專利名稱：一種激光引導gmaw電弧復合橫向焊接方法
技術領域：
本發明涉及橫向焊接方法。
背景技術：
眾所周知，與傳統的水平焊接相比，橫向焊接過程存在著很大的不同，橫向焊接時，熔融的金屬受到自身重力的作用，當熔融金屬的表面張力不足以抵抗其自身重力作用時，熔融金屬將會下淌，從而形成咬邊、焊瘤及焊縫中心線偏離等缺陷。尤其是對于鋁合金，由于其表面張力小，流動性好等特點，在其橫向焊接過程中熔融金屬下淌現象將會更加嚴重。目前國內外針對橫向焊接方法的研究主要是集中在傳統的電弧焊以及埋弧焊方面，所采用的控制方法主要是脈沖電流控制、磁場輔助控制以及旋轉電弧控制等。這些方法 都是通過改變熔池的流動行為來控制熔融金屬的下淌，但是這些方法都要求熱輸入量控制在較小的范圍內，這大大降低了焊接效率。20世紀70年代末，激光-電弧復合熱源焊接技術首次被提出，它是將激光與電弧兩種熱源結合在一起作用在同一平面同一區域，從而克服單獨作用的不足，相比單激光焊接或者是單電弧焊接，可以提高焊縫熔深和焊接適應性，減少焊接變形，提高焊接效率。眾所周知，傳統的激光-電弧復合焊接采用的方式多是激光與焊絲同時作用在焊縫中心線上，并且激光束中心線與焊絲中心線在同一平面，激光焊接形成的匙孔可以吸引和壓縮焊接電弧，改變熔池的形態和流動方式，提高電弧焊接能量密度和焊接效率。目前傳統的激光-電弧復合焊接方法應用于水平面內進行水平焊接時具備了上述的優點，但應用于豎直平面內進行橫向焊接時仍然解決不了熔融金屬下淌而導致的咬邊及焊縫中心線偏離的問題。
發明內容
本發明要解決現有的焊接方法用于豎直平面內進行橫向焊接時存在熔融金屬下淌而導致的咬邊及焊縫中心線偏離的問題，而提出一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法。本發明中的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法按以下步驟進行—、對待焊工件進行除油和除氧化膜處理先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍 3遍以去除油污，再用質量百分比濃度為69TlO%的氫氧化鈉溶液對鋁合金板進行浸泡6mirTl2min后，用清水沖洗干凈，再用質量百分比濃度為25% 35%的硝酸溶液對待焊工件進行浸泡2mirT4min后，用清水沖洗干凈并吹干，然后將待焊工件的待焊面以橫向放置的方式固定在行走機構上；二、填充焊絲焊絲直徑為I. OmnTl. 6mm,焊絲干伸長控制在10mnT30mm,焊絲與法線的夾角α為30° 75° ；三、啟動激光器及GMAW電弧焊機進行焊接使用純Ar氣或體積比為95%Ar+5%C02混合氣體為保護氣體，焊接時氣體流量為15L/mirT50L/min，激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，在激光束的光斑直徑為O. lmnTO. 4mm、激光功率范圍為2. 0kff^6. Okff, GMAff電弧焊的焊接電流為30A 250A、焊接速度為O. 5m/mirT2. 5m/min的條件下進行復合橫向焊接，得到焊接件；其中激光器為CO2氣體激光器、光纖激光器、YAG固體激光器或半導體激光器，；其中當GMAW電弧焊的焊接電流為30A 149A時，激光束中心線與焊絲中心線位于待焊工件的兩個法平面上，激光束作用位置位于焊縫中心線以上，垂直照射在待焊工件上，焊絲尖端作用位置位于焊縫中心線上，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為2mnT5mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為2mnT5mm ；當GMAW電弧焊的焊接電流為150A 250A時，激光束中心線位于待焊工件法平面上，且在焊縫中心線上方，垂直照射在待焊工件上，焊絲尖端與待焊工件法平面呈夾角β，其大小在20° ^45°之間，GMAW電弧傾斜作用在焊接區域，焊絲尖端作用點位于焊縫中心線，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為2mnT5mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為2mnT5mm。 本發明的工作原理為激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，就是在橫向焊接過程中，將激光與電弧交叉作用或傾斜作用在焊接區域，即激光與電弧作用在不同平面不同區域，利用激光對GMAW電弧的吸引作用，激光等離子體對熔滴的吸引作用，以及電弧自身的電弧力，改變熔池的受力情況，從而改善熔池的流動狀態，減小熔融金屬自身重力的負面影響，抑制熔池的下淌。與傳統的橫向焊接方法相比，本發明包括以下有益效果I、增大了工藝參數范圍，通過調節激光功率，可抑制在較大的電流焊接參數下熔融金屬的下淌，從而消除焊縫的咬邊缺陷，而且焊縫中心線剛好對中；2、提高了焊接效率，高功率密度的激光作用在焊接區域內，可增大焊縫熔深，減小焊接熱輸入量，同時提高焊接速度；3、采用復合焊接方法，可以改善焊縫的組織形貌，提高焊縫的力學性能。
