一种大厚板窄间隙激光填丝焊成形质量的控制方法技术

本公开揭示了一种大厚板窄间隙激光填丝焊成形质量的控制方法，逐层的利用各层焊接参数、焊道尺寸和坡口张开角度和初始反变形角度ε，最终确定出每一层焊道的焊接参数及实际焊接时的预置反变形角度，其中，通过比较所有的坡口张开角度之和与当前ε，即比较累计角变形与当前ε来决定是否增大或减小当前ε并重新开始逐层计算，直至累计角变形与当前ε极其接近：即度时，说明ε合理，则结束计算并且将当前的ε值作为实际焊接时的预置反变形角度。接时的预置反变形角度。接时的预置反变形角度。

【技术实现步骤摘要】
一种大厚板窄间隙激光填丝焊成形质量的控制方法


[0001]本专利技术属于焊接
，特别是一种大厚板窄间隙激光填丝焊成形质量的控制方法。

技术介绍

[0002]大厚度、大尺寸结构件在航空、航天、船舶、核电等领域被广泛应用于关重件，担当主承力结构的重要角色。目前此类构件常用的制造方法有三种，第一种是整体锻造，第二种是拼焊后数控加工，第三种是增材制造后数控加工。其中，整体锻造需要非常大型的锻压设备，还需要加工模具使零件一次成型，设备成本高，而增材制造后数控加工是新技术，虽然它具备不受构件尺寸限制的优点，但技术成熟度还有待提高。因此，焊接技术在大厚度、大尺寸结构件的制备中有着非常广阔的应用前景。
[0003]关于大厚板的窄间隙电弧焊接方面，电弧焊接的主要不足之处在于焊接坡口与焊缝熔宽的最小值受到焊枪尺寸的限制。焊接时，焊枪必须伸进坡口根部，即使采用特制的小尺寸焊枪，坡口宽度仍然较大。此外，窄间隙电弧焊还面临电弧根部可能漂移到坡口侧壁表面的问题，导致电弧和焊接过程不稳定。
[0004]相比之下，采用电子束或激光束进行大厚度板的焊接，具有工作距离大、热量传递精准灵活、能量密度高、传输性和聚焦性好、焊接热输入和变形较小的优点。
[0005]真空电子束焊接技术具有能量密度高、热输入小、焊缝深宽比大、焊接变形小、稳定性好等优点，是厚结构件焊接常用方法。但是，真空电子束焊也存在其自身的局限性，当待焊构件的尺寸大于电子束焊真空腔室的尺寸时，真空电子束焊将不再适用。
[0006]激光焊，其与电子束焊同为高能束焊，具有能量密度高、热影响区小、高的焊接速度和焊接质量好的优点，还可以在大气环境下焊接，与真空电子束焊相比，焊接适应性更好。激光填丝焊单道多层可以实现小功率激光器对大厚板的焊接，既保留了激光焊的优点，又不受构件尺寸的限制，因此，激光填丝焊将会是未来重点发展的焊接技术。
[0007]但是，大厚板在多层焊接过程中会引起板厚方向横向收缩不均匀，焊接结束后接头存在残余角变形。由于大厚板窄间隙激光摆动填丝焊接的焊道层数较多、每层参数不同，每道焊缝焊接的引起的角变形即焊后累计的残余角变形很难预测，焊前如何确定出一个合理的反变形角度成为一个技术难题。
[0008]在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的问题，本专利技术提出一种大厚板窄间隙激光填丝焊成形质量的控制方法，所述方法很好的解决了大厚板窄间隙激光填丝焊多层焊接缺陷与角变形控制难、成品率低的问题。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0011]一种大厚板窄间隙激光填丝焊成形质量的控制方法，包括如下步骤：
[0012]S100、针对大厚板窄间隙工件的一个试板，对其设计V型坡口并预设一个焊接前的初始反变形角度ε，同时得到如下各个大于0的已知参数：试板的厚度T、第一层焊接缝焊前的坡口底部宽度D1、坡口的机加工角度θ；
[0013]S200、根据坡口的机加工角度θ和焊接前的初始反变形角度ε计算第一层焊接缝焊前的坡口张开角度α1，公式如下：
[0014]α1＝θ+ε
ꢀꢀꢀ
(1
‑
1)
[0015]式中，第一层焊接缝焊前的坡口张开角度α1、坡口的机加工角度θ以及焊接前的初始反变形角度ε的单位均为度；
[0016]S300、由于试板的坡口为V型坡口且坡口根部宽度D1大于0，因此，根据坡口的几何关系得到第一层焊接缝焊后的第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1的公式如下：
[0017]W1＝2H1×
tana1+D1ꢀꢀꢀ
(1
‑
2)
