一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法技术

一种多束流辅助的激光‑电弧复合焊接方法，它涉及材料加工工程领域，本发明专利技术的目的是为了解决高氮钢等材料在激光‑电弧复合热源焊接过程中，存在高强度电磁场在焊接中的应用受到限制，以及焊接中需要另外补充合金元素及在送粉条件下的电弧偏移的问题，本发明专利技术以焊丝/钨极为轴线，在焊枪喷嘴上附加多个送粉管路，并使其轴线对准焊丝端头/钨极尖端附近，沿垂直于焊丝/钨极轴线方向可调节，以焊丝/钨极为轴线，在焊枪喷嘴上附加多个送粉管路，并使其轴线对准焊丝端头/钨极尖端附近，沿垂直于焊丝/钨极轴线方向可调节。本发明专利技术应用于焊接领域。

A multi beam assisted laser arc hybrid welding method

【技术实现步骤摘要】
一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法
本专利技术涉及材料加工工程领域，具体涉及一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法。
技术介绍
高氮钢具有强度、良好的冲击韧性以及耐腐蚀性，并且氮替代镍带来了生产经济性和良好的生物相容，在防弹装甲、运输管道和医疗器械等领域应用前景广阔。但由于高氮钢的自身特点，其焊接性较差，存在固溶氮损失、气孔缺陷显著以及氮化物析出等问题。目前普遍采用混合氮气保护的方式来防止氮溢出，但并没有更为有效的固氮及增氮方法，且氮气加入会导致焊缝出现其他缺陷或焊接过程变得不稳定。激光-电弧复合热源焊接由于具有对焊缝装配适应性好、焊接一致性和稳定性好等明显优点，近年来在德国、日本等发达国家已先后进入了工业化应用阶段，电弧热源的加入有助于形成熔池，极大地增强桥接能力，避免激光反射，同时减缓冷却速度。但由于电弧的不稳定性，包括对接间隙和坡口、对中不一致、阴极斑点漂移导致其燃烧过程中不断摆动。这种摆动可能不会影响电弧焊焊缝宏观成形，但在其焊接过程中可能容易导致更多的缺陷，如电弧对熔池冲击导致的熔池起伏，宏观上表现为鱼鳞纹粗大，间隔较远，而微观上表现为焊缝内微气孔及偏析等，另外在与激光复合的过程中，不管是激光引导电弧还是电弧引导激光进行焊接，都有可能由于熔池波动导致激光匙孔不稳定，而使得焊缝内部出现较大的工艺气孔，背面成形也可能不均匀，甚至导致未融合、未焊透等缺陷。目前，许多学者致力于使用电磁力控制电弧，并同时对熔池进行规律的搅拌。专利CN201320793276.0提出了一种新型的双电弧旋转电磁式SAW焊焊枪，主要用于使用电磁场控制电弧进行规律的旋转摆动，从而避免侧壁未融合等问题。德国学者在相关论文中(Hybridlaser-arcweldingofthick-walledferromagneticsteelswithelectromagneticweldpoolsupport)讨论了电磁场对电弧漂移的影响，随着电磁场加强，电弧逐渐趋于稳定，其方向性更明显，漂移范围被约束。然而，由于成本、设备制造、对其他设备及人体危害等原因，高强度电磁场在焊接中的应用受到限制，同时并不能解决高氮钢等材料需要另外补充合金元素及在送粉条件下的电弧偏移问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决高氮钢等材料在激光-电弧复合热源焊接过程中，存在高强度电磁场在焊接中的应用受到限制，以及焊接中需要另外补充合金元素及在送粉条件下的电弧偏移的问题，而提供一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法，用以提高电弧稳定性、对焊缝进行合金化处理。本专利技术的一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件加工坡口或直接进行表面熔覆，对加工后的坡口或表面进行打磨和清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；步骤二:利用夹具将激光头与电弧焊枪刚性固定，焊枪轴线与母材夹角为30～50°，使用夹具将送粉管固定于焊枪喷嘴周围，送粉管个数为3～6个，轴线对准电弧，送粉器预置100g所需合金粉末；步骤三:设置焊接工艺参数:离焦量为﹣2～﹢5mm，激光功率为500～5000W，电弧电流为50～250A，弧长修正系数为-30％～+30％，光丝间距为1～5mm，焊接速度为0.6～5m/min，焊枪保护气、送粉气及背保护气均采用纯氩气、纯氮气或二者混合气，焊枪保护气流量为15～35L/min，送粉气流量为每个管2～5L/min，背保护气流量为5～10L/min，送粉速度为5～10r/min；步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先输入送粉气，然后激光器控制发出激光、电弧起弧焊接，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。本专利技术在常规激光电弧复合焊接的基础上，以焊丝/钨极为轴线，在焊枪喷嘴上附加多个(3-6个)送粉管路，并使其轴线对准焊丝端头/钨极尖端附近，沿垂直于焊丝/钨极轴线方向可调节，如图1所示。送粉管路为不锈钢管，内径2-5mm，端口可增加锥形管以使粉末束流汇聚，也可自然发散以扩大粉末覆盖面积。送粉管安装位置可为喷嘴周围任意位置，且各管送粉可由一台或多台送粉机控制，图2为三束流对称获得的粉末覆盖范围及焊接过程图像，说明多束流送粉可覆盖大部分熔池。本专利技术相比于常规的激光-电弧复合焊来说，主要有以下几点优势：1、利用多束流气体的气流力控制电弧方向，并起到一定的冷却压缩电弧作用，使其不产生左右摇摆等现象，电弧方向可由气流个数、方向和气流量等控制，保证焊接过程稳定性。2、通过向熔池内部投放粉末，达到粉末合金化的目的，不仅可以用于高氮钢等材料的焊接，也可以用于表面强化，如熔覆、熔注等应用。3、使用多束流粉末可以覆盖大部分熔池或整个熔池，以增大送粉量，并且防止由于粉末范围过小导致的成分偏析，另外可使用不同粉末分别送入不同位置以达到更好的合金化效果。4、对于高氮钢焊接而言，由于要抑制氮溢出而使用氮气作为保护气，但氮弧焊十分不稳定，电弧冲击力和热输入较大，不利于稳定熔池和细化组织，使用多束流气体采用氩气或氩气/氮气混合保护气对电弧中心进行保护，可实现外部高氮环境下的稳定焊接，此时电弧附近主要保护气为氩气，有利于电弧稳定，而外部熔池保护主要为氮气，可抑制氮溢出。附图说明图1为多束流辅助的激光-电弧复合焊接装置示意图；其中，a为侧视图，b为正视图；图2为三束流辅助的激光-电弧复合焊接粉末分布及焊接过程图；图3为实施例1的方法焊接的焊缝正面成形图；其中，a为氩气保护焊缝正面图，b为氮气保护焊缝正面图；图4为实施例1的方法焊接的焊缝X光检测结果图；其中，a为氩气保护焊缝图，b为氮气保护焊缝图；图5为实施例2方法焊接的焊缝正面成形图；其中，a为氩气保护焊缝正面图，b为氮气保护焊缝正面图；图6为实施例2的方法焊接的焊缝X光检测结果图；其中，a为氩气保护焊缝图，b为氮气保护焊缝图；图7为实施例1方法的焊接的焊接过程图像；图8为实施例2方法的焊接的焊接过程图像；图9为焊接过程U-I曲线图；其中，a为实施例1方法氩气保护下焊接过程U-I曲线图，b为实施例2方法氩气保护下焊接过程U-I曲线图，c为实施例1方法氮气保护下焊接过程U-I曲线图，d为实施例2方法氮气保护下焊接过程U-I曲线图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件加工坡口或直接进行表面熔覆，对加工后的坡口或表面进行打磨和清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；步骤二:利用夹具将激光头与电弧焊枪刚性固定，焊枪轴线与母材夹角为30～50°，使用夹具将送粉管固定于焊枪喷嘴周围，送粉管个数为3～6个，轴线对准电弧，可在送粉管前端添加锥形管收束气流，每个送粉器预置100g所需合金粉末；步骤三:设置焊接工艺参数:离焦量为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：/n步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件加工坡口或直接进行表面熔覆，对加工后的坡口或熔覆后的表面进行打磨和清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；/n步骤二:利用夹具将激光头与电弧焊枪刚性固定，焊枪轴线与母材夹角为30～50°，使用夹具将送粉管固定于焊枪喷嘴周围，送粉管个数为3～6个，轴线对准电弧，送粉器预置100g所需合金粉末；/n步骤三:设置焊接工艺参数:/n离焦量为﹣2～﹢5mm，激光功率为500～5000W，电弧电流为50～250A，弧长修正系数为-30％～+30％，光丝间距为1～5mm，焊接速度为0.6～5m/min，焊枪保护气、送粉气及背保护气均采用纯氩气、纯氮气或二者混合气，焊枪保护气流量为15～35L/min，送粉气流量为每个管2～5L/min，背保护气流量为5～10L/min，送粉速度为5～10r/min；/n步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先输入送粉气，然后激光器控制发出激光、电弧起弧焊接，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。/n

