CN103406675B - 一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法及其夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法及其夹具，采用6KW光纤激光器，双面焊双面成形方法焊接45mm厚高强钢，开双面小坡口，预留1-1.5mm间隙，相比传统的多层多道焊接需要焊接至少20道进步明显，即可焊透45mm厚高强钢钢板。简化了预热工艺，又缩短了预热时间。焊缝接头性能完全达到客户要求指标。本发明以显著提高生产效率，节省母材和焊丝的消耗，节约能源消耗，提高焊接接头机械性能，降低残余应力和变形，以及易于实现生产过程的自动化等优点。为了提升该焊接方法的效率以及质量，焊接时使用专用夹具采用上部采用4块压板，下部采用1块垫板的组合式夹具，该夹具可以使得工件定位并且固定，保证焊接的质量，而且不会磨损工件。

Description

一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法及其夹具

技术领域

本发明属于一种材料加工技术领域，具体涉及一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法，本发明还涉及一种该激光电弧复合焊接方法的夹具。

背景技术

随着工业及国防装备的日趋大型化和厚板、超厚板焊接金属结构的应用日趋广泛，大厚板窄间隙焊接已经逐渐成为人们关注的焦点，如何能够以最低成本、最高效率的工艺方法使焊接深度逐渐增大，并且同时获得性能可靠稳定的焊接接头是厚板焊接研究的方向。多年来，人们做了大量的研究。2010年出版的第三期《现代焊接》第51-52页介绍了一种材质为00Cr19Ni10板厚为56mm厚的不锈钢焊接方法，采用先手工氩弧焊打底，埋弧焊多层多道焊接的方式，焊接电流400-480A，焊接电压28-32V，焊丝直径3.2mm。这种方法的缺点在于，开坡口困难，且大坡口的填充金属量大，成本高，焊接速度缓慢，热输入量大，焊后板材应力变形大，生产效率低下。类似的多层多道焊接方法都有这种缺点，2003年出版的第6期《钢结构》第31-32页介绍了一种120mm厚Q345-A高强钢的焊接方法，采用履带式加热器进行预热75分钟预热至150摄氏度，先二氧化碳焊接打底，在埋弧自动焊接多层多道焊接，焊接共计69道焊缝，最终焊接完成。其间，在每道焊缝之间都需要将熔渣清理干净，十分繁琐复杂。2009年5月出版的第五期《中国激光》卷6第1251-1255页介绍了一种厚板高强钢激光填丝焊接工艺，采用6KW的二氧化碳激光，焊接16mm厚11CrNi3MnMoV材料，采用双光束，多层多道焊接。缺点在于，采用二氧化碳激光，金属的吸收率低，多数能量被反射或者转化为热量，能量利用率低，成本高，且还是采用多道焊接，效率低下。另有文献介绍了一种厚板大功率激光填丝焊接，采用15KW的二氧化碳激光器，单面焊双面成形焊接11mm厚国产船用钢板，缺点在于二氧化碳激光能量利用率低，虽然采用了超大功率激光器，但焊接深度并不令人十分满意，并且15KW二氧化碳激光器成本十分昂贵。目前，完全采用激光电弧复合焊接焊接厚度40mm以上高强钢板还未能有相关方法。为了能加快焊接速度，提升焊接质量，需要制作一个专用的夹具来进行装夹工件。

发明内容

   为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法及其夹具，采用6KW光纤激光器，双面焊双面成形方法焊接45mm厚高强钢，开双面小坡口，预留1-1.5mm间隙，正反面施焊共4道，相比传统的多层多道焊接需要焊接至少20道进步明显，即可焊透45mm厚高强钢钢板。另外，采用激光直接预热的方式，无需其他预热装置，也不需要安装或拆除预热的相关配件，简化了预热工艺，又缩短了预热时间。焊缝接头性能完全达到客户要求指标。总之，本发明以显著提高生产效率，节省母材和焊丝的消耗，节约能源消耗，提高焊接接头机械性能，降低残余应力和变形，以及易于实现生产过程的自动化等优点。

 为了实现焊接稳定，避免焊接出现咬边、驼峰、气孔、未熔合等焊缝缺陷，上述焊接方法需要一种专用夹具。本发明专用夹具主要包括：上横盖板，上竖盖板，垫板，弹簧，固定装置，连接件，垫圈，其特征在于：上横盖板有两块，上竖盖板有两块，上竖盖板通过固定装置固定在上衡盖板上，组成一个矩形结构，中间留有焊接工作槽，垫圈通过弹簧固定在上横盖板上。通过打开上盖板，将工件放在垫板上，然后盖上横盖板，保证弹簧和垫圈固定在工件上，从而达到固定工件的作用。上竖盖板可有效抑制由于熔池金属凝固时导致的焊缝间隙收缩变形。上横盖板可有效抑制焊接过程中厚板的弯曲变形。而上横盖板和上竖盖板组成盖板组后，达到1+1大于2的效果，上横盖板也可以为焊缝收缩提供一定的夹持力，上竖盖板也可以提供抑制弯曲变形的作用力。因此，在大厚板窄间隙焊接过程中，装卡时采用盖板组，可有效防止焊缝间隙收缩变形和厚板弯曲变形。弯曲变形控制在小于1mm范围内，焊缝收缩变形控制在小于0.1mm范围内。

