一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法与流程

本发明属于激光加工，具体涉及一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法。

背景技术：

1、为了提高舰船的战斗能力和性能，提高自身生存和应对恶劣环境的能力，舰船建造中采用大厚度规格的板材越来越多。美国弗吉尼亚级潜艇采用单层外壳结构，外壳用钢厚度达到了50～70mm。俄罗斯的潜艇多采用双层壳体结构，外层非耐压壳体钢板厚度上限为30mm，内层耐压壳体厚度达到80mm厚度左右。

2、我国潜艇建造中，厚壁件多采用x21高强钢和x80高强钢，目前厚板高强钢焊接方法主要采用埋弧焊和手工焊。由于具备焊接大厚度板材技能的焊工需要较长的培养周期，焊接效率很低，同时由于手工焊焊接热输入大，变形难以控制，后期矫正工作量很大。

3、作为高能量密度的焊接方法，激光焊可以实现高速焊接，提高厚板的焊接效率，更低的热输入能减少焊接时带来的变形问题。激光填丝焊时，如果采用激光冷丝焊接，激光束的能量有很大一部分作用在焊丝上，焊接热输入降低，熔池金属流动性下降，熔融的液态金属集中在焊缝中间位置，不易向两侧铺展，导致侧壁未融合缺陷产生。为了充分利用激光束的高能量，引入了热丝焊。焊丝在电流电压作用下提前预热，减少了激光在焊丝上的能量消耗，更有利于熔池和焊丝对激光能量的吸收。本领域通常把将钢板厚度大于30mm且坡口为5～10mm的焊接称为窄间隙焊接，将钢板厚度大于30mm且坡口小于5mm的焊接称为超窄间隙焊接。由于通常采用聚焦光束及深熔多层焊方式，厚板的窄间隙或超窄间隙激光焊会存在较严重的侧壁未熔合、层间未熔合及气孔问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中厚板超窄间隙激光焊接存在的侧壁未熔合、层间未熔合及气孔的技术问题，本发明提供一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下。

3、一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法，其特征在于，采用超窄间隙坡口加工方案，正离焦激光光束照射超窄间隙的坡口内部，使正离焦激光的光斑直径d大于所述超窄间隙的下坡口宽度d2，光斑覆盖在待焊的焊道及其两侧的坡口表面；采用导电嘴对焊丝进行预热，所述导电嘴的预热电流为110～150a，预热电压为15～20v；焊接时，沿焊接方向激光在前焊丝在后，光丝间距dh为0.5～2.5mm；依次进行打底焊、填充焊和盖面焊的激光焊接；

4、所述厚板的板厚为20～80mm，所述未熔合缺陷为侧壁未熔合和/或层间未熔合缺陷；

5、所述光丝间距dh为焊丝尖端至激光光斑圆心的距离；所述焊接方向为沿所述超窄间隙的中心线；

6、所述超窄间隙的上坡口宽度d1为3.8～4.8mm，下坡口宽度d2为2.3～2.8mm，单侧0.5～1.5°坡口，钝边预留4～6mm；

7、所述正离焦激光光束的正离焦量df是指焦点至待焊接面之间的距离，所述正离焦激光是指激光光束的焦点在待焊接面上方，即df>0；所述正离焦激光光束与焊接方向之间的夹角为θ1为85～90°，焊丝的入射方向与待焊接面之间的夹角为θ2为30～45°；

8、所述光斑直径d大于所述超窄间隙的下坡口宽度d2，但小于上坡口宽度d1，即d1>d>d2；优选的光斑直径d为2.8～3.2mm，更优选为3.0mm；

9、所述导电嘴的有效长度应大于l＝(h/cosθ2)+10mm，其中l是指导电嘴的有效长度，h是指板材的厚度，所述导电嘴的前端壁厚为0.3～0.5mm，导电嘴的内孔直径根据所述焊丝的直径选择，所述干伸长为k＝12～18mm；

