1.本发明涉及
激光焊接方法领域，涉及一种
薄板角焊缝的大
光斑激光热导和电阻热丝复合焊接工艺方法。
背景技术：
2.t型接头是航空航天、船舶海洋、压力容器、石油化工等领域普遍采用的接头形式，如大型航空飞行器的壁板和船体内部大量的框桁结构，这类结构的可靠性很大程度上取决于t型接头角焊缝的焊接质量。而由于t型接头结构的特殊性，其角焊缝在焊接过程中更容易出现气孔、裂纹或局部应力集中等缺陷。激光及其复合热源以其成形精度高，力学性能好，自动化程度高等优势受到广泛的关注，特别在薄板结构件角焊缝的焊接成形上具有其他焊接技术难以比拟的优势。激光热源相比于电弧等热源形式，在焊接过程中具有更高的能量密度，可以实现更为精确的热量输入控制。根据激光功率的不同，激光焊接又可分为热导焊和深熔焊两种模式，激光深熔焊需要很高的激光功率密度，不仅使金属熔化，且使金属汽化形成匙孔，形成的焊缝具有较大的深宽比，适用于中厚板的角焊缝焊接。而激光热导焊的光束能量密度低，工件吸收激光后，依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池，该模式下焊接过程稳定不产生飞溅，形成的焊缝平滑且无气孔缺陷。
3.但是，由于单一激光热源的光斑的直径较小，焊接过程中焊缝区域的温度梯度较大，不仅对工件装配的精度有较高的要求，在实际的角焊缝焊接过程中还容易出现熔覆不均匀和热裂纹等缺陷，难以解决热量输入控制和填充金属熔覆效率之间的矛盾，工艺窗口较为狭窄。激光电弧的复合焊接方法虽然可以一定程度上解决焊接过程中热量输入和熔覆效率之间的矛盾，但是由于电弧热的引入，整体的热量输入上升，导致在焊接薄板等低刚度构件过程中容易出现较大的焊接变形。除此之外，由于电弧焊接过程中会形成等离子体，等离子体对激光有吸收作用，工艺参数协调存在一定的难度。
4.基于上述研究现状，本发明针对薄板角焊缝接头形式，提出了一种大光斑激光热导与电阻热丝复合焊接方法。该方法将电阻热丝和激光热导焊接进行复合，通过可调整角度的夹具调整激光头和后置送丝嘴之间的角度和距离，以保证填充
焊丝可以到达激光光斑中心。后置送丝嘴的末端与直流tig焊机相连，为填充焊丝提供热丝电流，降低了角焊缝焊接过程中激光热源熔化焊丝所需的能量，保证大部分热量用于熔化母材形成稳定的熔池。通过调整激光器的焦点和功率，保持激光器的输出为大光斑热导焊接，通过与电阻热丝技术结合，在保证焊丝整体熔覆效率的情况下，通过大光斑的方式进一步优化了对于母材的热量输入，使得t型接头的腹板侧壁受到的热量输入更为均匀，解决了薄板角焊缝焊接过程中容易出现的熔穿或侧壁未熔合问题。
技术实现要素：
5.本发明提出的一种针对薄板角焊缝的大光斑激光热导与电阻热丝复合焊接方法，一方面解决了单一激光热源焊接角焊缝时容易出现的熔覆效果不佳、侧壁结构难以充分熔
合等问题；另一方面降低了薄板角焊缝焊接过程中的热输入，提升焊接热量的可控性及焊接的效率，减小了薄板角焊缝的焊接变形，改善了薄板角焊缝接头的力学性能。
6.本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
7.步骤1：对待焊接的薄板进行表面油污清理，氧化层消除前处理，将待焊接的薄板t型接头进行点固并使用夹具固定在焊接行走平台上；
8.步骤2：使用夹具将激光头和后置送丝嘴进行固定，分别调节激光器和后置送丝嘴位置，使得激光束轴线和待焊立板之间的角度在设定范围内且激光束轴线和焊丝轴线之间的夹角也在设定范围，保证焊丝准确的送入激光光斑的中心并控制焊丝的伸出长度在10～30mm的设定范围；
