一种基于激光焊接的单面焊双面成型焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接工艺技术领域，具体为一种基于激光焊接的单面焊双面成型焊接方法。

背景技术

在自动化对接焊实施过程中，常常出现由于焊缝坡口不统一(加工尺寸偏差、组对偏差等)、焊接过程中工件初始温度及焊接过程中温升不同、焊接环境变化等因素造成自动焊焊接质量不稳定的问题，尤其是对接焊缝第一道焊接时要求单面焊双面成型的焊缝，很难实现质量稳定的自动化焊接。

目前，通常采用的焊接方式包括：电弧焊和传统的激光焊。然而，当采用电弧焊时，焊接参数较小时由于焊接熔深较浅，不容易焊透；而当焊接参数较大时又会因为熔池尺寸过大，焊缝金属表面张力不够造成焊缝焊穿。并且随着焊接的进行工件温度快速上升，导致相同的焊接参数熔池尺寸快速变化。由于合适的工艺窗口比较窄甚至在焊接过程中如不改变焊接参数就不能够焊出合格的焊缝，但在焊接过程中自动调节焊接参数目前又缺少合适的传感器对熔池进行有效的监控。若采用传统的激光焊，由于光斑较小(传统激光焊光斑直径一般在0.1mm～0.4mm之间)，焊接后焊缝内部容易出现气孔等缺陷；同时对焊接坡口的要求极其严格，在工程应用中条件比较苛刻，适合应用的场景很少。因此，目前在采用激光焊接时，为了解决这一问题工程上往往采用手工打底，自动焊盖面的形式进行焊接，无法在保证焊接质量的同时实现完全的焊接自动化，这不仅会造成焊接效率降低，耗时长，耗费大量人力物力，同时也致使焊接自动化设备的使用效率大大折扣。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光焊接的单面焊双面成型焊接方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明在焊接时能够实现自动化调节，保证焊接接头的全焊透效果，不存在焊穿现象，同时提升焊接效率和焊接自动化设备的使用效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于激光焊接的单面焊双面成型焊接方法，包括如下步骤：

