一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法

摘要

本发明提供了一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法，包括步骤一、坡口设计；步骤二、在双侧坡口处对称布置激光头、送丝嘴和保护气装置，送丝嘴位于激光头上方，保护气装置位于激光头下方，调整激光头与焊接方向之间的角度，调整送丝嘴和焊接方向之间的角度，调整保护气装置与焊接方向之间的角度，调整焊枪的焊丝尖端与待焊接试件上的激光光斑的位置；步骤三、打底焊；步骤四、填充焊；步骤五、盖面焊。本发明采用双侧激光焊接方式，在保证焊接接头高质量的前提下，比单侧激光焊接效率高，容易控制焊接变形，一侧对另一侧的预热作用，改变焊接温度场，减小凝固速度，减小柱状晶的尺寸，焊接质量好。

权利要求

1.一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、坡口设计：在两个待焊试件的焊接部位加工出双侧坡口，将两个待焊试件置于夹具中；

步骤二、在双侧坡口处对称布置激光头、送丝嘴和保护气装置，送丝嘴位于激光头上方，保护气装置位于激光头下方，调整激光头与焊接方向之间的角度，调整送丝嘴和焊接方向之间的角度，调整保护气装置与焊接方向之间的角度，调整焊枪的焊丝尖端与待焊接试件上的激光光斑的位置；所述步骤二中，激光头与焊接方向之间夹角为75°～85°，送丝嘴和焊接方向之间夹角为30°‑60°，保护气装置与焊接方向夹角为100°～150°，焊枪的焊丝尖端与待焊接试件上的激光光斑相切；

步骤三、打底焊：双侧坡口处的激光头采用摆动的方式激光自熔焊接，设置打底焊参数，启动激光头和保护气，双侧激光同步对双侧坡口的根部进行焊接；

步骤四：填充焊：双侧坡口处采用单道多层填充焊接，两侧均通入保护气，设置填充焊参数，启动激光头、送丝嘴，双侧同步进丝，双侧激光同步对双侧坡口填充焊接；

步骤五：盖面焊：设置盖面焊参数，启动激光头、送丝嘴，双侧同步进丝，双侧激光同步对双侧坡口盖面焊接，直至完成焊接；

所述双侧坡口为带有钝边的双侧对称坡口，每个坡口均为U型结构，坡口的钝边厚度为

5mm，坡口根部宽度为3mm，坡口角度为2°，待焊试件底部与坡口垂直；或采用非对称的坡口形式；

所述待焊试件的厚度为120mm；

打底焊参数为：激光束离焦量为+1mm，激光功率为3kW，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，摆动幅度为2mm，摆动频率为75Hz，焊接速度为0.4m/min；

填充焊参数为：激光束离焦量为+20mm，激光功率为3～4kW，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，摆动幅度为2～3mm，摆动频率为75Hz，焊丝伸长量为15mm，送丝速度为2m/min，焊接速度为0.3m/min；

盖面焊参数为：激光束离焦量为+20mm，激光功率比步骤四中的激光功率增大400W，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，摆动幅度相比步骤四中的摆动幅度增大0.6mm，摆动频率为75Hz，焊接速度为0.6m/min，焊丝伸长量为5mm，送丝速度为1m/min；

双侧激光焊接方式，容易控制焊接应力带来的变形，并且一侧对另一侧的预热作用，改变焊接温度场，减小凝固速度，减小柱状晶的尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法，其特征在于：所述步骤四中，填充焊每层的填充厚度控制在1～3mm，填充焊完成后，机械清洗或者激光清洗，用高压空气吹去覆盖在焊缝和坡口内的烟尘以及焊渣。

3.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法，其特征在于：保护气装置与待焊表面的高度为15～20mm，保护气装置前端距激光束的距离为10～20mm，保护气装置通入保护气的气流量为10L/min～20L/min。

4.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法，其特征在于：所述待焊试件为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金、铜合金或镍基合金，保护气装置内的保护气体为氩气、氮气、氦气或三者以任意比混合。

说明书

一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光加工技术领域，尤其是涉及一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法。

背景技术

[0002] 随着工业技术高速的发展与需求，发电设备、机床设备、舰船制造、石油化工、海洋工程和航空航天等高端装备制造业朝着更加智能化与大型化的方向发展，特别是对大型结
构件中的中厚板以及大厚板焊接的需求越来越多，对于一些尺寸较大的工件来说，很难通
过平焊连接以后来完成装配，对于一些特殊位置需要立焊来完成连接。因此，亟需新的焊接
技术来保证焊接接头的优质与高效。

