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CN102310289B - 混合激光弧焊接工艺和设备 - Google Patents

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CN102310289B
CN102310289B CN201110189923.2A CN201110189923A CN102310289B CN 102310289 B CN102310289 B CN 102310289B CN 201110189923 A CN201110189923 A CN 201110189923A CN 102310289 B CN102310289 B CN 102310289B
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Abstract

本发明提供混合激光弧焊接工艺和设备。用于通过在接头区域(22)上执行激光束焊接工艺并且然后在该接头区域(22)上执行混合激光弧焊接工艺将工件(12、14)焊接在一起的焊接方法和设备(10)，该接头区域(22)包括由该工件(12、14)的搭接面(16)限定并且在其之间的焊缝。该激光束焊接工艺需要使第一激光束(32)沿该接头区域(22)移动、穿透该焊缝并且形成焊件(40)。该混合激光弧焊接工艺通过同时使电弧(36)和第二激光束(34)重叠并且沿该接头区域(22)移动并且在该焊件(40)中形成焊接池来使该焊件(40)再熔化。在冷却时，焊接接头(30)在该接头区域(22)和它的焊缝内形成。

Description

混合激光弧焊接工艺和设备
技术领域
本发明大体上涉及焊接方法。更特别地，本发明针对焊接工艺，其利用其中激光束焊接和弧焊接在相同的焊接池中同时发生的混合激光弧焊接技术，并且进一步利用在该混合激光弧焊接技术之前的第二激光束焊接技术以增加焊接深度和/或促进所得的焊接接头中的孔隙和气囊的消除。
背景技术
低热输入焊接工艺和特别地在狭窄焊接条件范围上操作的例如激光束和电子束焊接(分别LBW和EBW)等高能束焊接工艺已经成功用于在包括但不限于涡轮机中使用的合金的很多种材料中生产无裂缝焊接接头。高能束焊接工艺的优势是聚焦激光或电子束的高能量密度能够生产最小焊接金属体积的深且窄的焊接，实现结构对接焊接的形成，其增加极少另外重量并且与例如弧焊接工艺等其他焊接技术相比引起较少部件畸变。特别与激光束焊接关联的另外优势包括能够在没有真空腔或辐射屏蔽的情况下进行，该真空腔或辐射屏蔽是电子束焊接通常需要的。因此，激光束焊接可以是与电子束焊接比较的更低成本和更多产的焊接工艺。
尽管填充物材料已经用于某些应用和焊接条件，激光束和电子束焊接工艺典型地自熔接地进行(没有添加另外的填充物金属)。高能束聚焦在要焊接的表面上，例如要焊接的两个部件之间的界面(焊缝)上。在焊接期间，表面被充分加热以将金属的一部分汽化，形成随后由环绕空腔的熔化材料填充的空腔(“锁孔”)。在激光束焊接中相对新近的突破性进展是高功率固态激光器的发展，其如本文限定的那样包括大于四千瓦并且尤其十千瓦或更大的功率水平。特别的示例是使用采用圆盘形式(Yb:YAG圆盘激光器)的或作为纤维中的内部涂层(Yb纤维激光器)的氧化镱(Yb2O3)的固态激光器。这些激光器已知能够大大增加效率和功率水平，例如从近似四千瓦到高于二十千瓦。
混合激光弧焊接(HLAW)(也称为激光混合焊接)是结合激光束和弧焊接技术的工艺，使得两个焊接工艺在相同的焊接池中同时发生。激光束典型地取向为垂直于要焊接的表面，而弧焊接工艺(例如，气体金属弧焊接(GMAW，也称为金属惰性气体(MIG)焊接)或气体钨弧焊接(GTAW，也称为钨惰性气体(TIG)焊接))的电弧和填充物金属典型地安置在激光束在焊接接头表面上的焦点后面并且朝该焦点向前倾斜放置。弧焊接工艺的该位置称为“正手”技术。HLAW工艺的益处是能够增加焊接穿透的深度和/或通过增加焊接工艺移动速度而增加生产率，例如比常规弧焊接工艺的四倍那么快。
