一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法。

背景技术

为了提高舰船的战斗能力和性能，提高自身生存和应对恶劣环境的能力，舰船建造中采用大厚度规格的板材越来越多。美国弗吉尼亚级潜艇采用单层外壳结构，外壳用钢厚度达到了50～70mm。俄罗斯的潜艇多采用双层壳体结构，外层非耐压壳体钢板厚度上限为30mm，内层耐压壳体厚度达到80mm厚度左右。

我国潜艇建造中，厚壁件多采用X21高强钢和X80高强钢，目前厚板高强钢焊接方法主要采用埋弧焊和手工焊。由于具备焊接大厚度板材技能的焊工需要较长的培养周期，焊接效率很低，同时由于手工焊焊接热输入大，变形难以控制，后期矫正工作量很大。

作为高能量密度的焊接方法，激光焊可以实现高速焊接，提高厚板的焊接效率，更低的热输入能减少焊接时带来的变形问题。激光填丝焊时，如果采用激光冷丝焊接，激光束的能量有很大一部分作用在焊丝上，焊接热输入降低，熔池金属流动性下降，熔融的液态金属集中在焊缝中间位置，不易向两侧铺展，导致侧壁未融合缺陷产生。为了充分利用激光束的高能量，引入了热丝焊。焊丝在电流电压作用下提前预热，减少了激光在焊丝上的能量消耗，更有利于熔池和焊丝对激光能量的吸收。本领域通常把将钢板厚度大于30mm且坡口为5～10mm的焊接称为窄间隙焊接，将钢板厚度大于30mm且坡口小于5mm的焊接称为超窄间隙焊接。由于通常采用聚焦光束及深熔多层焊方式，厚板的窄间隙或超窄间隙激光焊会存在较严重的侧壁未熔合、层间未熔合及气孔问题。

发明内容

为了解决现有技术中厚板超窄间隙激光焊接存在的侧壁未熔合、层间未熔合及气孔的技术问题，本发明提供一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下。

一种厚板高强钢超窄间隙的激光焊接方法，其特征在于，采用超窄间隙坡口加工方案，正离焦激光光束照射超窄间隙的坡口内部，使正离焦激光的光斑直径D大于所述超窄间隙的下坡口宽度d

所述厚板的板厚为20～80mm，所述未熔合缺陷为侧壁未熔合和/或层间未熔合缺陷；

所述光丝间距D

所述超窄间隙的上坡口宽度d

所述正离焦激光光束的正离焦量D

所述光斑直径D大于所述超窄间隙的下坡口宽度d

所述导电嘴的有效长度应大于L＝(H/cosθ

所述打底焊的激光自熔焊接工艺为：激光功率为5500～6800W，正离焦量为+28，焊接速度为0.4～0.6m/min；

所述填充焊的激光自熔焊接工艺为：激光功率为5500～6800W之间，焊接速度为0.48～0.6m/min，送丝速度为2～3.2m/min；

所述超窄间隙经打底焊和填充焊的焊接，当坡口内填充焊的焊道表面至母材表面距离为2～3mm时进行盖面焊的焊接；

所述盖面焊的激光自熔焊接工艺为：激光功率为5500～6800W之间，焊接速度为0.3～0.5m/min，送丝速度为4～6m/min。

优选地，所述焊接过程中采用纯度≥99.99％的氩气保护焊接熔池，气体流量为10～20L/min。

与现有技术相比，本发明具有如下的积极效果：

本发明通过优化的超窄间隙坡口加工方案，减少了焊缝金属填充量，节约大量的焊材，同时，较小的坡口尺寸极大程度降低焊接热输入，减小焊接变形和应力集中的影响；拉大激光光束的离焦量来增加光斑直径，使光斑同时作用光斑覆盖在待焊的焊道及其两侧坡口的母材表面，使超窄间隙的侧壁也在焊接时发生熔化，从而消除了超窄间隙在焊接时容易产生的侧壁未熔合缺陷，采用作用在导电嘴上的电流电压提前预热焊丝，增强熔池金属的流动性，有助于消除层间未熔合缺陷，提高焊接效率；控制焊丝与激光光斑之间的位置关系，降低了熔池深宽比，稳定了熔滴过渡的过程，得到了月牙形焊缝成型，有助于消除焊接时产生的气孔缺陷，同时为下一道焊缝的填充提供良好的基础，单一红外光源即可完成厚板窄间隙焊接工作，避免采用双光束、摆动激光等带来的设备投入，有一定的经济效益。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图中：1-正离焦激光光束，2-厚板高强钢，3-窄间隙坡口，4-导电嘴，5-焊丝，6-光丝间距。

