[发明专利]焊接气保护装置、激光填丝焊接系统及焊接方法

说明书

本发明公开一种焊接气保护装置、激光填丝焊接系统及焊接方法，涉及激光填丝焊技术领域，特别适用于异种材料窄间隙的焊接。焊接气保护装置包括上部保护气拖罩装置和背面保护气装置，激光填丝焊接系统包括焊接气保护装置、高度调节机构、送丝系统、激光系统、数控控制台等。本发明的用于异种材料窄间隙的焊接气保护装置，结构设计合理，能够在异种材料窄间隙焊接过程中对焊接区的上下区域进行气体保护，解决激光窄间隙焊接气体保护不充分和不稳定的问题，有利于调控焊缝冷却速度，增强保护效果，提高了焊接效率，本发明的焊接气保护装置、激光填丝焊接系统及焊接方法能够获得满足焊接力学性能和表面成形良好的焊接接头，实用性强。

技术领域

本发明涉及激光填丝焊技术领域，特别是涉及一种用于异种材料窄间隙的焊接气保护装置、激光填丝焊接系统及焊接方法。

背景技术

中国聚变工程实验堆(CFETR)中的磁体容器多使用SUS316系列奥氏体不锈钢，磁体容器在磁场下需承受较大的电磁力作用，其外部结构材料的屈服强度需要满足1000MPa级，以目前条件下，一般的奥氏体不锈钢材料难以满足该强度条件。而GH4169镍基高温合金具有强度高、抗蠕变性能好和抗疲劳性能优异等特点，可用作上述磁体容器磁体线圈外部构件的部分材料。基于此，可以将磁体容器受力较大的部位采用强度较高的GH4169高温合金，其余部位均采用SUS316奥氏体不锈钢制造，因此需要提供一种用于GH4169和SUS316异种材料焊接的装置及方法。

异种材料焊接，由于两者的物理性能、化学性能及化学成分等有显著差异，异种材料焊接从焊接性和操作技术上都比同种材料难焊。若采用电弧焊等传统焊接方法，易导致接头变形，焊缝中易产生裂纹、气孔和夹杂等缺陷，且接头的强度较低。而激光焊具有能量密度高、热输入量小、焊接速度快、焊接变形小等特点，克服了传统焊接方法存在的问题。与激光自熔焊接相比，激光填丝焊接大大降低了热输入量，节约焊接成本，且具有显著的焊缝金属成分调整和冶金的特点，为SUS316奥氏体不锈钢和GH4169高温合金异种材料的焊接提供了解决方法。

GH4169和SUS316异种材料激光填丝焊接，特别是窄间隙激光填丝焊接，结合了激光焊和窄间隙焊的双重优势。然而，现有的技术对异种材料的厚板窄间隙激光填丝焊接的气体保护以及焊缝金属有效冷却成形的装置不够成熟。国内外现有的技术发明专利有：1)一种厚板超窄间隙激光填丝焊接用的气保护装置(专利公开号为CN106392319A)，采用主保护气流管和副保护气流管解决厚板超窄间隙激光填丝焊接气保焊装置保护效果不稳定的问题；2)一种厚板窄间隙激光焊接方法(专利公开号为CN104874919A)，通过可移动的送粉管运送焊料，用水平方向带有多个出气孔的气帘保护罩进行气体保护；3)一种激光填丝焊送丝及全方位气体保护复合机构(专利公开号为CN111014954A)，通过外罩体、内壳体的组合，对激光填丝焊接过程进行全方位的气体保护。

通过对国内外现有的与窄间隙激光填丝焊接相关专利的研究，发现多数发明专利并没有对焊接区上部进行充分的气体保护，难以有效减小金属蒸汽羽或者等离子云对激光的屏蔽；现有技术还缺少对接头背面的有效气体保护装置。另外，对于厚板窄间隙激光填丝焊接，由于坡口深且窄，保护气体难以进入坡口底部，目前采用的保护气嘴，对于20mm左右的可以保护到底部，但是焊件再厚一些，底部几层焊缝便会因为气体保护不充分而出现氧化、气孔等焊接缺陷，许多现有技术均未考虑到此方面的不足。同时，还有一些现有技术未考虑到对焊接接头的冷却保护，将影响焊缝的成形。

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明迫切提出一种有效的、可满足异种材料窄间隙激光填丝焊接的焊接接头气保护方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于异种材料窄间隙的焊接气保护装置、激光填丝焊接系统及焊接方法，以解决现有奥氏体不锈钢和高温合金异种材料窄间隙激光填丝焊接气体保护不稳定且不充分，焊缝冷却效果差，难以形成良好焊接接头的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：