即使激光束焊接已知具有上文提到的各种益处，深穿透性激光束焊接技术已知倾向为俘获的孔隙。该倾向可以归因于与典型的熔化弧工艺相比与激光束焊接关联的低热输入。结果，由激光束焊接产生的焊接池趋于非常快地凝固，俘获在焊接工艺期间产生的气体-金属反应产物。尽管HLAW工艺中包括弧工艺帮助减少浅焊接(例如小于一半英寸(大约一厘米)的焊接深度)中的孔隙，当尝试达到更大的焊接深度时，产生于俘获的气泡的孔隙是个问题。
从达到受到循环操作的部件的更长寿命的观点来看，减少或消除深激光焊接中的孔隙将是特别有利的。一个商业示例是风力涡轮机塔的制造。因为在由激光束焊接产生的深焊件中发现的大量细小尺寸的内部孔隙的倾向，当前利用激光束焊接技术的焊接工艺的使用遇到挫折。孔隙的存在可以显著减小焊接接头的疲劳寿命，并且因此降低包含该焊接接头的结构的疲劳寿命。因此，例如埋弧焊接(SAW)工艺等其他焊接技术更典型地在受到循环操作的结构、例如风力涡轮机塔等的制造中采用。然而，当用于焊接在风力涡轮机塔的建造中需要的大且厚的部分时，SAW工艺的显著缺陷是低生产率，例如由于必须以例如大约二十至四十英寸(大约50至100cm)每分钟的相对低的速度进行多道所造成的。尽管刚好在焊接之前将部件预加热可能获得较低的冷却速度以允许气泡逸出焊接池，实际上部件可需要加热到差不多它的熔化温度的四分之三，其是昂贵的并且可以对部件的基材性质具有有害影响。在激光束焊接后接着有第二激光束焊接处理以释放气泡也已经证明是无效的，因为由该第二处理产生的焊接池也趋于过快凝固而不允许气泡浮出焊接池。
发明内容
本发明提供利用与激光束焊接工艺结合的混合激光弧焊接工艺的焊接方法和设备，该激光束焊接工艺在该混合激光弧焊接工艺之前以增加焊接深度和/或促进最终的焊接接头中的孔隙和气囊的消除。该方法特别好地适合于焊接相对厚的部分，例如大于一厘米，其否则使用常规混合激光弧焊接技术在不导致过度焊件孔隙水平的情况下难以焊接。
根据本发明的一个方面，焊接方法牵涉将工件放在一起使得其的搭接面面对彼此并且限定接头区域，该接头区域包括由该搭接面限定并且在其之间的表面间部分。该工件然后通过沿该接头区域进行多级焊接工艺焊接在一起。该多级焊接工艺包括在该接头区域上执行激光束焊接工艺并且然后在该接头区域上执行混合激光弧焊接工艺。该激光束焊接工艺包括将第一激光束投射到该接头区域上并且使该第一激光束在该接头区域上的投影沿该接头区域移动，穿透该接头区域的该表面间部分，并且在该接头区域中形成初步焊件。该混合激光弧焊接工艺沿接头区域执行并且使该初步焊件再熔化。该混合激光弧焊接工艺包括当用该电弧使填充物材料熔化时，同时使电弧和第二激光束沿该接头区域移动，其中该电弧和该第二激光束在该接头区域上的投影重叠以在该初步焊件中同时形成焊接池。工件然后冷却以产生焊接组件，其包括在该接头区域内并且通过其表面间部分的焊接接头。
根据本发明的另一个方面，焊接设备包括用于通过沿接头区域进行多级焊接工艺将工件焊接在一起的工具。该焊接工具包括用于在该接头区域上执行激光束焊接工艺的工具和用于在该接头区域上执行混合激光弧焊接工艺的工具。该激光束焊接工艺工具适合于将第一激光束投射到该接头区域上并且使该第一激光束在该接头区域上的投影沿该接头区域移动，穿透由搭接面限定并且在其之间的该接头区域的表面间部分，并且在该接头区域中形成初步焊件。该混合激光弧焊接工艺工具适合于沿接头区域执行该混合激光弧焊接工艺并且通过当用电弧使填充物材料熔化时以及当使该电弧和该第二激光束在该接头区域上的投影重叠以在该初步焊件中同时形成焊接池时，同时使该电弧和第二激光束沿该接头区域移动从而使该初步焊件再熔化以形成焊接接头。