图2为正离焦量激光光束示意图。

图3为超窄间隙坡口设计示意图。

图4为适用于本发明的导电嘴示意图。

图5为光丝间距示意图。

图6为厚度30mm的X21高强钢金相示意图。

图7为厚度30mm的X21高强钢x射线检测示意图。

图8为厚度80mm的X21高强钢超窄间隙坡口尺寸示意图。

图9为厚度80mm的X21高强钢金相示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

实施例1

一种厚板高强钢超窄间隙激光焊接方法，包括如下步骤：

S1，对两块厚度为30mm的X21厚板高强钢进行加工，加工形状如图3所示，保留5mm钝边，单侧加工2°坡口，对加工完成的高强钢板进行坡口及坡口两侧进行去除油污清理；随即将X21厚板高强钢工件放置在平台上装配，预留2°反变形，钝边边缘相互对齐，坡口间隙调整至超窄间隙的范围内，满足上坡口d

S2，采用正离焦激光光束照射超窄间隙的坡口内部，设定正离焦激光光束与焊接方向的夹角θ

S3，如图1-2所示，设定正离焦激光光束与焊接方向的夹角θ

步骤S4，超窄间隙经打底焊和填充焊的焊接后，当坡口内填充焊的焊道表面至母材表面距离为2～3mm时进行盖面焊的焊接；设定正离焦激光光束与焊接方向的夹角θ

步骤S5，焊后对被焊工件的焊缝进行宏观金相分析与射线检测，宏观金相检测结果如图6所示，射线检测结果如图7所示，检测结果未发现侧壁未融合与气孔缺陷，满足《GB/T22085.1电子束和激光束焊接接头缺陷质量分级指南(第一部分.钢)》标准B级要求。

实施例2

一种厚板高强钢超窄间隙激光焊接方法，包括如下步骤：

S1，将厚度为80mm的X21厚板高强钢进行加工，加工形状如图8所示，呈双Y型设计，双侧各保留6mm钝边，单侧加工3°坡口，对加工完成的高强钢板进行坡口及坡口两侧进行去除油污清理，随即将其放在平台上进行装配，满足上坡口d

S2，采用正离焦激光光束照射正面超窄间隙的坡口内部，设定正离焦激光光束与焊接方向的夹角θ

S3，将工件转动180°，采用S2所述方案对反面钝边进行打底焊焊道的焊接；

S4，设定正离焦激光光束与焊接方向的夹角θ1为85°，光斑覆盖在正面打底焊的焊道及其两侧的坡口表面，光斑直径D为3.0mm；调整焊丝入射方向与待焊接面之间的夹角θ

S5，将工件转动180°，采用S4所述方案对反面填充层进行填充层焊道焊接；

S6，重复S4、S5所述方案对填充层依次逐层进行填充层焊道的焊接，填充层焊缝至母材表面2-3mm时停止填充层焊接；

S7，超窄间隙经打底焊和填充焊的焊接后，当坡口内填充焊的焊道表面至母材表面距离为2～3mm时进行盖面焊的焊接；设定正离焦激光光束与焊接方向的夹角θ

S8，将工件转动180°，采用S7所述方案对反面盖面层进行盖面焊焊道焊接；

S9，焊后对被焊工件的焊缝进行宏观金相分析与射线检测，宏观金相检测结果如图9所示，检测结果未发现侧壁未融合与气孔缺陷，满足《GB/T22085.1电子束和激光束焊接接头缺陷质量分级指南(第一部分.钢)》标准B级要求。