万瓦级扫描激光焊接背面焊缝成形规律研究_李林.pdf
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1、Electric Welding MachineVol.53 No.4Apr.2023第 53 卷 第 4 期2023 年4 月万瓦级扫描激光焊接背面焊缝成形规律研究李林,雷振,孙谦,曹浩,赵德民中国机械总院集团 哈尔滨焊接研究所有限公司,黑龙江 哈尔滨 150001摘要:采用穿透式扫描激光不开坡口焊接方法对8 mm厚碳钢进行了万瓦级激光焊接试验,分析了激光功率、焊接速度、离焦量、扫描幅度和扫描频率对焊缝背面成形的影响。结果表明,当焊接速度为0.9 m/min、1.2 m/min时,在扫描激光作用下熔池受表面张力与重力平衡,获得了背面成形均匀、连续、根部熔透良好,背面余高合适的焊缝;随着离焦量
2、从-10 mm到+10 mm变化,负离焦相较于正离焦焊缝成形更连续均匀,背部余高在1.21.5 mm;改变扫描幅度与扫描频率时,扫描频率大于300 Hz、幅度大于2 mm时焊缝部分未熔透,扫描频率为200 Hz、扫描幅度为1 mm 时焊缝成形较好;焊接热输入和离焦量对焊缝背面成形的影响作用大于扫描频率和扫描幅度。通过提高焊接速度、选用-100 mm之间离焦量、liner(垂直)扫描方式、200 Hz扫描频率、1 mm或2 mm扫描幅度可获得均匀、连续、根部熔合良好的背面焊缝成形。关键词:万瓦级激光;扫描焊接;单面焊背面成形;中厚板;背部余高中图分类号:TG456.7 文献标识码:A 文章编号:
3、1001-2303(2023)04-0112-08Study on Forming Law of Backside Weld of 10 Million Watt Level Scanning Laser WeldingLI Lin,LEI Zhen,SUN Qian,CAO Hao,ZHAO DeminHarbin Welding Institute Limited Company,CAM,Harbin 150001,ChinaAbstract:The effects of laser power,welding speed,defocus,scanning amplitude and sc
4、anning frequency on backside forming of 8 mm carbon steel were systematically studied by using the penetrating scanning laser without opening welding method.The results show that under the conditions of welding speed of 0.9 m/min and 1.2 m/min,the weld pool is balanced by surface tension and gravity
5、 under the action of scanning laser,and the weld with uniform forming and continuous back,good root penetration and proper back residual height is obtained.With the change of defocusing distance from-10 mm to+10 mm,negative defocusing distance is more continuous and uniform than positive defocusing
6、distance,and the residual height of back is from 1.2 mm to 1.5 mm.When the welding power,welding speed and defocusing distance were fixed and only scanning mode was changed for comparison test,liner(vertical)scanning mode obtained the best effect under several scanning modes in comparison experiment
7、.Scanning amplitude and scanning frequency were changed,and the weld was partially penetrated or not penetrated when scanning frequency was greater than 300 Hz and the amplitude was greater than 2 mm.Scanning amplitude is 200 Hz,scanning amplitude is 1 mm when the forming is better,and the weld back