[0003] 由于窄间隙焊接技术在大厚板中的优势较大，目前在工业大厚板的立焊应用中窄间隙焊接技术应用较多，例如窄间隙TIG电弧立焊、窄间隙MIG电弧立焊等，存在容易产生热
损伤大、焊缝晶粒粗大、焊接效率低等缺点。然而，窄间隙激光焊接技术在平焊应用较多，其
可以采用更窄的坡口，可以大大减少填充层的数量来提高焊接效率。但在立焊中，由于重力
的影响，焊接熔池中的液态金属易产生向下流淌的趋势，焊接熔池的不稳定极大程度的影
响焊接过程的稳定性，如果单道填充的金属过多，导致焊缝成形较差，影响后续道次的焊接
质量。焊接效率低以及焊后层间的清理时间较长影响到了窄间隙激光填丝立焊技术在实际
工程的中的应用。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明旨在提出一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法，采用双侧激光焊接方式，在保证焊接接头高质量的前提下，焊接效率高，容易控制焊接变形，一侧
对另一侧的预热作用，改变焊接温度场，减小凝固速度，减小柱状晶的尺寸，焊接质量好。

[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

[0006] 一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法，具体包括以下步骤：

[0007] 步骤一、坡口设计：在两个待焊试件的焊接部位加工出双侧坡口，将两个待焊试件置于夹具中；

[0008] 步骤二、在双侧坡口处对称布置激光头、送丝嘴和保护气装置，送丝嘴位于激光头上方，保护气装置位于激光头下方，调整激光头与焊接方向之间的角度，调整送丝嘴和焊接
方向之间的角度，调整保护气装置与焊接方向之间的角度，调整焊枪的焊丝尖端与待焊接
试件上的激光光斑的位置；

[0009] 步骤三、打底焊：双侧坡口处的激光头采用摆动的方式激光自熔焊接，设置打底焊参数，启动激光头和保护气，双侧激光同步对双侧坡口的根部进行焊接；

[0010] 步骤四：填充焊：双侧坡口处采用单道多层填充焊接，两侧均通入保护气，设置填充焊参数，启动激光头、送丝嘴，双侧同步进丝，双侧激光同步对双侧坡口填充焊接；

[0011] 步骤五：盖面焊：设置盖面焊参数，启动激光头、送丝嘴，双侧同步进丝，双侧激光同步对双侧坡口盖面焊接，直至完成焊接。

[0012] 进一步的，所述待焊试件的厚度为40mm～150mm。

[0013] 进一步的，所述双侧坡口为带有钝边的双侧对称坡口，每个坡口均为U型结构，坡口的钝边厚度为4mm～20mm，坡口根部宽度为3mm～4.5mm，坡口角度为1°～3°，待焊试件底
部与坡口垂直。

[0014] 进一步的，所述步骤二中，激光头与焊接方向之间夹角为75°～85°，送丝嘴和焊接方向之间夹角为30°‑60°，保护气装置与焊接方向夹角为100°～150°，

[0015] 进一步的，所述步骤三中的打底焊参数为：激光束离焦量为+1mm～+10mm，激光功率为3kW～8kW，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，摆动幅度为1mm～3mm，摆动频率为40Hz
～200Hz，焊接速度为0.3m/min～0.6m/min，保护气为高纯氩气，气流量为10L/min～20L/
min。

[0016] 进一步的，所述步骤四中的填充焊参数为：激光束离焦量为+1mm～+20mm，激光功率为3kW～6kW，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，摆动幅度为1mm～3mm，摆动频率为40Hz
～200Hz，焊丝伸长量为5mm～15mm，送丝速度为1m/min～6m/min，焊接速度为0.3m/min～
0.8m/min。

[0017] 进一步的，所述步骤五中的盖面焊参数为：激光束离焦量为+1mm～+20mm，比步骤四中的激光功率增大200W～400W，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，摆动幅度相比步骤
四中的摆动幅度增大0.2mm～0.6mm，摆动频率为40Hz～200Hz，焊接速度为0.3m/min～
0.8m/min，焊丝伸长量为5mm～15mm，送丝速度相比步骤四中的送丝速度减小1m/min～2m/
min。

[0018] 进一步的，所述步骤四中，填充焊每层的填充厚度控制在1～3mm，填充焊完成后，机械清洗或者激光清洗，用高压空气吹去覆盖在焊缝和坡口内的烟尘以及焊渣。

[0019] 进一步的，保护气装置与待焊表面的高度为15～20mm，保护气装置前端距激光束的距离为10～20mm，保护气装置通入保护气的气流量为10L/min～20L/min。