【技术特征摘要】
1.一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件加工坡口或直接进行表面熔覆，对加工后的坡口或熔覆后的表面进行打磨和清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二:利用夹具将激光头与电弧焊枪刚性固定，焊枪轴线与母材夹角为30～50°，使用夹具将送粉管固定于焊枪喷嘴周围，送粉管个数为3～6个，轴线对准电弧，送粉器预置100g所需合金粉末；
步骤三:设置焊接工艺参数:
离焦量为﹣2～﹢5mm，激光功率为500～5000W，电弧电流为50～250A，弧长修正系数为-30％～+30％，光丝间距为1～5mm，焊接速度为0.6～5m/min，焊枪保护气、送粉气及背保护气均采用纯氩气、纯氮气或二者混合气，焊枪保护气流量为15～35L/min，送粉气流量为每个管2～5L/min，背保护气流量为5～10L/min，送粉速度为5～10r/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先输入送粉气，然后激光器控制发出激光、电弧起弧焊接，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。


2.根据权利要求1所述的一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于加工坡口是指将待焊接部位加工成v型坡口、I型坡口或Y型坡口。


3.根据权利要求1所述的一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。


4.根据权利要求1所述的一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于焊机为福尼斯TIG或MIG/CMT焊机。


5.根据权利要求1所述的一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于送粉器为一台或多台刮吸式送粉器。


6.根据权利要求1所述的一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷正龙，黎炳蔚，吴世博，陈彦宾，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23