[发明专利]复合式激光电弧焊接工艺和设备

说明书

技术领域

本发明大体上涉及焊接方法。更具体地说，本发明涉及利用复合式激光电弧焊接技术的焊接工艺，其中激光束焊接和电弧焊接在相同的焊池中同时发生，其中至少一个侧部激光束能够在沿着所造就的焊接接头的侧部边缘的焊道趾处促成平滑的过渡。

背景技术

低热量输入焊接工艺并且尤其高能量射束焊接工艺(例如在窄的焊接条件范围内操作的激光束和电子束焊接(分别为LBW和EBW))已经成功地用于在各种广泛的材料中产生无裂纹的焊接接头，这些材料包括但不局限于涡轮机械中使用的合金。高能量的射束焊接工艺的优点是高能量密度的聚焦的激光束或电子束能够产生具有最小的焊接金属体积的深的狭小的焊道，促使结构性对接焊接接头的形成，这同其它焊接技术(例如电弧焊接工艺)相比，增加很少的额外重量，并且造成很少的构件变形。尤其与激光束焊接相关联的额外的优点包括在无须真空室或辐射屏蔽罩的条件下执行的能力，真空室或辐射屏蔽罩通常是电子束焊接所需要的。因此，同电子束焊接相比，激光束焊接可能是一种低成本且更高生产率的焊接工艺。

虽然对于某些应用和焊接条件已经使用了填充材料，但是激光束和电子束焊接工艺通常是通过自体执行的(没有增加额外的填充金属)。高能量射束聚焦在有待焊接的表面上，例如两个有待焊接的构件之间的接口(焊缝)上。在焊接期间，表面被充分加热，以使一部分金属蒸发，产生空腔(“通道”)，空腔后续被包围空腔的熔化材料所填充。在激光束焊接方面相对较近期的突破进展是高功率固态激光的发展，其如这里所限定的那样包括大于四千瓦和尤其八千瓦或更高的功率水平。具体的示例是固态激光器，其使用氧化镱(Yb₂O₃)，氧化镱呈圆盘形式(Yb：YG盘形激光器)或作为纤维中的内涂层(Yb纤维激光器)。已知这些激光器能够极大地提高效率和功率水平，例如从大约四千瓦提高至超过二十千瓦。

复合式激光电弧焊接(HLAW)也被称为激光复合焊接，它是将激光束焊接技术和电弧焊接技术组合起来，使得这两种焊接工艺在相同的熔融焊池中同时发生的工艺。在图1和图2中示意性地描绘了HLAW工艺的一个示例，其被执行来在两个工件16和18的接合面12和14之间产生对接焊接接头10。从图1中显而易见的，激光束20定向成与工件16和18的相邻表面24垂直，而电弧焊接工艺的电弧22和填充金属(未显示)定位在后部(后方)，并且朝着激光束20在工件表面24上的焦点26向前成角度。电弧焊接工艺例如可能是气体保护金属极电弧焊接(GMAW，也被称为金属极惰性气体保护(MIG)焊接)或气体保护钨电极电弧焊接(GTAW，也被称为钨电极惰性气体保护(TIG)焊接)，并且产生这里将被称为电弧投射部28的东西，电弧投射部28被投射到工件表面24上。电弧焊接工艺的后部定位也被称为“正手”焊接技术，并且所造就的电弧投射部28显示为包围激光束20的焦点26。由激光束20和电弧22所造就的熔融焊池(未显示)通常位于电弧投射部28内，或者略大于电弧投射部28。

HLAW工艺的好处包括能够提高焊透深度，并且/或者通过提高焊接工艺的行进速度(例如为传统的电弧焊接工艺的四倍)来提高生产率。这些好处可在焊接各种材料时获得，包括用于制造各种构件和结构的镍基合金、铁基合金、钴基合金、铜基合金、铝基合金和钛基合金，这些构件和结构包括用于发电应用中的风力涡轮机塔架的结构，以及意图用于其它各种广泛应用(包括航空、基础设施、医疗应用、工业应用等等)的构件和结构。

即使已知激光束焊接具有上面提及的好处，但是在焊接某些材料时可能产生限制。作为一个非限制性的示例，由镍基超级合金形成的熔融焊池倾向于呈现比其它金属材料(例如软钢、不锈钢和低合金钢)更低的流动性和减少的浸湿性。这种“粘滞性”可能导致所造就的焊接接头中的缺陷，例如，在焊道区域中的交迭缺陷，这在这里被称为焊道趾或简单地称为焊趾。图3和图4是显示了由HLAW工艺产生的焊道的图像，其具有交迭的焊接缺陷，其特征为不规则的侧部边缘。如从图3和图4中显而易见的那样，不规则的焊道边缘由焊趾限定，焊趾使通过焊道焊接在一起的构件的相邻基体材料交迭起来，以在焊道和基体材料之间限定过渡区域。

从为经历周期性操作的构件实现更长寿命的观点来看，减少或消除由HLAW工艺产生的焊接接头中不规则的焊趾将是特别有利的。一个商业示例是制造风力涡轮机塔架，风力涡轮机塔架的制造需要对接焊接接头，以将塔架的非常长且厚的区段连结起来。

发明内容