圖I為激光引導GMAW電弧復合橫向焊接示意圖，其中GMAW電弧焊的焊接電流為30A 149A，I為待焊工件，2為焊縫，3為激光束，4為GMAW焊槍，5為焊絲，6為GMAW電弧焊槍所在的法平面，為了視圖更清楚激光束中心線所在法平面省略，h為激光作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離，d為激光斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離，k為焊絲干伸長，箭頭所指方向為焊接方向；圖2為激光引導GMAW電弧復合橫向焊接示意圖，其中GMAW電弧焊的焊接電流為150A 250A，I為待焊工件，2為焊縫，3為激光束，4為GMAW焊槍，5為焊絲，6為焊縫中心線所在的垂直于工件表面的法平面，7為GMAW電弧焊槍中心線所在的工作面，h為激光作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離，d為激光斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離，焊絲尖端與待焊工件法平面呈夾角β，k為焊絲干伸長，箭頭所指方向為焊接方向；圖3為實驗一中激光引導GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫表面；圖4為實驗一中激光引導GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫截面；圖5為實驗二中激光引導GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫表面；圖6為實驗二中激光引導GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫截面；圖7為實驗三中傳統激光-GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫表面；圖8為實驗三中傳統激光-GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫截面。
具體實施例方式本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式中的一種激光引 導GMAW電弧復合橫向焊接方法以下步驟進行一、對待焊工件進行除油和除氧化膜處理先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍 3遍以去除油污，再用質量百分比濃度為69TlO%的氫氧化鈉溶液對鋁合金板進行浸泡6mirTl2min后，用清水沖洗干凈，再用質量百分比濃度為25% 35%的硝酸溶液對待焊工件進行浸泡2mirT4min后，用清水沖洗干凈并吹干，然后將待焊工件的待焊面以橫向放置的方式固定在行走機構上；二、填充焊絲焊絲直徑為I. OmnTl. 6mm,焊絲干伸長控制在10mnT30mm,焊絲與法線的夾角α為30° 75° ；三、啟動激光器及GMAW電弧焊機進行焊接使用純Ar氣或體積比為95%Ar+5%C02混合氣體為保護氣體，焊接時氣體流量為15L/mirT50L/min，激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，在激光束的光斑直徑為O. lmnTO. 4mm、激光功率范圍為2. 0kff^6. Okff, GMAff電弧焊的焊接電流為30A 250A、焊接速度為O. 5m/mirT2. 5m/min的條件下進行復合橫向焊接，得到焊接件；其中激光器為CO2氣體激光器、光纖激光器、YAG固體激光器或半導體激光器，；其中當GMAW電弧焊的焊接電流為30A 149A時，激光束中心線與焊絲中心線位于待焊工件的兩個法平面上，激光束作用位置位于焊縫中心線以上，垂直照射在待焊工件上，焊絲尖端作用位置位于焊縫中心線上，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為2mnT5mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為2mnT5mm ；當GMAW電弧焊的焊接電流為150A 250A時，激光束中心線位于待焊工件法平面上，且在焊縫中心線上方，垂直照射在待焊工件上，焊絲尖端與待焊工件法平面呈夾角β，其大小在20° ^45°之間，GMAW電弧傾斜作用在焊接區域，焊絲尖端作用點位于焊縫中心線，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為2mnT5mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為2mnT5mm。