9.步骤3：调节激光束作用于被焊工件上的激光光斑尺寸至设定范围，并对光斑的位置进行微调使得激光光斑中心位置在待焊立板侧，控制激光光斑立板侧面积占光斑总面积的55％～65％；
10.步骤4：开始焊接前，打开保护气体喷嘴并调节保护气体流量至设定的范围，调节激光功率至热导焊接最低功率，维持2～3s，待角焊缝区域被充分预热并初步形成焊接熔池后，开启直流tig焊接电源；
11.步骤5：通过计算机总控模块对激光功率、热丝电流、送丝速度和焊接速度进行统一调控，改变焊丝端头的熔滴过渡状态，增大熔滴过渡的频率，提高熔滴过渡填充的均匀性；同时利用激光热源精确可控的特性，在保证薄板角焊缝充分熔透的前提下，减小对于母材的热量输入，增加焊接熔池在角焊缝区域的熔化面积，防止因过高的热量输入导致较大的焊接变形或因过低的热量输入导致侧壁未充分熔合；
12.步骤6：当激光束走到角焊缝终点时，关闭送丝机构、直流tig焊机，激光器和行走机构，再通保护气5～10s防止焊缝金属被氧化。
13.本发明还包括这样一些结构特征：
14.1.步骤2中：激光束轴线与待焊立板之间倾斜角度的设定范围为30
°
～60
°
，激光束轴线与焊丝轴线之间夹角的设定范围为30
°
～60
°
。
15.2.步骤3中：激光光斑尺寸设定为2～4mm。
16.3.步骤4中：保护气体流量的设定范围为10l/min～20l/min。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明设计了一种针对薄板角焊缝的大光斑激光热导和电阻热丝复合焊接工艺，通过引入电阻热丝的方式一方面提高了焊丝的熔覆效率和焊丝填充时的均匀性，改善了焊缝的成形，另一方面电阻热丝和大光斑激光的结合有效的降低了激光热源熔化焊丝所需的热量，使得激光热源的热量可以主要用于熔化母材形成熔池，降低了对于薄板焊接过程中激光热源的功率需求；
18.(2)采用低功率大光斑激光作为热源，在保证薄板角焊缝熔深的前提下，有效的提高了激光焊接角焊缝过程中热源的覆盖面积和热量输入的均匀性，使角焊缝立板处的侧壁能够充分熔合，改善焊接接头性能，减小了焊接过程中因为热量输入造成的焊接变形，增大了焊接工艺方法的实用性和应用范围，且采用激光热导的方式进行焊接，避免了气孔与未熔合等缺陷，提升了焊缝接头的致密性。与激光填丝焊接相比，焊缝的深宽比降低15％，熔覆效率提高30％，焊接变形减小10％。
19.(3)通过计算机总控模块对焊接过程中的热丝电流、送丝速度、激光功率和焊接速
度进行控制，对焊丝和母材间的热量进行了合理的分配，且该焊接装置与方法的成形热源本质上是对激光填丝焊接的高效化改进而成，装备灵活性强，工艺调控便捷，是一种经济、高效的薄板角焊缝焊接方法。
附图说明
20.图1：大光斑角焊缝激光热丝焊接方法及光斑位置示意图；
21.图2：焊接角度示意图；
22.图3：通过实施得到的焊缝表面成形；
23.图中各个附图标记的含义：1、激光束；2、待焊立板；3、待焊底板；4、焊接熔池；5、角焊缝；6、后置送丝嘴；7、焊丝；8、激光光斑；9、保护气体喷嘴；α、后置焊丝入射角；β、激光束偏离角。
具体实施方式
24.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
