[发明专利]一种全位置熔化极电弧-激光双面复合焊接工艺及其设备

说明书

本发明公开了一种全位置熔化极电弧‑激光双面复合焊接工艺及其设备，焊接设备由熔化极弧焊电源、送丝系统、光纤激光器系统、全位置焊接小车、导轨、焊枪调节机构、焊缝自动跟踪系统、控制系统构成，利用熔化极电弧和光纤激光在工件两侧进行对称双面焊接。本发明利用电弧加热作用可提高金属对激光的吸收率、增加金属激光焊过程中匙孔稳定性和激光的能量利用率；利用激光和电弧对称加热时形成的热集聚区效应，使热量不易散失，可以大幅度地提高激光和电弧焊的熔深，实现中厚壁管道的高效、优质连接。

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别是一种全位置熔化极电弧-激光双面复合焊接工艺及其设备。

背景技术

随着我国能源工业的发展和能源结构的调整，管道工程建设也迅猛发展，随之带来的管道工程建设质量问题也成为人们关注的焦点。管道全位置焊是管道现场施工中的关键环节，直接关系到工程的质量、施工效率和成本。目前我国的手工电弧焊、药芯焊丝半自动电弧焊和熔化极气体保护自动焊(GMAW)已经成熟应用，尤其是GMAW在管道建设中发挥了重要作用，但缺点是完成一个接头需要多个焊枪和多层焊道。

激光焊接与传统电弧焊工艺相比的主要优势是激光深熔焊接模式可以获得大深宽比的焊缝，一次熔深大，所需焊道数量较少，从而大大减少焊接变形。所以，用激光焊替代目前管道焊接中使用的传统焊接方法(主要是手工电弧焊和熔化极气体保护焊)，使得不开坡口进行单道焊接或大大减少焊接层数成为可能，进而在焊接速度和焊接生产效率上有较大的提高，更重要的是能够减小焊接变形。同时由于焊接热源能量密度集中，线能量小，HAZ很窄，使得焊接接头的力学性能优异。但是，由于激光焊工艺复杂、设备造价高昂、对工件装配精度要求高等缺陷，难以大范围的推广应用。

激光-电弧复合热源焊接技术由英国学者W.Steen于20世纪70年代末期首次提出，其主要思想就是有效利用激光能量，实现在较小的激光功率条件下获得较大的焊接熔深，同时提高激光焊接对焊缝间隙的适应性，实现高效率、高质量的焊接过程。目前，激光-电弧复合焊接技术已成功用于造船、汽车、储存容器制造和管线焊接领域，其优点是能够提高焊接速度、增加可焊材料的截面厚度、减少设备和焊接变形，同时，还可以改善临界疲劳工况下的焊接外形。但是，激光-电弧复合焊也存在一些问题：1)激光束要穿过弧柱才能达到工件表面，当电弧电流较大时激光能量的损耗严重；2)电极直接暴露于激光等离子体中，易受污染、烧损严重；3)旁轴复合时，电弧与激光束成一定角度，引起复合热源在工件上的作用区域为非对称分布，当电流增大到一定程度后，激光与电弧的作用点产生严重分离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全位置熔化极电弧-激光双面复合焊接工艺及其设备，提高管道焊接效率、减少焊接变形、改善焊接质量、降低焊接成本。

实现本发明目的的技术方案为：一种全位置熔化极电弧-激光双面复合焊接设备，包括熔化极弧焊电源、送丝系统、熔化极焊枪、焊枪调节机构、光纤激光器系统、激光头、激光调节机构、第一全位置焊接小车、第二全位置焊接小车、第一导轨、第二导轨、焊缝自动跟踪系统和控制系统；

所述光纤激光器系统通过光纤与激光头连接；所述熔化极弧焊电源通过送丝系统与熔化极焊枪连接，所述熔化极焊枪、激光头分别与焊枪调节机构、激光调节机构连接，所述焊缝自动跟踪系统设置在激光调节机构上，所述焊枪调节机构、激光调节机构分别设置在第一全位置焊接小车和第二全位置焊接小车上，第一全位置焊接小车和第二全位置焊接小车分别位于第一导轨和第二导轨上移动；

利用熔化极电弧和光纤激光在工件两侧进行对称双面焊接，激光头在工件背面进行激光深熔焊，熔化极焊枪在工件正面进行打底、填充和覆盖工件的坡口，在第一全位置自动焊接小车和第二全位置焊接小车驱动下完成工件的全位置焊接。

进一步的，所述熔化极焊枪数量为1个，激光头发出的激光束和熔化极焊枪在一条轴线上，分布在工件两侧；轴线与工件的夹角为80°-100°，填充焊丝伸出长度为15-30mm。