[0020] 进一步的，所述待焊试件为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金、铜合金或镍基合金，保护气装置内的保护气体为氩气、氮气、氦气或三者以任意比混合。

[0021] 相对于现有技术，本发明所述的一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法具有以下优势：

[0022] 1.本发明是一种厚板双侧摆动激光填丝立焊方法，主要在窄间隙立焊中所需填充金属量少，焊接效率高；

[0023] 2.本发明采用双侧激光焊接方式，在保证焊接接头高质量的前提下，比单侧激光焊接效率高，容易控制焊接应力带来的变形，并且一侧对另一侧的预热作用，改变焊接温度
场，减小凝固速度，减小柱状晶的尺寸。

[0024] 3.本发明采用激光束摆动的方式焊接，相比于常规激光焊接的熔池、羽辉和熔丝能力的稳定性提高，形成匙孔的激光深熔焊接条件下，采用激光束的摆动，有效控制层间未
熔合和侧壁未熔合缺陷，同时对熔池进行搅拌，能够改善焊缝表面成形，能够细化晶粒，提
高焊接接头性能。

附图说明

[0025] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0026] 图1为本发明实施例所述的一种厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊方法的原理示意图；

[0027] 图2为双侧对称坡口结构示意图；

[0028] 图3为双侧非对称坡口结构示意图。

[0029] 附图标记说明：

[0030] 1为送丝嘴一、2为焊接激光束一、3为保护气装置一、4为待焊试件、5为送丝嘴二、6为焊接激光束二、7为保护气装置二，其中，θ1为送丝嘴与焊接方向的夹角、θ2为激光束与焊
接方向的夹角、θ3为保护气装置与焊接方向的夹角。

具体实施方式

[0031] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0032] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

[0033] 实施例1：对厚度为120mm的高强钢板，进行厚板窄间隙双侧摆动激光填丝立焊。

[0034] 步骤一、坡口设计：在两个待焊试板4之间加工出带有钝边的坡口，钝边厚度为5mm，坡口根部宽度为3mm，坡口角度为2°，待焊接试板4底部与坡口垂直，便于装夹固定，将
两个待焊试件置于夹具中，需要进行多处点焊固定，防止打底焊接过程中开裂；

[0035] 步骤二、在双侧坡口处对称布置激光头、送丝嘴和保护气装置，分别为激光头一2、送丝嘴一1、保护气装置3、激光头二6、送丝嘴二5和保护气装置二7，送丝嘴位于相应的激光
头上方，保护气装置位于相应的激光头下方，调整激光头发射的激光束与焊接方向之间夹
角θ2为75°～85°，送丝嘴和焊接方向之间夹角θ1为30°‑60°，保护气装置与焊接方向夹角θ3
为100°～150°，保护气装置与待焊表面的高度为15～20mm，保护气装置前端距激光束的距
离为10～20mm；

[0036] 步骤三、打底焊：双侧坡口处的激光头采用摆动的方式激光自熔焊接，设置打底焊参数，具体为：激光束离焦量为+1mm，激光功率为3kW，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，
摆动幅度为2mm，摆动频率为75Hz，焊接速度为0.4m/min，双侧激光同步对双侧坡口的根部
进行焊接；

[0037] 步骤四：填充焊：双侧坡口处采用单道多层填充焊接，两侧均通入保护气，设置填充焊参数，具体为：激光束离焦量为+20mm，激光功率为3～4kW，激光束摆动轨迹为垂直于焊
接方向，摆动幅度为2～3mm，摆动频率为75Hz，焊丝伸长量为15mm，送丝速度为2m/min，焊接
速度为0.3m/min，启动激光头、送丝嘴，双侧同步进丝，双侧激光同步对双侧坡口填充焊接；
填充焊每层的填充厚度控制在1～3mm，填充焊完成后，机械清洗或者激光清洗，用高压空气
吹去覆盖在焊缝和坡口内的烟尘以及焊渣；(激光功率和摆动不同厚度位置参数不同，具体
的，例如靠近顶部位置焊接时，坡口间隙较大，所以摆动幅度也随之增大，激光功率也略有
增大；

[0038] 步骤五：盖面焊：设置盖面焊参数，激光束离焦量为+20mm，激光功率比步骤四中的激光功率增大400W，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，摆动幅度相比步骤四中的摆动幅
度增大0.6mm，摆动频率为75Hz，焊接速度为0.6m/min，焊丝伸长量为5mm，送丝速度为1m/
min，启动激光头、送丝嘴，双侧同步进丝，双侧激光同步对双侧坡口盖面焊接，直至完成焊
接，焊接完成的厚板的两侧坡口收缩量基本一致；且柱状晶的尺寸小，焊接质量好。