與傳統的橫向焊接方法相比，本發明包括以下有益效果I、增大了工藝參數范圍，通過調節激光功率，可抑制在較大的電流焊接參數下熔融金屬的下淌，從而消除焊縫的咬邊缺陷；2、提高了焊接效率，高功率密度的激光作用在焊接區域內，可增大焊縫熔深，減小焊接熱輸入量，同時提高焊接速度；3、采用復合焊接方法，可以改善焊縫的組織形貌，提高焊縫的力學性能。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍以去除油污，再用質量百分比濃度為8%的氫氧化鈉溶液對鋁合金板進行浸泡9min后，用清水沖洗干凈，再用質量百分比濃度為30%的硝酸溶液對待焊工件進行浸泡3min。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟二中焊絲直徑為I. 2mnTl. 4mm,焊絲干伸長控制在12mnT25mm,焊絲與法線的夾角α為40。 65。。其它
步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟二中焊絲直徑為I. 3mm，焊絲干伸長控制在15mm，焊絲與法線的夾角α為60°。其它步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟三中激光束的光斑直徑為O. 2mnT0. 3_，激光功率范圍為3. 0kff^5. Okff0其它步驟及參數與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟三中激光束的光斑直徑為O. 2mm，激光功率范圍為4. Okff0其它步驟及參數與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟三中GMAff電弧焊的焊接電流為40A 200A，焊接速度為lm/mirT2m/min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟三中GMAff電弧焊的焊接電流為120A，焊接速度為lm/min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟三中當GMAff電弧焊的焊接電流為40A140A時，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為3mnT4mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為3mnT4mm。其它步驟及參數與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟三中當GMAW電弧焊的焊接電流為120A時，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為3mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為3mm。其它步驟及參數與具體實施方式
一至八之一相同。為了驗證本發明的有益效果，進行了以下實驗實驗一一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法按以下步驟進行一、對待焊工件進行除油和除氧化膜處理先用丙酮在厚度為8mm的2219鋁合金板表面擦拭2遍以去除油污，再用質量百分比濃度為8%的氫氧化鈉溶液對鋁合金板進行浸泡9min后，用清水沖洗干凈，再用質量百分比濃度為30%的硝酸溶液對待焊工件進行浸泡3min后，用清水沖洗干凈并吹干，然后將鋁合金板的待焊面以橫向放置的方式固定在行走機構上；二、填充焊絲焊絲直徑為I. 0mm，焊絲干伸長k為15mm，焊絲與法線的夾角α為60。；三、啟動激光器及GMAW電弧焊機進行焊接C02氣體激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，光斑直徑為O. 2mm，激光功率范圍為3. 5kff,GMAff電弧焊的焊接電流為120A，焊接速度為lm/min，焊接時激光器在前，GMAff電弧焊在后，復合橫向焊接時，使用純Ar氣體為保護氣體，焊接時流量為25L/min，激光束中心線與焊絲中心線位于鋁合金板材的兩個法平面上，激光作用位置位于焊縫中心線以上，垂直照射在鋁合金板材上，焊絲尖端作用位置位于焊縫中心線上，激光作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為3mm，激光斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為3mm，見圖I ;實驗二 一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法按以下步驟進行一、對待焊工件進行除油和除氧化膜處理先用丙酮在厚度為8mm的2219鋁合金板表面擦拭2遍以去除油污，再用質量百分比濃度為8%的氫氧化鈉溶液對鋁合金板進行浸泡9min后，用清水沖洗干凈，再用質量百分比濃度為30%的硝酸溶液對待焊工件進行浸泡3min后，用清水沖洗干凈并吹干，然后將鋁合金板的待焊面以橫向放置的方式固定在行走機構上；二、填充焊絲焊絲直徑為I. Omm，焊絲干伸長k為15mm，焊絲與法線的夾角α為60。