根据本发明的优选方面，在进行混合激光弧焊接工艺之前用第一激光束对焊接接头区域预处理实现相对深的焊接接头的形成，例如一厘米以及更多，该相对深的焊接接头包含很少或没有孔隙，孔隙可归因于焊接工艺期间气泡的俘获。采用这样做，激光束焊接的优势对多种产品变得可用，包括但不限于发电、航空航天、基础设施、医学和工业应用，其的示例是风力涡轮机塔的建造。
本发明的其他方面和优势将从下列详细说明更好地意识到。
附图说明
图1是毗连在一起并且经受根据本发明的实施例的多级焊接工艺的两个工件的示意表示。
具体实施方式
图1表示用于执行多级焊接工艺的焊接设备10，该工艺利用可以是一般常规的混合激光弧焊接工艺的工艺但通过在混合激光弧焊接工艺之前包括投射到计划的焊接接头上的第二激光束而修改的工艺。该多级焊接工艺优选地产生相对深穿透的焊件，其能够没有孔隙产生于气泡(其在激光束焊接期间发展而来)。该焊接工艺特别好地适合于制造要求在相对厚的部分焊接的部件，例如一厘米或更大，如用于制造在包括风力涡轮机塔的建造的发电应用中使用的各种部件的情况，以及计划用于包括航空航天、基础设施、医学和工业应用等很多种其他应用的部件的情况。
图1表示经历本发明的多级焊接工艺的一对工件12和14。该工件12和14可是铸件、锻造的或粉末冶金形式，并且可用多种材料形成，该材料非限制性示例包括镍基、铁基合金、钴基、铜基、铝基和钛基合金。工件12和14具有要由焊接接头30冶金连接的搭接面16。该搭接面16与工件12和14的相对设置的第一和第二表面18和20(在其之间限定每个工件12和14的全厚度)邻接。
在图1中，工件12和14示出放置在一起使得它们的搭接面16面对彼此。接头区域22识别为由搭接面16以及由每个工件表面18的紧密邻近表面部分24限定。这些表面部分24由于工件12和14已经配合的方式而并置。图1示出该表面部分24限定在采用大小可以容纳在混合激光弧焊接工艺期间沉积的填充物金属的凹槽26的形式的焊接坡口(prep)内，如下文论述的。该焊接坡口凹槽26表示为具有U形横截面，但其他横截面形状也在本发明的范围内。此外，可预见到可以消除该焊接坡口凹槽26。图1进一步示出放置在工件12和14的搭接面16之间的填片28。该填片28可以用来提供焊接接头30的填充金属，和/或提供如在美国专利申请序列号12/415,305中描述的另外的益处，即稳定焊接锁孔以减小在高功率激光束焊接期间的飞溅和不连续性。为了该目的，该填片28示为比搭接面16大，使得该填片28的上边缘从工件12和14之间伸出。填片28的适合和优选的组成将取决于工件12和14的组成。
根据本发明的特别方面，接头区域22(一般垂直于表面部分24)的全厚度可以是一厘米(大约0.5英寸)或更大。尽管这样的厚度之前已经证明是阻碍了对于使用高功率激光束和常规的混合激光弧焊接工艺的使用(由于前者的气体俘获倾向和后者无力避免在深焊接接头中的气体俘获造成的)，本发明通过混合激光弧焊接和激光束焊接的结合克服现有技术的问题，其使由激光束焊接工艺俘获的气体能够在紧跟激光束焊接工艺之后的混合激光弧焊接工艺期间释放。
在图1中，用于执行激光束焊接工艺的工具表示为第一激光束32，其示为投射到接头区域22和填片28上以限定在接头区域22的表面部分24上的投影38。使该投影38在方向“D”上沿接头区域22移动。图1表示第一激光束32为基本穿透整个焊缝，其一般由搭接面16之间的接头区域22的表面间区域限定。如此，第一激光束32优选地基本穿透工件12和14与它们的接头区域22的整个全厚度。
图1表示用于执行混合激光弧焊接工艺的工具为包括第二激光束34和电弧36。该第二激光束34示为投射到由第一激光束32形成的焊件40上并且限定在该焊件40的表面上的投影42，但不穿透接头区域22的全厚度。该电弧36也移动到该焊件40，限定在该焊件40的表面上的焊接区46。如在图1中示意表示的，弧36的投射焊接区46和第二激光束34的投影42互相重叠。更特别地，弧36的焊接区46优选地大于并且完全环绕束34的投影42。图1进一步表示弧36为从电极发出，电极表示为从例如卷盘等送丝装置44馈送进入弧36的填充物金属丝48。使弧36的焊接区46和第二激光束34的投影42两者在方向“D”上沿接头区域22优选一致地同时移动。
