一種基于預制焊材的窄間隙激光掃描多層自熔焊接方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光加工技術領域，具體涉及一種基于預制焊材的窄間隙激光掃描焊接方法。
【背景技術】
[0002]隨著核電、船舶、航空航天、建筑、石油化工等行業的發展，各種焊接結構也不斷朝向功能性與大型化發展，特別是大尺寸中厚板焊接結構件的應用越來越廣泛，對焊接結構的應力應變、接頭綜合性能等提出更高的要求，需要新的焊接技術措施來保證焊縫的質量。
[0003]窄間隙焊接技術是一種先進、高效的焊接技術，適合大厚板的焊接。目前，工業應用的窄間隙焊接技術主要是窄間隙電弧焊接技術，包括窄間隙TIG、窄間隙MIG、窄間隙埋弧焊技術。國內眾多學者將窄間隙焊接技術與激光焊接技術結合起來，獲得了更優質窄間隙激光焊接技術。窄間隙激光焊接技術在保持了激光自熔焊的高質量、高精度、低變形等許多優點的同時，克服了其焊縫冶金過程難以控制、單道焊透晶粒粗大、應力集中、殘余應力大的情況，是一種具有廣闊應用前景的激光焊接新技術。激光聚焦斑點很小，橋接能力小，對焊縫兩側的坡口沒有辦法進行熔化，因此，在窄間隙激光焊接技術中，根部熔透、側壁熔合依然是需要解決的關鍵問題。在填絲焊接過程中光束如何能夠準確熔化焊絲也是重點，目前窄間隙激光填絲焊接僅限于實驗室條件下的一些試驗件，距離廣泛工程化應用還很遠，究其主要原因為:一、焊接過程控制；二、精準的送絲；三、完善的焊縫保護方法。由于焊絲添加增加了激光焊接過程的復雜性，精確的送絲參數影響著窄間隙激光填絲焊過程穩定性，并決定著窄間隙坡口中焊縫的單層填充高度。
[0004]隨著激光器制造技術的進步，高光束質量的光纖激光器、碟片激光器、二極管激光器輸出功率達到萬瓦級，在單道焊接時能夠獲得較大的熔深。近年來，隨著激光掃描技術的興起，YAG、光纖、碟片激光等可經過光纖傳輸，再采用掃描系統對光束能量分布進行整形，使得激光束能夠到達指定位置的速度、便捷性有了大大的提高，擴展激光熱源的作用范圍，增大熔池的面積，改善激光焊縫成型不均勻性，使激光縫合焊接成為可能。在激光掃描焊接過程中，只需要在準直與聚焦單元之間添加一個掃描系統就控制光束移動軌跡，使光束沿著不同軌跡產生精確控制的位移。因此，將掃描技術引入到窄間隙激光焊接技術能夠解決側壁熔合問題，激光束可以精確快速作用于坡口側壁之間任何位置，保證填充金屬能夠充分熔化，且具有相同的溶深，同時能夠進一步控制熱輸入，減小焊接變形。

【發明內容】

[0005]本發明是為了解決厚板焊接過程中存在的填絲困難及熔滴過渡不穩定的問題，而提供一種基于預制焊材的窄間隙激光掃描多層自熔焊接方法。
[0006]本發明的一種基于預制焊材的窄間隙激光掃描多層自熔焊接方法按以下步驟進行:
[0007]—、加工坡口:在兩個待焊厚板之間加工出帶有鈍邊的U型坡口或V型坡口，鈍邊厚度為t，U型坡口或V型坡口內為多層預制填充層，控制單層預制填充層的高度d與鈍邊厚度t相等，所述的U型坡口的寬度D呈臺階狀分布，D隨預制填充層的層數的遞增而增加，逐層之間坡口寬度D的增加量AD = D2-D1，其中D1S初始坡口寬度，D2為第二坡口寬度，控制Δ D為0.5mm?2臟，控制初始坡口寬度D1S 2mm?4mm ;所述的V型坡口的寬度D隨預制填充層的層數的遞增而呈直線增加，逐層之間坡口寬度D的增加量AD = D2-D1，其中D1為初始坡口寬度，D1 =初始坡口所在等腰梯形上底邊長，D 2為第二坡口寬度，D 2 =第二坡口所在等腰梯形上底邊長，控制Δ D為0.5mm?2mm，控制初始坡口寬度0丨為2mm?4mm，控制V型坡口的角度Θ為6°?12° ;
[0008]二、固定:將兩個待焊厚板置于支架上，通過支架來固定支撐；
[0009]三、打底焊:通過激光自熔焊進行打底焊，在焊接過程中，采用視覺檢測系統實時檢測坡口的寬度，識別坡口或預制填充層邊緣，進而確定焊縫中心，使激光束在焊縫中心兩側坡口之間來回擺動掃描來熔化坡口鈍邊金屬實現打底焊；所述的激光自熔焊過程為:采用單軸或雙軸的掃描振鏡對激光器產生并經光纖傳輸的激光束進行整形，使激光束以不同擺動方式進行擺動，在保持溶深的一致情況下，增加激光束的作用區域開始焊接，在進行打底焊之前，先用激光掃描點焊的方式將坡口鈍邊金屬進行固定；