8、 forming effect welding heat input defocusing distance scanning frequency scanning amplitude.Therefore,by increasing the welding speed,choosing the defocusing distance between-10 mm and 0 mm,liner(vertical)scanning mode,200 Hz scanning frequency,1 mm or 2 mm scanning amplitude,uniform,continuous and
9、 well-integrated single-side welding back shape of 8 mm carbon steel plate can be obtained.Keywords:10 kW laser;scanning welding;single-side welding back forming;medium-thick plate;back more than high 收稿日期:2023-03-10基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFB4600903)作者简介:李林(1995),女,硕士研究生,主要从事激光焊接的研究。通信作者:孙谦(1980),男,博士,
10、正高级工程师,主要从事激光及激光复合焊接、焊接质量在线检测的技术研究。E-mail:。DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2023.04.13引用格式:李林,雷振,孙谦,等.万瓦级扫描激光焊接背面焊缝成形规律研究 J.电焊机,2023,53(4):112-119.Citation:LI Lin,LEI Zhen,SUN Qian,et al.Study on Forming Law of Backside Weld of 10 Million Watt Level Scanning Laser WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,
11、53(4):112-119.0 前言由于激光热源相较传统电弧焊接具有更大的深宽比、更窄的热影响区和更高的自动化能力,所以激光焊接成为工业领域主要焊接方法之一1。随着激光输出能力的不断提高,激光焊接技术已成功拓展至中厚板(325 mm)焊接领域,尤其以万瓦级为代表的高功率(10100 kW)激光焊接技术已经成为该领域技术突破的一个重要解决途径2。中厚板主要应用于船舶、发电厂、压力容器、高速列车、起重设备、天然气管道等3-4。由于万瓦级高功率激光在高能量源多物理场耦合机制作用下,焊接过程不稳定,中厚板单道全熔透焊接背面较难得到稳定均匀成形的焊缝,极易出现驼峰、飞溅、表面不均匀等缺欠5-6。所以,寻
12、找一种高效、稳定的万瓦级激光单面焊背面成形方法迫在眉睫。国内外研究学者采用多种方式改善中厚板单面焊背面成形。大连理工大学周彦彬7采用MAG-TIG双电弧热源复合,实现了24 mm厚钢板单面焊背面自由成形。Turichin等人8利用激光-电弧复合焊接技术实现了14 mm厚X80管线钢一次焊接成形。Yamane等人9开发了一种“变速摆动焊接”的焊接方法,通过MIG/MAG电弧沿着坡口前后变速摆动来实现中厚板打底焊接单面焊双面成形,其平均焊接速度为1.7 mm/s。还有学者针对12 mm厚不锈钢通过背面加陶瓷衬垫的熔化极电弧打底焊工艺获得了成形美观、性能良好的接头,焊前在焊缝背面粘贴陶瓷衬垫以强制成
13、形10。以上方法均是采用外加热源复合、添加衬垫、开坡口的形式实现中厚板单面焊背面成形,焊接过程繁琐、焊接效率低、成形质量不稳定,且焊接过程易产生飞溅、气孔、驼峰等缺欠。扫描激光焊接技术可通过不同路径改变激光能分布的方式,对促进熔池流动11-12、改善焊缝成形13、减少气孔率14、减少飞溅15等方面有显著作用,而目前该方法对于解决万瓦级激光焊接背面成形问题国内外文献中鲜有报道,属于基础前沿技术研究。因此本文提出通过采用万瓦级扫描激光进行Q235低碳钢板单面焊双面成形试验,研究各焊接参数对焊缝背面成形的影响,对中厚板的高效、优质焊接具有重要意义。1 试验设备及方法试验用激光器为 IPG-Photo
14、nics 公司的 YSL-30000型光纤激光器,最大输出功率30 kW,试验用激光枪为IPG-D50-Wobble扫描激光枪,最大输出功率12 kW,试验用机器人为KUKA机器人。材料为8 mm厚Q235低碳钢,尺寸150 mm50 mm8 mm。通过扫描激光平板堆焊进行试板单面焊双面成形试验,并通过改变单一参数的方法进行工艺参数波动试验,万瓦级扫描激光单面焊接双面成形工艺参数见表1,试验装置如图1所示。激光光束在焊接过程中始终与焊接方向呈钝10角。焊前对试板进行处理,用机械打磨方式去除试板表面氧化膜,之后用无水乙醇溶液擦拭试板表面去除油污。利用线切割取20 mm10 mm8 mm金相试样,
15、用4%硝酸溶液腐蚀试样,在光学显微镜下观察宏观组织形貌,最后用Image-Pro Plus软件表1万瓦级扫描激光焊接单面焊双面成形工艺参数Table 1Technological parameters of single-sided welding and double-sided forming for ten thousand watt scanning laser welding第 4 期李林,等:万瓦级扫描激光焊接背面焊缝成形规律研究引用格式:李林,雷振,孙谦,等.万瓦级扫描激光焊接背面焊缝成形规律研究 J.电焊机,2023,53(4):112-119.Citation:LI Lin,