鉴于上文，可以意识到用电弧36进行的弧焊接工艺一般与气体屏蔽熔化弧工艺一致，该气体屏蔽熔化弧工艺包括但不限于气体金属弧焊接(GMAW，也称为金属惰性气体(MIG)焊接)、气体钨弧焊接(GTAW，也称为钨惰性气体(TIG)焊接)、药芯焊丝弧焊(FCAW)和气体钨弧焊接-热丝(GTAW-HW)。各种材料可以用于填充物金属丝48，其中优选材料取决于工件12和14的组成和计划的应用。例如，韧性填充物可是优选的以减小在焊接接头30中开裂的趋势，或可使用其化学性紧密匹配工件12和14的基体金属以更接近地维持基体金属的期望性质的填充物。丝48可以具有任何适合的直径，其的典型示例在从大约0.030至大约0.062英寸(大约0.76至大约1.6mm)的范围中。丝48可是固体、用金属粉末装芯或用金属和适当的焊剂两者装芯以提供用于清洁所得的焊接池的焊剂/熔渣反应。
焊件40和最终的焊接接头30的穿透深度可以通过使用至少一个高功率激光器50作为一个或两个激光束32和34的源来提升。认为优选的高功率激光器包括固态激光器，其使用采用圆盘形式(Yb:YAG圆盘激光器)的或作为纤维中的内部涂层(Yb纤维激光器)的氧化镱(Yb2O3)。该高功率激光焊接工艺的典型参数包括大于四千瓦，例如十千瓦或更大的功率水平，和大约0.5至大约1毫米的激光束直径(例如，在投影38和42处)。例如脉冲或连续操作模式和移动速度等其他适合的操作参数可以在没有过度的试验的情况下确定。激光器50的控制可以用任何适合的机器人机械实现。激光束焊接工艺可以在例如惰性屏蔽气体、活性屏蔽气体或其的组合以形成混合屏蔽气体的任何适合的气氛中进行。与本领域内已知的激光束焊接工艺和设备一致，该激光束焊接工艺不需要在真空或惰性气氛中进行。
在优选实施例中，单个高功率激光器50用于产生初级激光束52，其然后由棱镜54分裂以形成第一和第二激光束32和34，沿接头区域22对准和分隔开束32和34，并且使束32和34取向为彼此平行并且垂直于工件12和14的表面18并且局部垂直于紧密邻近接头区域22的表面部分24。如上文描述的，第二激光束34与弧焊接工艺配成对以产生可以是标准混合激光弧焊接工艺的工艺，而第一激光束32在第二激光束34之前并且直接在接头区域22上投射以生产焊件40。第一激光束32优选地深穿透并且紧挨在混合激光弧焊接工艺前面将材料预热。因为该原因，激光束32和34的投影38和42应该相对紧密地分隔开，例如相隔小于一英寸(大约2.5cm)，例如沿接头区域22分开大约四分之一至大约四分之三英寸(大约0.5至大约2厘米)的距离(在图1中的“d”)。在一些情况下，对于第一激光束32处于比第二激光束34更高的功率水平，和/或更强地被聚焦以具有比第二激光束34更小的直径可是优选的。
第一激光束32在接头区域22的表面部分24上并且在搭接面16之间的焊缝内形成熔化焊接池，其与激光焊接技术一致地相对快速地冷却并且因此具有俘获由在焊接期间演变的气体-金属反应产生的气体的趋势。该俘获的气泡导致焊件40内孔隙的存在。尽管现有技术激光束焊接方法的严重限制，孔隙和它的俘获的气体可以在很大程度上(如果不是完全地)由混合激光弧焊接工艺消除，混合激光弧焊接工艺将在焊接坡口凹槽26内的焊件40的至少部分再熔化。有利地，由混合激光弧焊接工艺的第二激光束34和电弧36形成的熔化焊接池比由第一激光束32形成的熔化焊接池更缓慢地固化，其允许气泡浮出混合激光弧焊接工艺的熔化焊接池以减少并且可能消除最终的焊接接头30中的孔隙。