加工焊接坡口；

采用激光焊接进行焊接，并通过激光线扫描仪实时监测焊缝间隙数据；

根据焊缝间隙数据自动调节透镜到焊缝的距离，使光斑直径范围在0.1mm～6mm，并进行送丝或送粉，直至焊缝成型满足焊接要求；

其中，透镜到焊缝的距离的关系式为：

H＝D×K3+h

式中，H为透镜到焊缝的距离；D为光斑直径；K3为比例系数，由透镜相关参数确定；h为透镜到焊缝的初始距离，根据现场焊接条件设定。

进一步地，所述焊接坡口采用带有2mm～5mm钝边的U型坡口、V型坡口或X型坡口。

进一步地，所述加工焊接坡口后，还包括清理待焊接坡口、待焊区及周围区域。

进一步地，所述焊缝间隙的计算表达式为：

W＝w+L×sinα

式中，W为焊缝间隙；w为焊缝间最小距离；L为焊缝底部钝边厚度；α为坡口角度。

进一步地，所述光斑直径与焊缝间隙的关系表达式为：

D＝W+K1/P+K2

式中，D为光斑直径；W为焊缝间隙；K1为激光焊接热传导影响系数；P为激光功率，K2为激光深熔焊影响系数。

进一步地，所述送丝或送粉包括将送丝/送粉装置设置在焊接熔池的斜上方进行送丝或送粉。

进一步地，所述送丝或送粉的速度与焊缝宽度的关系表达式为：

V＝W×K4+v

式中，V为送丝/送粉装置的送丝/送粉速度；W为焊缝间隙；K4为比例系数，由焊接速度和焊缝厚度参数确定；v为基本送丝速度，由焊接速度和焊缝厚度参数确定。

进一步地，所述根据焊缝间隙数据自动调节透镜到焊缝的距离中，采用独立的高度调节装置调节透镜到焊缝的距离。

进一步地，所述采用激光焊接进行焊接中，采用光纤激光器进行焊接，其中，光纤激光器的功率范围为0.5KW～10KW。

进一步地，所述采用激光焊接进行焊接中，焊接熔池的熔池直径范围控制在1mm～10mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明设计了一种基于激光焊接的单面焊双面成型焊接方法，利用激光焊兼具大熔深及热传导双重特性，基于激光穿透焊+热传导焊接的焊接溶透原理，其焊缝穿透能力远大于电弧，且可控性比较高，熔深可以精确控制在一定范围内0.5mm～10mm，大大提升焊接效率和焊接精度。本发明在焊接时根据焊缝坡口特点进行自动调节，在大熔深及热传导两个特点间分别赋予不同权值，根据实时监测焊缝间隙的大小并设定自动控制调节透镜到焊缝的距离，从而实现对激光光斑大小的控制，使激光焊接的光斑直径尺寸控制在0.1mm～6mm，相比于传统的0.1mm～0.4mm，由于激光光斑变大，致使光斑中心最高温度快速下降，使得焊接过程中蒸发金属量大大降低，焊缝金属及组织比较容易与母材接近或一致；同时由于金属挥发量减少，致使焊接时烟尘量也大大减少，解决了由于烟尘反射造成焊缝金属吸收激光量减少的问题。由于本发明中的激光光斑大小通过自动控制透镜高度进行调节，可控性比电弧更稳定，从而致使焊缝成型的稳定性显著增加。因此，本发明在焊接时实现了自动化调节，保证焊接接头的全焊透效果，不存在焊穿现象，同时提升焊接效率和焊接自动化设备的使用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为激光填丝焊接基本组成示意图；

图2为焊接坡口形状及与激光束相对位置示意图；

图3为激光焊焊接过程中焊缝间隙及坡口钝边较小时穿透焊与热传导焊相对组成及布局示意图；

图4为焊缝间隙及坡口钝边较大时激光光斑大小示意图；

图5为激光焊焊接过程中焊缝间隙及坡口钝边较大时穿透焊与热传导焊相对组成及布局示意图；

图6为实施例试板加工尺寸图；

图7为焊缝无间隙焊接后照片，其中(a)为焊接前焊接试板组对照片，(b)为试板焊接后背面照片，(c)为试板焊接后正面照片；

图8为焊缝间隙不均匀焊接后照片，其中(a)为焊接前焊接试板组对照片，(b)为试板焊接后背面照片，(c)为试板焊接后正面照片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明提供一种基于激光焊接的单面焊双面成型焊接方法，如图1-图5所示，包括如下步骤：

加工焊接坡口；

采用激光焊接进行焊接，并通过激光线扫描仪实时监测焊缝间隙数据；

根据焊缝间隙数据自动调节透镜到焊缝的距离，使光斑直径范围在0.1mm～6mm，并进行送丝或送粉，直至焊缝成型满足焊接要求；

其中，透镜到焊缝的距离的关系式为：

H＝D×K3+h

H：透镜到焊缝的距离；D：光斑直径；K3：比例系数(由激光焊接头透镜焦距、透镜直径等参数确定)；h：透镜到焊缝的原始距离(根据现场焊接条件确定)。

本发明设计了一种基于激光焊接的单面焊双面成型焊接方法，利用激光焊兼具大熔深及热传导双重特性，基于激光穿透焊+热传导焊接的焊接溶透原理，其焊缝穿透能力远大于电弧，且可控性比较高，熔深可以精确控制在一定范围内0.5mm～10mm，大大提升焊接效率和焊接精度。本发明在焊接时根据焊缝坡口特点进行自动调节，在大熔深及热传导两个特点间分别赋予不同权值，根据实时监测焊缝间隙的大小并设定自动控制调节透镜到焊缝的距离，从而实现对激光光斑大小的控制，使激光焊接的光斑直径尺寸控制在0.1mm～6mm，相比于传统的0.1mm～0.4mm，由于激光光斑变大，致使光斑中心最高温度快速下降，使得焊接过程中蒸发金属量大大降低，焊缝金属及组织比较容易与母材接近或一致；同时由于金属挥发量减少，致使焊接时烟尘量大大减少，解决了由于烟尘反射造成焊缝金属吸收激光量减少的问题。由于本发明中的激光光斑大小通过自动控制透镜高度进行调节，可控性比电弧更稳定，从而致使焊缝成型的稳定性显著增加。因此，本发明在焊接时实现了自动化调节，保证焊接接头的全焊透效果，不存在焊穿现象，同时提升焊接效率和焊接自动化设备的使用效率。

进一步地，本发明所述的焊接方法中，由于采用激光焊接可以实现非接触及远距离焊接，能够使大厚板窄间隙焊接变得更为方便。

优选地，所述焊接坡口采用带有2mm～5mm钝边的U型坡口、V型坡口或X型坡口。本发明所述的焊接方法，为了保证焊接质量及减少焊缝金属填入量，对接焊缝坡口采用带有2mm～5mm钝边的窄间隙U型、V型或X型坡口。此坡口优势如下：

a、坡口加工工作量小；

b、焊接由于有较厚的钝边对焊缝坡口尺寸的精度要求大大降低；

c、由于焊缝坡口角度较小，焊接变形相应就会减小，有利于焊接结构尺寸控制及减小焊接残余应力。

进一步地，所述加工焊接坡口后，还包括清理待焊接坡口、待焊区及周围区域。本发明中，清理区域时，其范围至少应不小于坡口边缘的15mm，清理去除待焊接区域和附近区域的杂物、氧化膜、有机物杂质等可减少焊接中夹杂、气孔等缺陷的产生，保证焊接质量。