本发明是通过以下技术方案所实现的: 通过对焊接的厚板高强钢进行开坡口处理，工件准备，预热处理，并且运用激光和电弧复合焊接处理进行焊接处理实现厚板高强钢的焊接；所述的坡口形式：选择45mm板，单边先开10毫米、15-25度坡口，上面再开一个3毫米、45度坡口，钝边19mm。材质为国产45mm厚ZG30SiMn，与进口45mm厚耐磨板AR400，异种材质的直缝对接焊；所述的工件准备是对施焊部位进行打磨，去除待焊部位的氧化层，油渍，污迹等，并对施焊工件进行装卡，校准间隙为0.8-1.5mm，装卡完毕后，进行必要位置的点固，以控制焊接变形对装卡间隙的影响；所述的预热处理是采用机器人自动激光预热的方式，利用机器手臂带动激光焊接头直接预热，无需其他预热装置，预热后直接进行焊接，预热采用间歇多次的加热方式，预热温度在150-260摄氏度，通常扫描加热部位根据预热温度调整扫描次数为1-3次，每次5-8分钟，使表层加热温度充分扩散到底层和周围，每次间歇2-3分钟。加热区域是焊接坡口两侧，宽度应各为焊件施焊处厚度的1.5倍以上，且≥100mm;测温点应在离激光电弧经过前的焊接点各方向≥75mm 处；所述的焊接处理采用双面焊双面成形，为保证正反面热输入均匀，避免焊接变形，在施焊顺序上，打底第一层后，翻面进行反面打底和反面盖面，反面盖面完成后，回到正面进行盖面焊，根据具体打底层的焊接情况，对盖面焊接电流电压进行微调，以控制焊缝成形。其中，打底焊激光功率6000W，IPG光纤激光器，焊接电流280A-320A，焊接电压23.5-24.5V，入焦2mm，激光焦点与电弧之间保持2-4mm间距，盖面焊激光功率1000-2000W，焊接电流 260-280A，焊接电压23-24V，离焦量0mm，激光焦点与电弧之间保持2-4mm间距；所述的预热处理，焊接操作均采用机器人来完成，需要先编好预热和打底和盖面所用的机器人程序，并进行示教，采用这种设计以后，可焊接直线焊缝，环形焊缝，曲线焊缝，并可实现对接，T接、角接等多种接头形式的焊接，而且保证了焊接的精度和生产效率；所述的焊接处理中间层温度差控制在1-3℃，采用这种设计以后，能够保证焊接件的质量和焊接效果；所述的焊接处理中加收弧板，采用这种设计以后，使得焊缝收弧成型良好，避免产生裂纹。

  一种厚板高强钢激光电弧复合焊接夹具，其中包括：其主要包括：上横盖板，上竖盖板，垫板，弹簧，固定装置，连接件，垫圈，其特征在于：上横盖板有两块，上竖盖板有两块，上竖盖板通过固定装置固定在上衡盖板上，组成一个矩形结构，中间留有焊接工作槽，垫圈通过弹簧固定在上横盖板上。该夹具可以快速定位工件，并且能够对工件进行夹紧操作，在使用过程中，工件不会偏移，保证焊接质量。

  作为本发明的一种改进，所述固定装置为螺钉，采用这种设计以后，可以保证上横盖板和上竖盖板紧密结合在一起。

  作为本发明的一种改进，所述连接件为螺栓固定装置结构，螺栓固定装置结构分别连接上横盖板和垫板，采用这种设计以后，可以使得上盖板和垫板不会产生错位，导致夹紧失效，影响焊接质量，也能够提高工人的夹紧效率，提高生产效率。