10、所述打底焊的激光自熔焊接工艺为：激光功率为5500～6800w，正离焦量为+28，焊接速度为0.4～0.6m/min；

11、所述填充焊的激光自熔焊接工艺为：激光功率为5500～6800w之间，焊接速度为0.48～0.6m/min，送丝速度为2～3.2m/min；

12、所述超窄间隙经打底焊和填充焊的焊接，当坡口内填充焊的焊道表面至母材表面距离为2～3mm时进行盖面焊的焊接；

13、所述盖面焊的激光自熔焊接工艺为：激光功率为5500～6800w之间，焊接速度为0.3～0.5m/min，送丝速度为4～6m/min。

14、优选地，所述焊接过程中采用纯度≥99.99％的氩气保护焊接熔池，气体流量为10～20l/min。

15、与现有技术相比，本发明具有如下的积极效果：

16、本发明通过优化的超窄间隙坡口加工方案，减少了焊缝金属填充量，节约大量的焊材，同时，较小的坡口尺寸极大程度降低焊接热输入，减小焊接变形和应力集中的影响；拉大激光光束的离焦量来增加光斑直径，使光斑同时作用光斑覆盖在待焊的焊道及其两侧坡口的母材表面，使超窄间隙的侧壁也在焊接时发生熔化，从而消除了超窄间隙在焊接时容易产生的侧壁未熔合缺陷，采用作用在导电嘴上的电流电压提前预热焊丝，增强熔池金属的流动性，有助于消除层间未熔合缺陷，提高焊接效率；控制焊丝与激光光斑之间的位置关系，降低了熔池深宽比，稳定了熔滴过渡的过程，得到了月牙形焊缝成型，有助于消除焊接时产生的气孔缺陷，同时为下一道焊缝的填充提供良好的基础，单一红外光源即可完成厚板窄间隙焊接工作，避免采用双光束、摆动激光等带来的设备投入，有一定的经济效益。

技术特征：

1.一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法，其特征在于，采用超窄间隙坡口加工方案，正离焦激光光束照射超窄间隙的坡口内部，使正离焦激光的光斑直径d大于所述超窄间隙的下坡口宽度d2，光斑覆盖在待焊的焊道及其两侧的坡口表面；采用导电嘴对焊丝进行预热，所述导电嘴的预热电流为110～150a，预热电压为15～20v；焊接时，沿焊接方向激光在前焊丝在后，光丝间距dh为0.5～2.5mm；依次进行打底焊、填充焊和盖面焊的激光焊接。

2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述厚板的板厚为20～80mm；所述未熔合缺陷为侧壁未熔合和/或层间未熔合缺陷。

3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述超窄间隙的上坡口宽度d1为3.8～4.8mm，下坡口宽度d2为2.3～2.8mm，单侧0.5～1.5°坡口，钝边预留4～6mm。

4.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述正离焦激光光束与焊接方向之间的夹角为θ1为85～90°，焊丝的入射方向与待焊接面之间的夹角为θ2为30～45°。

5.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述光斑直径d大于所述超窄间隙的下坡口宽度d2，但小于上坡口宽度d1，即d1>d>d2。

6.根据权利要求5所述的激光焊接方法，其特征在于，所述光斑直径d为2.8～3.2mm。

7.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述导电嘴的有效长度应大于l＝(h/cosθ2)+10mm，其中l是指导电嘴的有效长度，h是指板材的厚度，所述导电嘴的前端壁厚为0.3～0.5mm，导电嘴的内孔直径根据所述焊丝的直径选择，所述干伸长为k＝12～18mm。

8.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述打底焊的激光自熔焊接工艺为：激光功率为5500～6800w，正离焦量为+28，焊接速度为0.4～0.6m/min。

9.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述填充焊的激光自熔焊接工艺为：激光功率为5500～6800w之间，焊接速度为0.48～0.6m/min，送丝速度为2～3.2m/min。

10.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，当坡口内填充焊的焊道表面至母材表面距离为2～3mm时进行盖面焊的焊接。

11.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述盖面焊的激光自熔焊接工艺为：激光功率为5500～6800w之间，焊接速度为0.3～0.5m/min，送丝速度为4～6m/min。

12.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊接过程中采用纯度≥99.99％的氩气保护焊接熔池，气体流量为10～20l/min。

技术总结
本发明公开了一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法，采用超窄间隙坡口加工方案，正离焦激光光束照射超窄间隙的坡口内部，使正离焦激光的光斑直径D大于所述超窄间隙的下坡口宽度d<subgt;2</subgt;，光斑覆盖在待焊的焊道及其两侧的坡口表面；采用导电嘴对焊丝进行预热，导电嘴的预热电流为110～150A，预热电压为15～20V；焊接时，沿焊接方向激光在前焊丝在后，光丝间距D<subgt;h</subgt;为0.5～2.5mm；依次进行打底焊、填充焊和盖面焊的激光焊接。本发明的方法减少了焊缝金属填充量，减小焊接变形和应力集中的影响；拉大激光光束的离焦量来增加光斑直径，消除了超窄间隙在焊接时容易产生的侧壁未熔合缺陷。

技术研发人员：刘文天,尤德武,兰玲,徐沛至
受保护的技术使用者：上海船舶工艺研究所（中国船舶集团有限公司第十一研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25