具体地，本发明所述的焊接方法中，在激光器的激光焊接头上配备有激光线扫描仪，通过激光线扫描仪数据点云确定焊缝间隙的大小，此处的焊缝间隙既不是焊接坡口上边缘间的距离，也不是焊缝间最小距离，而是焊缝间最小距离以及焊缝底部钝边厚度的综合考虑下计算获取的焊缝间隙。

所述焊缝间隙的计算表达式为：

焊缝间隙W(mm)＝焊缝间最小距离w+焊缝底部钝边厚度L×sinα(坡口角度)

具体地，本发明所述的焊接方法中，通过实时监测焊缝底部间隙数据，根据焊缝间隙的大小来调节透镜到焊缝的距离来实现控制焊接光斑大小的目的。由于本发明中的激光光斑大小可以通过控制透镜高度进行调节，可控性比电弧更稳定，从而致使焊缝成形稳定性增加。同时由于激光光斑相较于传统的激光焊接法大，致使光斑中心最高温度快速下降，使得焊接过程中蒸发金属量大大降低，焊缝金属及组织比较容易与母材接近或一致；同时由于金属挥发量减少，致使焊接时烟尘量也大大减少，解决了由于烟尘反射造成焊缝金属吸收激光量减少的问题。

进一步地，由于激光光斑中心比电弧温度高，对工件的初始温度要求不高，不同的焊接工件温升速度对焊缝成型影响很小，因此本发明所述的焊接方法比传统方法适用范围更广，焊接工艺要求更低更易实现。

所述光斑直径与焊缝间隙的关系表达式为：

光斑直径D(mm)＝焊缝间隙W(mm)+激光焊接热传导影响系数K1/激光功率P(kw)+K2(激光深熔焊影响系数)。

且K1+K2＝1。

进一步地，所述送丝或送粉包括将送丝/送粉装置设置在焊接熔池的斜上方进行送丝或送粉。本发明所述的焊接方法中，为了避免焊缝间隙过大造成焊缝无法连续成型，在焊接熔池斜上方进行送丝或送粉，以增加熔池的饱满度，保证焊缝成型满足焊接要求。

具体地，所述送丝或送粉的速度与焊缝宽度的关系表达式为：

V＝W×K4+v

V：送丝机送丝速度；W：检测的焊缝间隙；K4：比例系数(由焊接速度、焊缝厚度等参数确定)；v：基本送丝速度(由焊接速度、焊缝厚度等参数确定)。

具体地，本发明所述根据焊缝间隙数据自动调节透镜到焊缝的距离中，采用独立的高度调节装置调节透镜到焊缝的距离。为了保证送丝/送粉及气体保护的效果，在调节透镜到焊缝的距离时不能改变焊接保护装置及送丝/送粉装置到焊缝的距离，因此需要独立设置一个专门的高度调节装置用以单独调节透镜的高低。

进一步地，所述采用激光焊接进行焊接中，采用光纤激光器进行焊接，其中，光纤激光器的功率范围为0.5KW～10KW。本发明所述的焊接方法中，调整激光器至合适光斑的功率范围致使激光扫描工件时不至于融化，达到预热工件及焊缝焊后缓冷的目的，防止材料焊接性较差时出现冷裂纹的情况。

优选地，所述采用激光焊接进行焊接中，焊接熔池的熔池直径范围控制在1mm～10mm。本发明所述的焊接方法中，熔池宽度介于传统电弧与激光焊接之间，由于焊缝的宽深比远大于传统激光，使得焊缝成型稳定性增加，避免传统激光焊缝内侧容易出现气孔的缺点。

实施例

焊接试板加工尺寸如图6所示：焊接试板厚度9mm，钝边厚度4mm，坡口宽度为4mm，采用U型坡口进行焊接。

基础焊接参数：

激光焊接功率：3KW；

焊接速度：打底焊：1.5m/min，填充焊：0.5m/min；

送丝速度：打底焊：0.5m/min，填充焊：2.5m/min；

激光光斑：打底焊：0.4mm，填充焊：2mm。

实施例进行了两组试板的焊接验证工作，其中图7所示为组对后无间隙试板的焊接效果照片；图8所示为组对后有间隙试板的焊接效果照片。从照片看，两组不同间隙的焊接试板初始采用同一种焊接参数，在焊接过程中通过采集试板间隙数据后根据各关系式进行各参数的相应调整后的焊接效果都达到了焊缝底部溶透均匀、连续，焊缝正面成型饱满，满足正常焊接质量要求。

上述实例详细介绍了本发明的核心操作流程。该实例只是本发明多种实施方式的一种，附图中所展示的内容也仅为本发明的实施方式之一。本发明的实际内容不仅限于此。对于本发明的实施，在不脱离本发明核心思想的情况下，不经创造者允许设计出与本发明相似的结构方案或实施案例，均应属于本发明的保护范围。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。