 本发明中，激光电弧复合焊接优势：(1) 高效、节能、经济。单独使用激光时，由于激光光致等离子体的屏蔽作用，激光能量的利用率低。激光与电弧的复合，可以有效的利用激光和电弧能量。(2) 焊接工艺稳定。高速焊接或者在厚板坡口内焊接，电弧弧根阳极或阴极斑点的剧烈跳跃会造成工艺极不稳定并伴随咬边、驼峰、气孔、未熔合等焊缝缺陷。激光加入后，其作用点能够为电弧提供稳定的阳极或阴极斑点，有效抑制电弧弧根跳跃。激光等离子体还能够通过激光、电弧相互作用提高了电弧的电离程度，稳定和压缩电弧，提高工艺稳定性。(3) 增加熔深。与同功率下的单激光焊接相比，复合热源焊接熔深大，可增加一倍多。特别是在窄间隙大厚板焊接时，采用激光－MIG 复合热源焊接时，在激光作用下，电弧可潜入到焊缝深处，减少填充金属的熔敷量，实现大厚板深熔焊接。(4) 减少焊接缺陷。与激光焊接相比，激光－电弧复合热源焊接能够增加熔池金属的凝固时间，有利于减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷的产生。(5)调整焊缝成分，改善焊缝组织和性能。电弧焊丝材料的添加能够改变焊缝的合金成分，改善焊缝成分和微观组织。(6) 改善焊缝成形。激光－电弧复合热源作用于工件时，材料的熔化量增大，可以改善熔化金属与固态母材的润湿性、消除焊缝咬边现象。(7) 提高焊接适应性。电弧的加入使得工件表面的熔合宽度增大，减低了单激光对间隙、错边及对中的敏感性，提高了生产效率。(8) 减少焊接变形。与普通电弧焊相比，激光－电弧复合热源焊接的速度快、热输入量小，因而热影响区小，焊缝的变形及残余应力小。特别是在大厚板的焊接时，由于焊道数的减小，相应的减少了焊后矫形的工作量，提高了生产效率。

附图说明

图1是发明的示意图，

图2是发明钢板坡口放大图，

图3是发明的专用夹具结构示意图，

图4是发明的专用夹具主视图，

附图标记列表：1—上横盖板，2—上竖盖板，3—垫板，4—螺栓固定装置， 5—螺钉，6—弹簧，7—垫圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

实施例1：

国产45mm厚ZG30SiMn，与进口45mm厚耐磨板AR400，异种材质的直缝对接焊；工件坡口形式：选择45mm板，单边先开10毫米、15度坡口，上面再开一个3毫米、45度坡口，钝边19mm；焊前准备：焊前对施焊部位进行打磨，去除待焊部位的氧化层，油渍，污迹等，并对施焊工件进行装卡，校准间隙1.2mm，装卡完毕后，进行必要位置的点固，以控制焊接变形对装卡间隙的影响；焊前预热：采用激光预热的方式，无需其他预热装置，预热后直接进行焊接，预热采用间歇多次的加热方式，预热温度在200摄氏度左右，通常扫描加热部位2次，每次5-8分钟，每次间歇2-3分钟。加热区域是焊接坡口两侧，宽度应各为焊件施焊处厚度的1.5倍以上，且≥100mm;测温点应在离激光电弧经过前的焊接点各方向≥75mm 处；焊接：由于采用双面焊双面成形，为保证正反面热输入均匀，避免焊接变形，在施焊顺序上，打底第一层后，翻面进行反面打底和反面盖面，反面盖面完成后，回到正面进行盖面焊。其中，打底焊激光功率6000W，焊接电流270A-290A，焊接电压23.5-24.5V，入焦2mm，激光焦点与电弧之间保持2-4mm间距，盖面焊激光功率1000-2000W，焊接电流 260-280A，焊接电压23-24V，离焦量0mm，激光焦点与电弧之间保持2-4mm间距。

焊接接头物理性能实验参数

	拉伸强度（Mpa）	屈服强度（Mpa）	延伸率（%）
				试件1	787	700	9.2
试件2	779	600	9.7

超过一侧母材ZG30SiMn的抗拉强度（500-700MPa）、屈服强度（大于450MPa）。

实施例2：

       作为本发明的一种改进，预热处理，焊接操作均采用机器人来完成，需要先编好预热和打底和盖面所用的机器人程序，并进行示教，采用这种设计以后，可焊接直线焊缝，环形焊缝，曲线焊缝，并可实现对接，T接、角接等多种接头形式的焊接，而且保证了焊接的精度和生产效率。其余结构特点和优点与实施例1完全相同。