[0039] 以上步骤三‑步骤五中均通过保护气装置通入保护气，且通入保护气的流量为15L/min，保护气装置内的保护气为氩气、氮气、氦气或三者以任意比混合，待焊试件为碳
钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金、铜合金或镍基合金。

[0040] 步骤三至步骤五中双侧同步焊接可以改为一侧激光在前焊接，另外一侧激光在后焊接，两侧激光光斑高度相差20mm的焊接方式。

[0041] 实施例2：对厚度为120mm的高强钢板，进行厚板窄间隙单侧摆动激光填丝立焊，坡口与双侧摆动激光填丝立焊相同，焊接参数设置也相同时，单侧与双侧相比较，单侧焊接后
坡口收缩，需要注意坡口顶部间隙宽度，焊接坡口顶部间隙较大的一侧；而双侧焊接两侧坡
口收缩量基本一致。

[0042] 实施例3、对于一些结构形式特殊的大型结构件，例如厚壁圆环、弧形板等焊接，可采用非对称的坡口形式进行焊接。对厚度为100mm的高强钢板，进行厚板窄间隙双侧摆动激
光填丝立焊。

[0043] 步骤一、坡口设计：在两个待焊试板4之间加工出带有钝边的坡口，钝边厚度为6mm，坡口角度为2°，根部间隙为3mm，一侧厚度为60mm，一侧厚度34mm，待焊试板底部与坡口
垂直，便于装夹固定，将两个待焊试件置于夹具中，需要进行多处点焊固定，防止打底焊接
过程中开裂；

[0044] 步骤二、在双侧坡口处对称布置激光头、送丝嘴和保护气装置，送丝嘴位于相应的激光头上方，保护气装置位于相应的激光头下方，调整激光头发射的激光束与焊接方向之
间夹角为75°～85°，送丝嘴和焊接方向之间夹角为30°‑60°，保护气装置与焊接方向夹角为
100°～150°，保护气装置与待焊表面的高度为15～20mm，保护气装置前端距激光束的距离
为10～20mm；

[0045] 步骤三、打底焊：双侧坡口处的激光头采用摆动的方式激光自熔焊接，设置打底焊参数，具体为：激光束离焦量为+1mm，激光功率为3kW，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，
摆动幅度为2mm，摆动频率为75Hz，焊接速度为0.4m/min；

[0046] 步骤四：填充焊：双侧坡口处采用单道多层填充焊接，两侧均通入保护气，设置填充焊参数，具体为：激光束离焦量为+20mm，激光功率为3～4kW，激光束摆动轨迹为垂直于焊
接方向，摆动幅度为2～3mm，摆动频率为75Hz，焊丝伸长量为15mm，送丝速度为2m/min，焊接
速度为0.3m/min，启动激光头、送丝嘴，双侧同步进丝，双侧激光同步对双侧坡口填充焊接；
激光作用到待焊试件形成焊接熔池，然后焊丝伸入到熔池中，填充焊每层的填充厚度控制
在1～3mm，填充焊完成后，机械清洗或者激光清洗，用高压空气吹去覆盖在焊缝和坡口内的
烟尘以及焊渣；

[0047] 步骤五：盖面焊：设置盖面焊参数，激光束离焦量为+20mm，激光功率比步骤四中的激光功率增大400W，激光束摆动轨迹为垂直于焊接方向，摆动幅度相比步骤四中的摆动幅
度增大0.6mm，摆动频率为75Hz，焊接速度为0.6m/min，焊丝伸长量为5mm，送丝速度为1m/
min，启动激光头、送丝嘴，双侧同步进丝，双侧激光同步对双侧坡口盖面焊接，直至两侧都
完成焊接为止。

[0048] 以上步骤三‑步骤五中均通过保护气装置通入保护气，且通入保护气的流量为10L/min～20L/min。

[0049] 本发明采用窄间隙双侧摆动激光填丝立向上焊接方法，首先，窄间隙焊接需要填充的金属少，提高了焊接效率；其次，采用形成匙孔的深熔焊方式保证层间熔合良好；然后，
激光束摆动能够增大熔宽，改善侧壁熔合情况；同时激光束摆动对熔池有搅拌作用，减少气
孔、改善焊缝成形、细化晶粒等优点；最后，双侧焊接提高了焊接效率，有利于控制焊接应力
带来的变形问题，同时一侧对另一侧有一定的预热作用，改变焊接温度场，减小凝固速度，
减小柱状晶的尺寸，焊接质量好。

[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。