一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法

摘要

本发明涉及一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，属于GTAW焊接技术领域，所基于的焊接系统包括脉冲激光系统、焊枪系统、送丝装置；方法包括由脉冲激光系统提供脉冲激光，激光器排列在送丝装置和焊枪之间，配合具有非轴对称钨极的旋转、周期性的提供脉冲激光照射焊丝，解决了非轴对称旋转电弧焊丝熔化不均匀等问题，减小了焊接的热输入，改善焊缝品质，熔敷效率显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自调节非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，第一热源为脉冲激光作为辅助热源熔化焊丝，第二热源为自主研制的非轴对称尖端旋转钨极焊枪产生的旋转电弧的复合热源焊接系统,用以改善非轴对称旋转钨极电弧熔化焊丝不均匀的现象，属于GTAW焊接技术领域。

背景技术

国家核电、船舶、重大工程对厚壁构件低变形、高效率、高质量焊接技术提出了越来越迫切的需求。窄间隙焊接技术通过全自动焊接装置和窄间隙电弧控制技术，实现厚板高效率、高质量的焊接。激光、电子束具有能量密度高的特点，但存在成本高昂、对装配要求高等缺点；窄间隙埋弧焊热输入较高；窄间隙熔化极气体保护焊(GMAW)往往也需要较大热输入才能解决侧壁未熔合缺陷问题，且容易产生飞溅，熔滴过渡行为复杂；窄间隙非熔化极气体保护焊(GTAW)焊接质量高，焊接过程稳定，可以用于焊接有色金属，可以实现橫焊、立焊、仰焊等全位置焊接。

非轴对称旋转钨极焊接工艺采用一种特殊钨极，基于其钨极非轴对称形状和无限回转的特征，能够有效解决窄间隙焊接中容易出现的侧壁未熔合、侧壁熔深不足等问题。然而，由于非轴对称钨极旋转电弧在旋转过程中在坡口底部和两侧壁周期性起弧，当电弧旋转到坡口两侧壁时，熔化母材利于侧壁熔合；旋转到远离送丝一侧的底部时搅拌熔池，增大熔深；焊丝只有在电弧旋转到靠近送丝一侧的底部才会熔化焊丝，从而造成因旋转电弧位置不同造成的焊丝熔化不均匀。此外，由于钨极氩弧焊的特点，焊接16mm厚的钢板约需要8道焊缝。其总体熔敷效率较低，单层熔敷层厚度有限，难以满足高效率焊接的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种改善非轴对称旋转钨极电弧熔化焊丝不均匀的窄间隙非轴对称旋转钨极GTAW+脉冲激光复合焊接方法，目的是既能解决GTAW窄间隙焊接时侧壁熔深不足问题，又能解决非轴对称旋转钨极电弧熔化焊丝不均匀、焊接工艺熔敷效率较低、焊接速度慢的问题。

本发明的技术方案如下：

一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，所基于的焊接系统包括脉冲激光系统、焊枪系统、送丝装置；

所述焊枪系统包括中心旋转轴、电机系统、外置的电机控制箱，由外置的电机控制箱控制电机的开关和中心旋转轴的转动速率，中心旋转轴与钨极相连，钨极一端为非轴对称尖端；钨极随中心旋转轴转动而转动，由于其旋转的非对称性，根据最小电压原理电弧总是能够周期性加热基体和两侧壁金属；而电机控制箱控制的钨极的旋转频率则会影响侧壁的熔深和焊丝熔化速率和熔滴过渡方式；脉冲激光系统包括激光器，激光器用于提供脉冲激光，激光照射焊丝，送丝装置用于焊接过程中进行送丝；

焊接方法包括步骤如下：

(1)厚板9％Ni钢开U型坡口，对工件坡口进行表面油污和灰尘的清理的预处理；

(2)沿着焊接方向将焊枪和激光器前后排列，激光器排列在送丝装置和焊枪之间，调节非轴对称旋转钨极焊枪角度垂直于工件，焊枪的焊丝与钨极的角度为α，α为45～90°；

(3)焊接前，调节非轴对称旋转钨极焊枪与工件之间合适的距离；对焊接电源设置为提前送气，保证在焊接前坡口内排空空气；进行焊枪的对中，使焊枪在坡口正中心；设置送丝装置延时送丝，提前抽丝，先对焊件进行提前加热预熔化；根据非轴对称旋转钨极的转速调节激光器功率合适的脉冲波形，调节激光器的离焦量，调节光斑大小，使光斑垂直照射焊丝；