；三、啟動激光器及GMAW電弧焊機進行焊接光纖激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，光斑直徑為O. 2mm，激光功率范圍為3. 5kff, GMAff電弧焊的焊接電流為160A，焊接 速度為lm/min，焊接時激光器在前，GMAW電弧焊在后，復合橫向焊接時，使用純Ar氣體為保護氣體，焊接時流量為25L/min，激光束中心線位于待焊工件法平面上，且在焊縫中心線上方，垂直照射在鋁合金板材上，焊絲尖端與待焊工件法平面呈夾角β，其大小為30°，激光束中心線與焊絲中心線位于鋁合金板材的兩個法平面上，激光作用位置位于焊縫中心線以上，垂直照射在母材上，焊絲尖端作用位置位于焊縫中心線上，激光作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為3mm，激光斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為3mm,見圖2 ;實驗三傳統激光-GMAW電弧復合橫向焊接方法按以下步驟進行—、對待焊工件進行除油和除氧化膜處理先用丙酮在厚度為8mm的2219鋁合金板表面擦拭2遍以去除油污，再用質量百分比濃度為8%的氫氧化鈉溶液對鋁合金板進行浸泡9min后，用清水沖洗干凈，再用質量百分比濃度為30%的硝酸溶液對待焊工件進行浸泡3min后，用清水沖洗干凈并吹干，然后將鋁合金板的待焊面以橫向放置的方式固定在行走機構上；二、填充焊絲焊絲直徑為I. 0mm，焊絲干伸長k為15mm，焊絲與法線的夾角α為60。；三、啟動激光器及GMAW電弧焊機進行焊接C02氣體激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，光斑直徑為O. 2mm，激光功率范圍為3. 5kff,GMAff電弧焊的焊接電流為120A，焊接速度為lm/min，焊接時激光器在前，GMAW電弧焊在后，復合橫向焊接時，使用純Ar氣體為保護氣體，焊接時流量為25L/min，激光束中心線與焊絲中心線位于鋁合金板材的同一法平面上，激光作用位置位于焊縫中心線上，垂直照射在鋁合金板材上，焊絲尖端作用位置位于焊縫中心線上，激光作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為0mm，激光斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為3mm ;圖3為實驗一中激光引導GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫表面；圖4為實驗一中激光引導GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫截面；圖5為實驗二中激光引導GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫表面；圖6為實驗二中激光引導GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫截面，由圖3至圖6可以看出，采用激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，可在較大的焊接電流條件下控制熔融金屬的下淌，從而消除焊縫的咬邊缺陷，而且焊縫中心線剛好對中。圖7為實驗三中傳統激光-GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫表面；圖8為實驗三中傳統激光-GMAW電弧復合橫向焊接的焊縫截面，由圖7和圖8可以看出，焊縫出現嚴重的下塌缺陷，嚴重影響了焊縫的使用性能。
權利要求
1.一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于它是通過以下步驟實現的 一、對待焊工件進行除油和除氧化膜處理先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍 3遍以去除油污，再用質量百分比濃度為69TlO%的氫氧化鈉溶液對鋁合金板進行浸泡6mirTl2min后，用清水沖洗干凈，再用質量百分比濃度為25% 35%的硝酸溶液對待焊工件進行浸泡2mirT4min后，用清水沖洗干凈并吹干，然后將待焊工件的待焊面以橫向放置的方式固定在行走機構上； 二、填充焊絲焊絲直徑為I.OmnTl. 6mm,焊絲干伸長控制在10mnT30mm,焊絲與法線的夾角α為30° 75° ； 三、啟動激光器及GMAW電弧焊機進行焊接使用純Ar氣或體積比為95%Ar+5%C02混合氣體為保護氣體，焊接時氣體流量為15L/mirT50L/min，激光器以聚焦形式直接作用在待焊工件上，在激光束的光斑直徑為O. lmnTO. 4mm、激光功率范圍為2. 0kff^6. Okff, GMAff電弧焊的焊接電流為30A 250A、焊接速度為O. 5m/mirT2. 