25.本发明涉及一种薄板角焊缝的大光斑激光热导与电阻热丝复合焊接装置与工艺方法，主要由直流tig焊接电源、送丝机构、激光器、计算机总控模块等部分组成。首先利用夹具将激光头与后置送丝嘴固定，根据焊丝种类的不同和空间可达性的要求调节焊丝轴线和激光光斑入射方向之间的夹角在30
°
～60
°
的设定范围内，保证焊丝可以送达激光光斑的中心并控制焊丝伸出长度在10～30mm的设定范围之内。后置送丝嘴沿焊接方向布置在激光热源之后，使得焊丝在进入激光热源的熔池之前可以受到大光斑激光和电流热丝的复合作用，并在激光热源形成稳定熔池后进行金属填充。送丝机构后置送丝嘴通过线缆与直流tig焊接电源相连，通过调整热丝电流实现对焊丝熔覆状态的控制，热丝电流设定范围为0～70a。调节激光器的功率密度为105w/cm2～106w/cm2，激光功率为2000w～6000w，作用于角焊缝的激光光斑尺寸为2～4mm，控制焊接过程为激光热导焊的形式，降低对于薄板角焊缝的热量输入，有利于减少因热量输入和大温度梯度导致的焊接变形。焊接开始前调整复合焊接装置与待焊立板面的倾斜角度在30
°
～60
°
，焊接过程中，通过计算机总控模块对直流tig焊机的热丝电流、送丝机构的送丝速度和激光器的相关参数进行总控调整，在保证角焊缝熔深的前提下，实现低激光功率、高熔覆效率的结合。
26.下面结合附图和实施例对本发明涉及的一种薄板角焊缝的大光斑激光热导与电阻热丝复合焊接工艺方法具体实施步骤如下：
27.步骤1：对待焊接的薄板进行表面油污清理，氧化层消除等前处理，将待焊接的薄板t型接头进行点固并使用夹具固定在焊接行走平台上。薄板的厚度在1～4mm。
28.步骤2：使用夹具将激光头和后置送丝嘴6进行固定，分别调节激光器和后置送丝嘴6位置，使得激光束1轴线和待焊立板2之间的角度在设定范围内且激光束1轴线和焊丝7轴线之间的夹角也在设定范围，保证焊丝7可以准确的送入激光光斑8的中心并控制焊丝7的伸出长度在10～30mm的设定范围。激光束1轴线与待焊立板2之间倾斜角度的设定范围为30
°
～60
°
，激光束1轴线与焊丝7轴线之间夹角的设定范围为30
°
～60
°
。
29.步骤3：调节激光束1作用于被焊工件上的激光光斑8尺寸至设定范围，激光光斑8尺寸设定为2～4mm，并对光斑的位置进行微调使得激光光斑8中心位置在待焊立板2侧，控
制激光光斑8立板侧面积占光斑总面积的55％～65％，保证实际焊接过程中侧板可以被充分熔合。
30.步骤4：开始焊接前，打开保护气体喷嘴9并调节保护气体流量至设定的范围，调节激光功率至热导焊接最低功率，维持2～3s，待角焊缝5区域被充分预热并初步形成焊接熔池4后，开启直流tig焊接电源。保护气体流量的设定范围为10l/min～20l/min。
31.步骤5：通过计算机总控模块对激光功率、热丝电流、送丝速度和焊接速度进行统一调控，改变焊丝端头的熔滴过渡状态，增大熔滴过渡的频率，提高熔滴过渡填充的均匀性。同时利用激光热源精确可控的特性，在保证薄板角焊缝5充分熔透的前提下，减小对于母材3的热量输入，增加焊接熔池4在角焊缝5区域的熔化面积，防止因过高的热量输入导致较大的焊接变形或因过低的热量输入导致侧壁未充分熔合。
32.步骤6：当激光束走到角焊缝5终点时，关闭送丝机构、直流tig焊机，激光器和行走机构，再通保护气5～10s防止焊缝金属被氧化。
33.具体实施例中选用待焊试件为立板2mm、底板3mm的6061铝合金，直径为1.2mm的er4043焊丝，激光器为额定功率6kw的光纤激光器，通过正离焦(激光束焦点在待焊试件上方)获得大光斑；直流tig焊机采用直流正接，等速送丝，焊丝伸出长度为15mm，保护气体选用纯度为99.99％的氩气。激光束1与待焊待焊立板夹角30