(4)采用直流焊接，在引弧之前通过电机控制箱开关和调节合适的转速使焊枪的钨极进行旋转；焊接电流为200～300A，钨极的旋转速度为300～800RPM；

脉冲激光的波形周期与钨极的旋转周期相同，脉冲激光的峰值功率为2.5～4.5KW，脉冲激光的基值功率为0.5～1.5KW，设置离焦量为5～15mm；

保护气体的流量为25～30L/min，焊接速度为600～700mm/min，送丝速度为1100～1800mm/min。

优选的，所基于的焊接系统还包括自调节系统，自调节系统包括视觉传感器检测系统、控制系统，视觉传感器检测系统用于检测钨极电弧的大小来反应旋转电弧所在位置，视觉传感器检测系统包括工业高速摄像机；控制系统用于接受电弧位置的反馈并调节脉冲激光的功率。

进一步优选的，步骤(4)还包括，从焊接前方架设工业高速摄像机实时采集电弧形态，焊接过程中当钨极旋转到焊丝熔化区，电弧中一部分热量用于熔化焊丝，导致电弧热量降低，弧柱截面积减小，电弧将会急剧收缩，图像采集过程中设定当电弧收缩时，脉冲激光的频率开始降低，当电弧再次扩张时，脉冲激光的频率升高，钨极旋转一周为脉冲激光调节的一个周期。

优选的，所述自调节系统包括弧压检测系统、控制系统，弧压检测系统用于检测弧压大小并将弧压反馈给控制系统，控制系统用于接受弧压大小的反馈并调节脉冲激光的功率；步骤(4)中，弧压降低时降低脉冲激光的频率，弧压升高时提高脉冲激光的频率，钨极旋转一周为脉冲激光调节的一个周期。

本发明目的实现的依据是：

非轴对称旋转钨极在旋转过程中尖端距离坡口底部和两侧壁的距离不同而在不同的位置起弧，当电弧旋转到两侧壁和远离焊丝的坡口底部时电弧只加热侧壁和对底部熔池的搅拌而对焊丝不直接加热，导致焊丝熔化不均匀、熔敷率较低，能量利用分散。本发明结合脉冲激光的高功率密度优势，在利用旋转钨极GTAW保证侧壁可靠熔深的同时，利用视觉传感器监测系统实时检测电弧的大小由此反应出的电弧的位置，并反馈给控制系统，用于调节激光功率，电弧旋转到靠近送丝一侧的底部减少功率，电弧旋转到其余方向增大功率。提高焊丝熔化均匀度和增加填充材料的熔敷效率，以能够显著提高单道焊缝的熔敷金属体积，减少厚板、中厚板对接需要的层数，达到提升大型厚壁构件的焊接质量和制造效率的目的，具有重要的理论意义和实用价值。脉冲激光作为辅助热源对焊丝进行熔化、预熔，提高能量利于率，改善焊丝熔化，但是不会造成工件受热严重、晶粒过度生长，从而得到一种能够有效使焊丝熔化均匀，同时提高焊接速度、熔敷效率的新型厚板窄间隙焊接方法。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过视觉传感器监测系统实时检测非轴对称旋转钨极电弧位置，基于高速摄像机图像采集的视觉传感系统，实现脉冲激光按照设置的波形进行功率的自调，通过检测电弧的收缩大小，实现对脉冲激光的闭环控制，当电弧旋转至焊丝熔化区时，当高速摄像机检测到弧柱截面积收缩时即旋转电弧到达焊丝端区域时脉冲激光功率降低，当旋转电弧到达两侧壁和远离焊丝端的位置及中间位置时脉冲激光功率升高；相比于常规激光和电弧的复合，本方法大幅度减小了焊接的热输入，改善焊缝品质，实现高质量焊接，解决了非轴对称旋转电弧焊丝熔化不均匀的问题。