[0010]四、逐層激光掃描縫合焊接:通過激光自熔焊進行逐層激光掃描縫合焊接，在焊接過程中，采用視覺檢測系統實時檢測坡口的寬度，識別坡口或預制填充層邊緣，進而確定焊縫中心，使激光束在焊縫中心兩側坡口之間來回擺動掃描來熔化預制填充層實現逐層激光掃描縫合焊接；所述的激光束的掃描寬度大于每層預制填充層的寬度，每層焊縫的熔深大于單層預制填充層的高度d，其中預制填充層邊緣與坡口側壁之間的配合方式為過渡配合或無間隙配合，在逐層激光掃描縫合焊接之前，逐層對每層的預制填充層進行固定，點焊時相鄰激光掃描定位焊點的間距為10mm?200mm ；
[0011]五、蓋面焊:在進行最后一層激光掃描蓋面焊時，所使用的預制填充層的高度Cl1 =d+lmm，其中d為單層預制填充層的高度。
[0012]本發明有益效果:
[0013]本發明將激光掃描焊接技術與窄間隙多層填充焊巧妙結合，使厚板結構件激光填絲多層焊接轉變為激光自熔多層焊方式，可以做到精確控制窄間隙坡口中焊縫的單層填充高度，由于預制填充層可防止焊縫收縮，可以進一步減小焊接變形，極大簡化厚板焊接過程，極高焊接效率和焊縫質量。
[0014]本發明的具體優點如下:將通常厚板焊接所采用的激光多層填絲焊接或激光-電弧復合焊轉變為激光自熔焊，使得厚板結構件焊接朝著簡單化、自動化等發展，充分利用了激光束能量密度高熔深大且易于控制和整形的能力，不需要復雜的送絲裝置或MIG焊等輔助設備，焊接過程穩定且容易控制，且能夠將大型厚板結構件的焊接變形控制在更小的水平。采用激光掃描振鏡，激光束以不同形式進行高速往復運動，能起到束流攪拌熔池作用，可以減少氣孔缺陷、未熔合缺陷，同時可以細化晶粒提高焊縫綜合性能。
[0015]本發明可適用于多種不同形式厚板結構的焊接，如平焊焊縫、橫焊焊縫、環型焊縫、T型角焊縫等，對于不同形式、不同大小窄間隙的坡口，加工制造與坡口相對應的預制填充層即可實現焊接。通過單軸或雙軸掃描振鏡對激光束進行整形，其下表面距離工件的最大工作距離可達到660mm，使得厚板結構件中遠程掃描焊接成為可能，可減小大型工件拼裝結構的限制。該技術將激光自熔焊接、激光掃描焊接以及窄間隙焊接技術完美有機的結合在一起，整合了各自的優點，適用于大型復雜結構的厚板焊接，拓展了激光焊接技術的應用。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明所述的一種基于預制焊材的窄間隙激光掃描多層自熔焊接方法前視圖；其中I為掃描系統、2為表面鍍銀擺動反射鏡、3為黃色光纖、4為準直鏡、5為聚焦鏡、6為高頻擺動激光束、7為待焊厚板、8為激光掃描打底焊縫；
[0017]圖2為本發明所述的一種基于預制焊材的窄間隙激光掃描多層自熔焊接方法左視圖；其中I為掃描系統、2為表面鍍銀擺動反射鏡、3為黃色光纖、4為準直鏡、5為聚焦鏡、6為高頻擺動激光束、7為待焊厚板、8為激光掃描打底焊縫；
[0018]圖3為本發明所述方法的窄間隙U型坡口尺寸示意圖；其中H為母材厚度、t為鈍邊厚度、d為單層預制填充層的高度、D為U型坡口寬度、D1為初始坡口寬度、D 2為第二坡口寬度；
[0019]圖4為本發明所述方法的窄間隙V型坡口尺寸示意圖；其中H為母材厚度、t為鈍邊厚度、d為單層預制填充層的高度、D為V型坡口寬度、D1為初始坡口寬度、D 2為第二坡口寬度、Θ為V型坡口的角度；
[0020]圖5為本發明所述兩個待焊厚板底部固定支撐示意圖；其中7為待焊厚板，12為底部固定支撐件；
[0021]圖6為本發明所述激光掃描打底焊示意圖；其中6為高頻擺動激光束、7為待焊厚板、8為激光掃描打底焊縫；
[0022]圖7為本發明所述第一層預制填充層激光掃描縫合焊接示意圖；其中6為高頻擺動激光束、7為待焊厚板、8為激光掃描打底焊縫、9為預制填充層、10為激光掃描縫合焊縫；
[0023]圖8為本發明所述U型坡口及預制填充層示意圖；
[0024]圖9為本發明所述V型坡口及預制填充層示意圖；
[0025]圖10為本發明所述激光束呈鋸齒軌跡掃描擺動的示意圖；其中T為掃描周期、L為一個掃描周期激光束位移；
[0026]圖11為本發明所