°
，激光束1轴线与焊丝7轴线之间夹角50
°
，激光光斑8中心打在待焊立板2上，面积占总光斑面积的60％。
34.具体实施例使用的焊接参数如表1所示：
35.表1薄板角焊缝大光斑激光热导和旁路热丝复合焊接工艺参数
[0036][0037]
在薄板角焊缝大光斑激光热导和电阻热丝复合焊接过程中，在不添加热丝电流的情况下，激光光斑8无法实现角焊缝均匀、高质量的焊接填充与较小的母材热输入共存，热丝电流的添加对焊丝7的熔化过渡状态具有显著的优化作用，对激光束1的功率要求具有显著的弱化作用。
[0038]
完成焊接试验后，所得到的焊缝如附图3所示，焊缝成形优良，对焊缝进行金相及探伤检测，在焊缝处未发现气孔、夹杂及裂纹等缺陷，试件未发生明显变形，对焊缝进行力学性能试验，接头处的抗拉强度符合生产需求。
技术特征：
1.一种薄板角焊缝的大光斑激光和电阻热丝复合焊接方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：对待焊接的薄板进行表面油污清理，氧化层消除前处理，将待焊接的薄板t型接头进行点固并使用夹具固定在焊接行走平台上；步骤2：使用夹具将激光头和后置送丝嘴进行固定，分别调节激光器和后置送丝嘴位置，使得激光束轴线和待焊立板之间的角度在设定范围内且激光束轴线和焊丝轴线之间的夹角也在设定范围，保证焊丝准确的送入激光光斑的中心并控制焊丝的伸出长度在10～30mm的设定范围；步骤3：调节激光束作用于被焊工件上的激光光斑尺寸至设定范围，并对光斑的位置进行微调使得激光光斑中心位置在待焊立板侧，控制激光光斑立板侧面积占光斑总面积的55％～65％；步骤4：开始焊接前，打开保护气体喷嘴并调节保护气体流量至设定的范围，调节激光功率至热导焊接最低功率，维持2～3s，待角焊缝区域被充分预热并初步形成焊接熔池后，开启直流tig焊接电源；步骤5：通过计算机总控模块对激光功率、热丝电流、送丝速度和焊接速度进行统一调控，改变焊丝端头的熔滴过渡状态，增大熔滴过渡的频率，提高熔滴过渡填充的均匀性；同时利用激光热源精确可控的特性，在保证薄板角焊缝充分熔透的前提下，减小对于母材的热量输入，增加焊接熔池在角焊缝区域的熔化面积，防止因过高的热量输入导致较大的焊接变形或因过低的热量输入导致侧壁未充分熔合；步骤6：当激光束走到角焊缝终点时，关闭送丝机构、直流tig焊机，激光器和行走机构，再通保护气5～10s防止焊缝金属被氧化。2.根据权利要求1所述的一种薄板角焊缝的大光斑激光和电阻热丝复合焊接方法，其特征在于，步骤2中：激光束轴线与待焊立板之间倾斜角度的设定范围为30
°
～60
°
，激光束轴线与焊丝轴线之间夹角的设定范围为30
°
～60
°
。3.根据权利要求1所述的一种薄板角焊缝的大光斑激光和电阻热丝复合焊接方法，其特征在于，步骤3中：激光光斑尺寸设定为2～4mm。4.根据权利要求1所述的一种薄板角焊缝的大光斑激光和电阻热丝复合焊接方法，其特征在于，步骤4中：保护气体流量的设定范围为10l/min～20l/min。
技术总结
本发明提供一种薄板角焊缝的大光斑激光和电阻热丝复合焊接方法，焊接开始前调整复合焊接装置与待焊立板面的倾斜角度在30
技术研发人员：
苗玉刚 王清龙 李春旺 赵羽扬 吴一凡 张本顺
受保护的技术使用者：
哈尔滨工程大学
技术研发日：
2022.09.27
技术公布日：
2022/11/25