2、本发明将脉冲激光作为辅助热源，预设的波形预先对从送丝装置送出的焊丝进行熔化和预熔，非轴对称钨极焊枪的旋转电弧对熔池进行搅拌并对窄间隙坡口进行侧壁熔化，焊道未出现侧壁不熔合现象。

3、本发明相比常规钨极窄间隙焊接熔敷效率提高，焊接速度明显提高可以进行激光和非轴对称旋转钨极窄间隙复合焊接且侧壁熔合好的高速焊接。并且在合适的角度参数下，可以做到高速窄间隙焊时没有驼峰和咬边。

4、利用本发明的技术方案得到的焊缝表面呈密致鱼鳞纹条状形貌特征焊缝，这是由于焊枪的非轴对称旋转钨极焊接过程中，因为电弧周期性的旋转，对熔池有一个搅拌作用，使熔池在冷却时可以均匀的铺展开，同时熔池也周期性向前推进，形成此美观的特征焊缝。

5、自调节脉冲激光和非轴对称旋转钨极窄间隙复合焊接，熔敷效率显著提高，减小窄间隙焊接的焊接道数，并且脉冲激光对焊丝的加热不会对工件进行影响，避免了重复加热使晶粒持续长大，使机械性能恶化。

附图说明

图1本发明的激光和非对称旋转钨极焊枪复合焊接示意图；

图2本发明的非对称旋转钨极与焊丝相对位置示意图；

图3电弧旋转位置示意图；

图4脉冲激光波形和旋转电弧位置对照图。

其中，1、GTAW焊枪；2、激光器；3、送丝装置；4、激光束；5、钨极；6、旋转电弧；7、焊丝熔化区；8、坡口侧壁。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，所基于的焊接系统包括脉冲激光系统、焊枪系统、送丝装置；本实施例焊接的厚度为36mm的9％Ni钢开U形坡口的窄间隙焊接。

所述焊枪系统包括中心旋转轴、电机系统、外置的电机控制箱，由外置的电机控制箱控制电机的开关和中心旋转轴的转动速率，中心旋转轴与钨极相连，钨极一端为非轴对称尖端；钨极随中心旋转轴转动而转动，由于其旋转的非对称性，根据最小电压原理电弧总是能够周期性加热基体和两侧壁金属；而电机控制箱控制的钨极的旋转频率则会影响侧壁的熔深和焊丝熔化速率和熔滴过渡方式；脉冲激光系统包括激光器，激光器用于提供脉冲激光，激光照射焊丝，送丝装置用于焊接过程中进行送丝；

焊接方法包括步骤如下：

(1)厚板9％Ni钢开U型坡口，坡口用线切割及进行切割，切割的尺寸为底部宽度为8mm，上部尺寸为10mm，连接处半径为2mm的圆弧，所留钝边为2mm。对工件坡口进行表面油污和灰尘的清理的预处理，清理坡口里面油污和灰尘。将待焊件固定于夹具上，并进行预变形。

(2)沿着焊接方向将焊枪和激光器前后排列，焊枪位于后面，脉冲激光头在前，激光器排列在送丝装置和焊枪之间，调节非轴对称旋转钨极焊枪角度垂直于工件，焊枪距离工件底面距离为3.2mm；焊枪的焊丝与钨极的角度为α，α为90°；

(3)焊接前，调节非轴对称旋转钨极焊枪与工件之间合适的距离；对焊接电源设置为提前送气，保证在焊接前坡口内排空空气；进行焊枪的对中，使焊枪在坡口正中心；设置送丝装置延时0.2s送丝，提前0.4s抽丝，先对焊件进行提前加热预熔化；根据非轴对称旋转钨极的转速调节激光器功率合适的脉冲波形，调节激光器的离焦量，调节光斑大小，使光斑垂直照射焊丝；

(4)采用直流焊接，在引弧之前通过电机控制箱开关和调节合适的转速使焊枪的钨极进行旋转；焊接电流为250A，钨极的旋转速度为300RPM；

脉冲激光的波形周期与钨极的旋转周期相同，调节脉冲波形为周期为0.152s的方波脉冲，脉冲激光的峰值功率为4KW，峰值持续时间为0.114s，脉冲激光的基值功率为1KW，基值持续时间为0.038s，设置离焦量为5mm；