鉴于上文，本发明的多级焊接工艺的优选实施例能够至少部分消除会另外地产生于由第一激光束32进行的激光束焊接工艺的孔隙，同时使第一激光束32能够提供若干显著的益处。首先，激光束32优选地用于深深地穿透进入接头区域22的焊缝，其在没有堆焊存在的情况下使激光束32能够最大化焊件40的深度使得它可完全延伸通过焊缝。激光束32还能够向接着的混合激光弧焊接工艺提供非常高的预热温度，提升后面的工艺的穿透。另外，混合激光弧焊接工艺的较大穿透导致较慢的冷却速率，其具有减小焊接接头30中的残余应力的能力。
因为产生于第一激光束32并且由混合激光弧焊接工艺遇到的残余热取决于激光束32和34之间的间隔(距离“d”)以及束32和34沿接头区域22的移动速率，鉴于用两个单独的激光束发生器紧密放置两个平行束32和34的难度，优选将初级激光束52分裂以形成两个单独的激光束32和34。尽管第一激光束32可以朝第二激光束34向后倾斜以减小它们的分开距离，这样做可干扰混合激光弧焊接工艺从由激光束焊接工艺和它的第一激光束32产生的焊件40消除孔隙的期望能力。
在使用中，操作在图1中表示的焊接设备10以通过将第一激光束32投射到接头区域22上将填片28熔化，穿透在工件12和14的搭接面16之间的焊缝，并且形成熔池(其固化以形成其中可存在孔隙的焊件40)而将工件12和14焊接。随后，焊件40由混合激光弧焊接工艺的第二激光束34和电弧36再熔化，形成包含来自焊件40的熔化基体金属以及来自填充物金属丝48的熔化填充物金属的第二熔化焊接池。在该焊接池固化以形成焊接接头30之前，起初俘获在焊件40内的气泡优选地通过焊接池向上浮动并且释放。在冷却时，工件12和14由焊接接头30冶金连接，焊接接头30优选地完全延伸通过所得的焊接组件的全厚度。尽管在图1中描绘的焊接接头30是方形凹槽对接接头，应该理解其他接头类型是可预见的，包括角接接头、搭接接头、端接接头和T型接头。
减少或消除深焊接接头30中的孔隙提升焊接金属性质，其能够实现对于受到由于循环操作条件而造成的疲劳的部件的更长寿命。如之前提到的，商业示例是在发电中使用的风力涡轮机塔的制造。当前，某些风力涡轮机塔用通过埋弧焊接(SAW)形成的焊接接头制造，需要以大约二十至四十英寸每分钟(大约50至100cm/分钟)的速度的六至十二个焊接道。利用本发明，认为可以在以大约100至200英寸每分钟(大约2500至5000cm/分钟)的速度的单道中生产等同和潜在较优的焊接接头。在本发明之前，因为当对具有大于大约半英寸(大约一厘米)的厚度的激光束焊接段尝试激光束焊接时形成的大量细小内部孔隙，这样的结构的激光束焊接遇到挫折。
尽管本发明已经从优选实施例方面描述，其他形式可以由本领域内技术人员采用是明显的。因此，本发明的范围将仅由下列权利要求限制。
部件列表
  10   焊接设备   12   工件
  14   工件   16   表面
  18   表面   20   表面
  22   区域   24   部分
  26   凹槽   28   填片
  30   接头   32   束
  34   束   36   弧
  38   投影   40   焊件
  42   投影   44   装置
  46   区   48   丝
  50   激光器   52   束
  54   棱镜

Claims (10)

1.一种通过冶金连接工件(12、14)的搭接面(16)将至少两个工件(12、14)焊接在一起的方法，所述方法特征在于：
将所述工件(12、14)放在一起使得其搭接面(16)面对彼此并且限定接头区域(22)，所述接头区域(22)包括由所述搭接面(16)限定并且在所述搭接面(16)之间的表面间部分；
通过沿所述接头区域(22)进行多级焊接工艺将所述工件(12、14)焊接在一起，所述多级焊接工艺包括：在所述接头区域(22)上执行激光束焊接工艺，并且然后在所述接头区域(22)上执行混合激光弧焊接工艺，