16、LEI Zhen,SUN Qian,et al.Study on Forming Law of Backside Weld of 10 Million Watt Level Scanning Laser WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(4):112-119.0 前言由于激光热源相较传统电弧焊接具有更大的深宽比、更窄的热影响区和更高的自动化能力,所以激光焊接成为工业领域主要焊接方法之一1。随着激光输出能力的不断提高,激光焊接技术已成功拓展至中厚板(325 mm)焊接领域,尤其以万瓦级为代表的高功率(10100 kW)激光焊接技术已经成为该领域技
17、术突破的一个重要解决途径2。中厚板主要应用于船舶、发电厂、压力容器、高速列车、起重设备、天然气管道等3-4。由于万瓦级高功率激光在高能量源多物理场耦合机制作用下,焊接过程不稳定,中厚板单道全熔透焊接背面较难得到稳定均匀成形的焊缝,极易出现驼峰、飞溅、表面不均匀等缺欠5-6。所以,寻找一种高效、稳定的万瓦级激光单面焊背面成形方法迫在眉睫。国内外研究学者采用多种方式改善中厚板单面焊背面成形。大连理工大学周彦彬7采用MAG-TIG双电弧热源复合,实现了24 mm厚钢板单面焊背面自由成形。Turichin等人8利用激光-电弧复合焊接技术实现了14 mm厚X80管线钢一次焊接成形。Yamane等人9开发
18、了一种“变速摆动焊接”的焊接方法,通过MIG/MAG电弧沿着坡口前后变速摆动来实现中厚板打底焊接单面焊双面成形,其平均焊接速度为1.7 mm/s。还有学者针对12 mm厚不锈钢通过背面加陶瓷衬垫的熔化极电弧打底焊工艺获得了成形美观、性能良好的接头,焊前在焊缝背面粘贴陶瓷衬垫以强制成形10。以上方法均是采用外加热源复合、添加衬垫、开坡口的形式实现中厚板单面焊背面成形,焊接过程繁琐、焊接效率低、成形质量不稳定,且焊接过程易产生飞溅、气孔、驼峰等缺欠。扫描激光焊接技术可通过不同路径改变激光能分布的方式,对促进熔池流动11-12、改善焊缝成形13、减少气孔率14、减少飞溅15等方面有显著作用,而目前该
19、方法对于解决万瓦级激光焊接背面成形问题国内外文献中鲜有报道,属于基础前沿技术研究。因此本文提出通过采用万瓦级扫描激光进行Q235低碳钢板单面焊双面成形试验,研究各焊接参数对焊缝背面成形的影响,对中厚板的高效、优质焊接具有重要意义。1 试验设备及方法试验用激光器为 IPG-Photonics 公司的 YSL-30000型光纤激光器,最大输出功率30 kW,试验用激光枪为IPG-D50-Wobble扫描激光枪,最大输出功率12 kW,试验用机器人为KUKA机器人。材料为8 mm厚Q235低碳钢,尺寸150 mm50 mm8 mm。通过扫描激光平板堆焊进行试板单面焊双面成形试验,并通过改变单一参数的
20、方法进行工艺参数波动试验,万瓦级扫描激光单面焊接双面成形工艺参数见表1,试验装置如图1所示。激光光束在焊接过程中始终与焊接方向呈钝10角。焊前对试板进行处理,用机械打磨方式去除试板表面氧化膜,之后用无水乙醇溶液擦拭试板表面去除油污。利用线切割取20 mm10 mm8 mm金相试样,用4%硝酸溶液腐蚀试样,在光学显微镜下观察宏观组织形貌,最后用Image-Pro Plus软件表1万瓦级扫描激光焊接单面焊双面成形工艺参数Table 1Technological parameters of single-sided welding and double-sided forming for ten t
21、housand watt scanning laser welding焊接速度/(m min-1)0.30.60.91.21.5焊接功率/kW4.7,4.9,5.2,5.87.3,7.5,7.9,8.39.5,9.7,9.9,10.510.2,10.4,10.7,11.0,11.612.0离焦量/mm-10、-5、0、+5、+10扫描方式liner(垂直)扫描频率/Hz0400扫描幅度/mm161132023 年定量测量背部余高的数值大小。2 试验结果及分析2.1 激光功率和焊接速度对焊缝成形的影响焊缝背面余高在一定程度上可反应焊缝正面的塌陷程度,背面余高与背面熔池重力表面张力平衡状态密切相关
22、,所以背部余高可以侧面反映焊缝熔池内部受力以及表面成形状态。因此,本研究将余高作为重要评价依据来优化调整焊接参数(对于8 mm碳钢板来说,一般等级余高2.6 mm),控制单面焊背面成形。经过课题组前期正交试验设计,在固定离焦量-5 mm、扫描频率200 Hz、扫描幅度2 mm的情况下对8 mm试板进行试验,研究焊接速度为0.3 m/min、0.6 m/min、0.9 m/min、1.2 m/min、1.5 m/min 时焊缝背面的成形情况。受激光器功率限制,焊接速度为1.5 m/min时均未熔透,故不对速度速度1.5 m/min的焊缝成形情况进行分析。不同速度下随着功率变化的焊缝背面形貌如图2
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