保护气体的流量为25L/min，焊接速度为600mm/min，送丝速度为1200mm/min。

本实施例可以做到，通过视觉传感器实时检测非轴对称旋转钨极电弧位置，实现脉冲激光按照设置的波形进行功率的自调，当高速摄像机检测到弧柱截面积收缩时即旋转电弧到达焊丝端区域(如图3标识7所示)时脉冲激光功率降低，当旋转电弧到达两侧壁和远离焊丝端的位置及中间位置时脉冲激光功率升高，解决了非轴对称旋转电弧焊丝熔化不均匀的问题；此外也实现了高焊接速度、高熔敷效率的焊接。

实施例2：

一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，其基本系统如实施例1所述，所不同的是，所基于的焊接系统还包括自调节系统，自调节系统包括视觉传感器检测系统、控制系统，视觉传感器检测系统用于检测钨极电弧的大小来反应旋转电弧所在位置，视觉传感器检测系统包括工业高速摄像机；控制系统用于接受电弧位置的反馈并调节脉冲激光的功率。

步骤(4)还包括，从焊接前方架设工业高速摄像机实时采集电弧形态，，调节合适的相机角度使得电弧在视野正中间，像素大小为640*640，调节相机帧率为3000fps，曝光时间为8μs，光圈大小为1/4f。焊接过程中当钨极旋转到焊丝熔化区，电弧中一部分热量用于熔化焊丝，导致电弧热量降低，弧柱截面积减小，电弧将会急剧收缩，图像采集过程中设定当电弧收缩时，脉冲激光的频率开始降低，当电弧再次扩张时，脉冲激光的频率升高，钨极旋转一周为脉冲激光调节的一个周期。

实施例3：

一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，其设备与步骤如实施例1所述，所不同的是，脉冲激光的波形为弦波，峰值、基值不变。

本实施例可以做到，通过视觉传感器实时检测非轴对称旋转钨极电弧位置，实现脉冲激光按照设置的波形进行功率的自调，当高速摄像机检测到弧柱截面积收缩时即旋转电弧到达焊丝端区域时脉冲激光功率缓慢降低，当旋转电弧到达两侧壁和远离焊丝端的位置及中间位置时脉冲激光功率升高。弦波的缓降相比方波的陡降可以减低电弧对焊丝端部熔滴的电弧阻力，使熔滴更快的降落下来，改善熔滴过渡方式。

实施例4：

一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，其设备与步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)调节送丝角度为α为45°。

本实施例可以做到不影响脉冲激光对焊丝的预加热，而且送丝角度变陡焊丝直接插入旋转电弧的高温区域，利于焊丝的熔化，进行焊接实验时可以提高焊接效率。

实施例5：

一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，其设备与步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中送丝速度为1500mm/min，快于实施例1，进一步提高熔敷效率。

实施例6：

一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，其设备与步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中焊接电流为300A，钨极的旋转速度为800RPM；脉冲激光的峰值功率为4.5KW，脉冲激光的基值功率为1.5KW，设置离焦量为15mm；保护气体的流量为30L/min，焊接速度为700mm/min，送丝速度为1800mm/min。

实施例7：

一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，其设备与步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中焊接电流为200A，钨极的旋转速度为300RPM；脉冲激光的峰值功率为2.5KW，脉冲激光的基值功率为0.5KW，送丝速度为1100mm/min。

实施例8：

一种非轴对称旋转钨极GTAW与脉冲激光复合焊接方法，其设备与步骤如实施例1所述，所不同的是，闭环控制的自调节系统为弧压检测系统与控制系统，其余装置步骤相同。弧压检测系统用于检测弧压大小并将弧压反馈给控制系统，控制系统用于接受弧压大小的反馈并调节脉冲激光的功率；步骤(4)中，弧压降低时降低脉冲激光的频率，弧压升高时提高脉冲激光的频率，钨极旋转一周为脉冲激光调节的一个周期。

本实施例由基于高速摄像机的视觉传感器检测系统变为弧压检测系统，视觉传感器检测系统在图像处理方面存在固有的时间差，可能会造成脉冲波形功率控制一定的延时性，而通过检测旋转电弧在坡口两侧壁和底部电弧的电压不同，根据预设波形调节脉冲激光的功率，能够迅速给焊丝所设定的激光功率。