[0018]式中，第一层焊接缝焊前的坡口张开角度α1和第一层焊接缝焊前的坡口底部宽度D1均为已知；
[0019]S400、由于大厚板窄间隙激光填丝焊时的焊丝融化量为填充的焊接缝金属量，因此，进一步得到第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1的如下公式：
[0020](D1+W1)
×
H1×
0.5L＝(L
×
R
×
S)/V
ꢀꢀꢀ
(1
‑
3)
[0021]式中，L为焊道长度，单位为毫米；R为当前层的送丝速度，单位为米/分钟；S为焊丝横截面积，单位为平方毫米；V为当前层的焊接速度，单位为厘米/分钟；
[0022]其中，当试板和选择的焊丝确定后，由于试板尺寸确定，所以焊道长度L也是选择好的已知常数，焊丝横截面积S也同样为已知常数；当前层的送丝速度R和当前层的焊接速度V以及第一层焊接缝焊前的坡口底部宽度D1同样已知；示例性的，假如试板100mm，L就小于100，在100内取即可，例如80；焊丝一旦确定，由于L已确定，焊丝横截面积S也确定；
[0023]S500、联立所述步骤S300和S400中的两个公式(1
‑
2)、公式(1
‑
3)，对第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1进行求解；
[0024]S600、由于第一层焊接缝焊后，焊接缝区会因为实际的焊接而产生收缩变形，因此，通过步骤S500求解出的第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1属于理想值，进一步的，根据实际的焊接而产生的收缩变形修正第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1，修正过程的子步骤如下：
[0025]S601、将求解出的第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1的值，分别作为如下公式(1
‑
4)中的第i层焊道上表面宽度W
i
与第i层焊道金属填充高度H
i
代入，求解该第i次焊接导致的坡口角度变形量Δα
i
：
[0026]Δα
i
＝f(H
i
，W
i
)
ꢀꢀꢀ
(1
‑
4)
[0027]由于此时i＝1，从而得出第一次焊接后的焊接角变形量Δα1；i为自然数，其从1开始，表示第i次焊接；
[0028]在至少2组关于第i层焊道上表面宽度W
i
、第i层焊道金属填充高度H
i
、该第i次焊接导致的坡口角度变形量Δα
i
的预先试验数据的支持下，式中f表达式及该表达式中的系数，
其由Origin软件或其他类似软件、直接拟合得出；
[0029]S602、根据步骤S200计算的第一层焊接缝焊前的坡口张开角度α1以及步骤S601所得的Δα1，进一步得到修正后的第一层焊接缝焊前的坡口张开角度a1′
：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大厚板窄间隙激光填丝焊成形质量的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：S100、针对大厚板窄间隙工件的一个试板，对其设计V型坡口并预设一个焊接前的初始反变形角度ε，同时得到如下各个大于0的已知参数：试板的厚度T、第一层焊接缝焊前的坡口底部宽度D1、坡口的机加工角度θ；S200、根据坡口的机加工角度θ和焊接前的初始反变形角度ε计算第一层焊接缝焊前的坡口张开角度α1，公式如下：α1＝θ+ε
ꢀꢀ
(1
‑
1)式中，第一层焊接缝焊前的坡口张开角度α1、坡口的机加工角度θ以及焊接前的初始反变形角度ε的单位均为度；S300、由于试板的坡口为V型坡口且坡口根部宽度D1大于0，因此，根据坡口的几何关系得到第一层焊接缝焊后的第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1的公式如下：W1＝2H1×
tana1+D1ꢀꢀ
(1
‑
2)式中，第一层焊接缝焊前的坡口张开角度α1和第一层焊接缝焊前的坡口底部宽度D1均为已知；S400、由于大厚板窄间隙激光填丝焊时的焊丝融化量为填充的焊接缝金属量，因此，进一步得到第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1的如下公式：(D1+W