实施例3：

       作为本发明的一种改进，处理中需要注意层间保温，层间温度差控制在1-3℃，采用这种设计以后，能够保证焊接件的质量和焊接效果。其余结构和优点和实施例1完全相同。

实施例4：

       作为本发明的一种改进，焊接处理中加收弧板，采用这种设计以后，使得焊缝收弧成型良好，避免产生裂纹。其余结构和优点和实施例1完全相同。

实施例5：

结合附图3、4可见，一种厚板高强钢激光电弧复合焊接夹具，其中包括：其主要包括：上横盖板1，上竖盖板2，垫板3，弹簧6，固定装置，连接件，垫圈7，其特征在于：上横盖板1有两块，上竖盖板2有两块，上竖盖板2通过固定装置固定在上横盖板1上，组成一个矩形结构，中间留有焊接工作槽，垫圈7通过弹簧6固定在上横盖板1上。该夹具可以快速定位工件，并且能够对工件进行夹紧操作，在使用过程中，工件不会偏移，保证焊接质量。

实施例6：

       作为本发明的一种改进，所述固定装置为螺钉5，采用这种设计以后，可以保证上横盖板和上竖盖板紧密结合在一起。其余结构特点和优点与实施例1完全相同。

实施例7：

       作为本发明的一种改进，所述连接件为螺栓固定装置4结构，螺栓固定装置结构分别连接上横盖板和垫板，采用这种设计以后，可以使得上盖板和垫板不会产生错位，导致夹紧失效，影响焊接质量，也能够提高工人的夹紧效率，提高生产效率。其余结构和优点和实施例1完全相同。

本发明还可以将实施例2、3、4所述的技术特征至少一个与实施例1组合成新的实施方式，本发明还可以将实施例6、7所述的技术特征至少一个与实施例5组合成新的实施方式。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法，其特征在于：通过对焊接的厚板高强钢进行开坡口处理，工件准备，预热处理，并且运用激光和电弧复合焊接处理进行焊接处理实现厚板高强钢的焊接；所述的坡口形式：选择 45mm板，单边先开10毫米、10-25度坡口，上面再开一个3毫米、45度坡口，钝边19mm；材质为国产45mm厚ZG30SiMn，与进口45mm厚耐磨板AR400，异种材质的直缝对接焊；所述的工件准备是对施焊部位进行打磨，去除待焊部位的氧化层，油渍，污迹，并对施焊工件进行装卡，校准间隙为0.8-1.5mm，装卡完毕后，进行必要位置的点固，以控制焊接变形对装卡间隙的影响；所述的预热处理是采用机器人自动激光预热的方式，利用机器手臂带动激光焊接头直接预热，无需其他预热装置，预热后直接进行焊接，预热采用间歇多次的加热方式，预热温度在150-260摄氏度之间，通常扫描加热部位根据预热温度调整扫描次数为1-3次，每次5-8分钟，使表层加热温度充分扩散到底层和周围，每次间歇2-3分钟；加热区域是焊接坡口两侧，宽度应各为焊件施焊处厚度的1.5倍以上，且≥100mm;测温点应在离激光电弧经过前的焊接点各方向≥75mm 处；

所述的焊接处理采用双面焊双面成形，为保证正反面热输入均匀，避免焊接变形，在施焊顺序上，打底第一层后，翻面进行反面打底和反面盖面，反面盖面完成后，回到正面进行盖面焊，根据具体打底层的焊接情况，对盖面焊接电流电压进行微调，以控制焊缝成形；其中，打底焊采用IPG光纤激光器，激光功率为6000W，焊接电流280A-320A，焊接电压23.5-24.5V，入焦2mm，激光焦点与电弧之间保持1.5-5mm间距，盖面焊激光功率1000-2000W，焊接电流 260-280A，焊接电压23-24V，离焦量0mm，激光焦点与电弧之间保持2-4mm间距。

2.根据权利要求1所述的一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述的预热处理，焊接操作均采用机器人来完成，需要先编好预热和打底和盖面所用的机器人程序，并进行示教，可焊接直线焊缝，环形焊缝，曲线焊缝，并可实现对接、T接、角接多种接头形式的焊接。

3.根据权利要求1所述的一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述的焊接处理中间层温度差控制在1—3℃。

4.根据权利要求1所述的一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述的焊接处理中加收弧板。

5.一种实现权利要求1—4任一项所述焊接方法的夹具，其中包括：其主要包括：上横盖板（1），上竖盖板（2），垫板（3），弹簧（6），固定装置，连接件，垫圈（7），其特征在于：上横盖板（1）有两块，上竖盖板（2）有两块，上竖盖板（2）通过固定装置固定在上横盖板（1）上，组成一个矩形结构，中间留有焊接工作槽，垫圈（7）通过弹簧（6）固定在上横盖板（1）上。

6.根据权利要求5所述的一种厚板高强钢激光电弧复合焊接夹具，其特征在于：所述固定装置为螺钉（5）。

7.根据权利要求6所述的一种厚板高强钢激光电弧复合焊接夹具，其特征在于：所述连接件为螺栓固定装置（4）结构，螺栓固定装置（4）结构分别连接上横盖板（1）和垫板（3）。