2mm、焊接电流为350a、焊枪与水平面倾斜角度(α)为30°、焊接速度为1.3m/min。气体流量20l/min，背面保护为纯氩气，氩气气体流量15l/min。

该方法应用于一种厚板船用高强钢为eh36钢板板厚(h)为18mm；y型坡口钝边高度h＝11mm；采用φ＝1.2mm的ghs50ns焊丝；焊接方法为的激光-mag复合焊接，焊接工艺为单道一次成形。

激光-mag复合焊接焊缝成形良好，没有裂纹等焊接缺陷；焊接接头拉伸试验的断裂位置在母材区域，接头弯曲180°，表面没有裂纹出现，满足使用性能要求。

实施例4：

一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法，该方法按照以下工艺步骤进行：

a)坡口加工：在焊接处采用焊接坡口形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝28°；

b)焊接材料：选择直径为1mm的焊丝作为焊接填充材料；

c)焊接保护气体：激光-mag复合焊接过程中，采用保护气体的体积分数为85％ar+15％co2混合气体，焊件背面保护为纯氩气；(保护气体都是领域公知的直接购买的成品)

d)焊接工艺：采用激光-mag复合焊工艺时，激光功率为10kw、离焦量为-1mm、光丝间距为2mm、焊接电流为350a、焊枪与水平面倾斜角度(α)为30°、焊接速度为1.3m/min。气体流量15l/min，背面保护为纯氩气，氩气气体流量20l/min。

该方法应用于一种厚板船用高强钢为eh36钢板板厚(h)为18mm；y型坡口钝边高度h＝10mm；采用φ＝1.0mm的ghs50ns焊丝；焊接方法为的激光-mag复合焊接，焊接工艺为单道一次成形。

激光-mag复合焊接焊缝成形良好，没有裂纹等焊接缺陷；焊接接头拉伸试验的断裂位置在母材区域，接头弯曲180°，表面没有裂纹出现，满足使用性能要求。

实施例5：

一种厚板高强钢激光-电弧复合高效焊接方法，该方法按照以下工艺步骤进行：

a)坡口加工：在焊接处采用焊接坡口形式为y型坡口对接，坡口角度θ＝30°；

b)焊接材料：选择直径为1.3mm的焊丝作为焊接填充材料；

c)焊接保护气体：激光-mag复合焊接过程中，采用保护气体的体积分数为85％ar+15％co2混合气体，焊件背面保护为纯氩气；(保护气体都是领域公知的直接购买的成品)

d)焊接工艺：采用激光-mag复合焊工艺时，激光功率为10kw、离焦量为-1mm、光丝间距为2mm、焊接电流为350a、焊枪与水平面倾斜角度(α)为30°、焊接速度为1.3m/min。气体流量25l/min，背面保护为纯氩气，氩气气体流量10l/min。

该方法应用于一种厚板船用高强钢为eh36钢板板厚(h)为18mm；y型坡口钝边高度h＝10mm；采用φ＝1.2mm的ghs50ns焊丝；焊接方法为的激光-mag复合焊接，焊接工艺为单道一次成形。

激光-mag复合焊接焊缝成形良好，没有裂纹等焊接缺陷；焊接接头拉伸试验的断裂位置在母材区域，接头弯曲180°，表面没有裂纹出现，满足使用性能要求。

综上，采用本发明对18mm厚的厚板高强钢eh36钢板进行激光-mag复合焊；采用ghs50ns焊丝和单道一次熔透成形，单面焊接双面成形；激光-mag复合焊工艺参数：激光-mag复合焊接焊缝成形良好，没有裂纹等焊接缺陷；焊接接头拉伸试验的断裂位置在母材区域，接头弯曲180°，表面没有裂纹出现，满足使用性能要求。

采用本发明对18mm厚高强钢eh36钢板进行激光-mag复合焊；具体实施方式为：先将底板用定位销固定在焊台上，将铜垫片放在底板的槽中，再将被焊工件放在底板上，使得焊缝保持在槽的中间部位，再用压板压在被焊工件上，用螺栓将压板压紧被焊工件，从而可以快速安装固定，并且可以对工件进行准确的定位，在焊接过程中，将背面保护气管插入到接气口6中进行通气，使气体经铜垫片5气孔5-1流出，从而保证气流稳定，保护均匀。

综上，本申请采用了10kw光纤激光器及400a焊接电流进行了激光-mag复合焊接，单道一次熔透18mm高强钢板，实现了高效和高质量的激光-电弧复合焊接。