所述激光束焊接工艺包括将第一激光束(32)投射到所述接头区域(22)上并且使所述第一激光束(32)在所述接头区域(22)上的投影沿所述接头区域(22)移动、穿透所述接头区域(22)的所述表面间部分并且在所述接头区域(22)中形成初步焊件(40)，
所述混合激光弧焊接工艺沿所述接头区域(22)执行并且使所述初步焊件(40)再熔化，所述混合激光弧焊接工艺包括当用电弧(36)使填充物材料(48)熔化时同时使所述电弧(36)和第二激光束(34)沿所述接头区域(22)移动，其中所述第二激光束(34)和所述电弧(36)在所述接头区域(22)上的投影(42、46)重叠以在所述初步焊件(40)中同时形成焊接池；并且然后
冷却所述工件(12、14)以产生包括处于所述接头区域(22)内并且通过其表面间部分的焊接接头(30)的焊接组件。
2.如权利要求1所述的方法，特征在于，所述第一和第二激光束(32、34)通过分裂初级激光束(52)形成。
3.如权利要求1或2所述的方法，特征在于，所述第一激光束(32)处于比所述第二激光束(34)更大的功率水平。
4.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，所述第一和第二激光束(32、34)沿所述接头区域(22)分开小于2.5厘米的距离。
5.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，所述第一和第二激光束(32、34)彼此平行。
6.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，所述第一激光束(32)在所述接头区域(22)上的投影(38)具有小于所述第二激光束(34)在所述接头区域(22)上的投影(42)的直径的直径。
7.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，由所述激光束焊接工艺形成的所述初步焊件(40)比由所述混合激光弧焊接工艺形成的焊接接头(30)更快地固化。
8.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，所述初步焊件(40)固化并且在其中俘获气泡，并且所述泡内的气体由于所述混合激光弧焊接工艺使所述初步焊件(40)再熔化而从所述初步焊件(40)释放。
9.如权利要求1至2中任一项所述的方法，特征在于，所述焊接组件是风力涡轮机塔的部件。
10.一种用于通过冶金连接工件(12、14)的面对彼此以限定接头区域(22)的搭接面(16)将至少两个工件(12、14)焊接在一起的设备(10)，所述设备(10)特征在于：
用于通过沿所述接头区域(22)进行多级焊接工艺将所述工件(12、14)焊接在一起的工具(32、34、36)，所述焊接工具(32、34、36)包括用于在所述接头区域(22)上执行激光束焊接工艺的工具(32)和用于在所述接头区域(22)上执行混合激光弧焊接工艺的工具(34、36)；
所述激光束焊接工艺工具(32)适合于将第一激光束(32)投射到所述接头区域(22)上并且使所述第一激光束(32)在所述接头区域(22)上的投影(38)沿所述接头区域(22)移动、穿透由所述搭接面(16)限定并且在所述搭接面(16)之间的所述接头区域(22)的表面间部分，并且在所述接头区域(22)中形成初步焊件(40)；以及
所述混合激光弧焊接工艺工具(34、36)适合于沿所述接头区域(22)执行所述混合激光弧焊接工艺并且通过当用电弧(36)使填充物材料(48)熔化时以及当使第二激光束(34)和所述电弧(36)在所述接头区域(22)上的投影(42、46)重叠以在所述初步焊件(40)中同时形成焊接池时，同时使所述电弧(36)和第二激光束(34)沿所述接头区域(22)移动来使所述初步焊件(40)再熔化以形成焊接接头(30)。
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