5m/min的條件下進行復合橫向焊接，得到焊接件；其中激光器為CO2氣體激光器、光纖激光器、YAG固體激光器或半導體激光器；其中當GMAW電弧焊的焊接電流為30A 149A時，激光束中心線與焊絲中心線位于待焊工件的兩個法平面上，激光束作用位置位于焊縫中心線以上，垂直照射在待焊工件上，焊絲尖端作用位置位于焊縫中心線上，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為2mnT5mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為2mnT5mm ；當GMAW電弧焊的焊接電流為150A 250A時，激光束中心線位于待焊工件法平面上，且在焊縫中心線上方，垂直照射在待焊工件上，焊絲尖端與待焊工件法平面呈夾角β，其大小在20° ^45°之間，GMAW電弧傾斜作用在焊接區域，焊絲尖端作用點位于焊縫中心線，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為2mnT5mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為2mnT5mm。
2.如權利要求I所述的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于步驟一中先用丙酮在待焊工件表面擦拭2遍以去除油污，再用質量百分比濃度為8%的氫氧化鈉溶液對鋁合金板進行浸泡9min后，用清水沖洗干凈，再用質量百分比濃度為30%的硝酸溶液對待焊工件進行浸泡3min。
3.如權利要求I所述的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于步驟二中焊絲直徑為I. 2mnTl. 4mm,焊絲干伸長控制在12mnT25mm,焊絲與法線的夾角α為40。 65。。
4.如權利要求I所述的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于步驟二中焊絲直徑為I. 3mm，焊絲干伸長控制在15mm，焊絲與法線的夾角α為60°。
5.如權利要求I至4中任一項所述的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于步驟三中激光束的光斑直徑為O. 2mnT0. 3mm，激光功率范圍為3. 0kff^5. OkW。
6.如權利要求I至4中任一項所述的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于步驟三中激光束的光斑直徑為O. 2mm，激光功率范圍為4. OkW。
7.如權利要求5所述的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于步驟三中GMAW電弧焊的焊接電流為40A 200A，焊接速度為lm/mirT2m/min。
8.如權利要求5所述的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于步驟三中GMAW電弧焊的焊接電流為120A，焊接速度為lm/min。
9.如權利要求7所述的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于步驟三中當GMAW電弧焊的焊接電流為40A140A時，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為3mnT4mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為3mnT4mm0
10.如權利要求7所述的一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，其特征在于步驟三中當GMAW電弧焊的焊接電流為120A時，激光束作用位置與焊絲尖端作用位置之間垂直距離h為3mm，激光束的斑點作用位置與焊絲尖端作用位置之間水平距離d為3mm。
全文摘要
一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，它涉及橫向焊接方法，本發明要解決現有的焊接方法用于豎直平面內進行橫向焊接時存在熔融金屬下淌而導致的咬邊及焊縫中心線偏離的問題。本發明中一種激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法按以下步驟進行一、對待焊工件進行除油和除氧化膜處理；二、填充焊絲；三、啟動激光器及GMAW電弧焊機。采用激光引導GMAW電弧復合橫向焊接方法，可在較大的焊接電流條件下控制熔融金屬的下淌，從而消除焊縫的咬邊缺陷，而且焊縫中心線剛好對中。本發明適用于金屬橫向焊接工程領域。
文檔編號B23K28/02GK102922153SQ20121049063
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者雷正龍, 李穎, 陳彥賓, 呂濤 申請人:哈爾濱工業大學