11
)
×
H1×
0.5L＝(L
×
R
×
S)/V
ꢀꢀꢀ
(1
‑
3)式中，L为焊道长度，单位为毫米；R为当前层的送丝速度，单位为米/分钟；S为焊丝横截面积，单位为平方毫米；V为当前层的焊接速度，单位为厘米/分钟；其中，当试板和选择的焊丝确定后，由于试板尺寸确定，所以焊道长度L也是选择好的已知常数，焊丝横截面积S也同样为已知常数；当前层的送丝速度R和当前层的焊接速度V以及第一层焊接缝焊前的坡口底部宽度D1同样已知；S500、联立所述步骤S300和S400中的两个公式(1
‑
2)、公式(1
‑
3)，对第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1进行求解；S600、由于第一层焊接缝焊后，焊接缝区会因为实际的焊接而产生收缩变形，因此，通过步骤S500求解出的第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1属于理想值，进一步的，根据实际的焊接而产生的收缩变形修正第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1，修正过程的子步骤如下：S601、将求解出的第一层焊道上表面宽度的理论值W1与第一层焊道金属填充高度的理论值H1的值，分别作为如下公式(1
‑
4)中的第i层焊道上表面宽度W
i
与第i层焊道金属填充高度H
i
代入，求解该第i次焊接导致的坡口角度变形量Δα
i
：Δα
i
＝f(H
i
，W
i
)
ꢀꢀ
(1
‑
4)由于此时i＝1，从而得出第一次焊接后的焊接角变形量Δα1；i为自然数，其从1开始，表示第i次焊接；在至少2组关于第i层焊道上表面宽度W
i
、第i层焊道金属填充高度Hi、该第i次焊接导致的坡口角度变形量Δα
i
的预先试验数据的支持下，式中f表达式及该表达式中的系数，其由Origin软件或其他类似软件、直接拟合得出；
S602、根据步骤S200计算的第一层焊接缝焊前的坡口张开角度α1以及步骤S601所得的Δα1，进一步得到修正后的第一层焊接缝焊前的坡口张开角度a1′
：a1′
＝a1‑
Δa
1 (1
‑
5)；S603、进一步，联立如下公式得到修正后的第一层焊道上表面宽度W1′
和修正后的第一层焊道金属填充高度H1′
：W1′
＝2H1′×
tana1′
+D1ꢀꢀꢀ
(1
‑
6)(D1+W1′
)
×
H1′×
0.5L＝(L
×
R
×
S)/V
ꢀꢀꢀ
(1
‑
7)；S700、针对第二次焊接，由于第二次焊接是在第一次焊接后的基础上，沿V型坡口同上叠加，因此，修正后的第一层焊道上表面宽度W1′
作为第二层焊接缝焊前的坡口底部宽度D2，并且，修正后的第一层焊接缝焊前的坡口张开角度a1′
作为第二层焊接缝焊前的坡口张开角度α2，于是有如下公式：D2＝W1′ꢀꢀꢀ
(1
‑
8)α2＝a1′ꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
9)W2＝2H2×
tan a2+D2ꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
10)(D2+W2)
×
H2×
0.5L＝(L
×
R
×
S)/V
ꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
11)从而，通过联立公式(1
‑
10)、(1
‑
11)可求解第二层焊道上表面宽度的理论值W2与第二层焊道金属填充高度的理论值H2；S800、进一步，对第二层焊道上表面宽度的理论值W2与第二层焊道金属填充高度的理论值H2进行修正，修正的子步骤如下：S801、将求解出的第二层焊道上表面宽度的理论值W2与第二层焊道金属填充高度的理论值H2，分别作为前述公式(1
‑
4)中的第i层焊道上表面宽度W
i
与第i层焊道金属填充高度H
i
代入，求解该第i次焊接导致的坡口角度变形量Δα
i
，此时i＝2；由于此时i＝2，从而得出第二次焊接后的焊接角变形量Δα2；S802、根据前述第二层焊接缝焊前的坡口张开角度α2以及所得的Δα2，得到修正后的第二层焊接缝焊前的坡口张开角度a2′
：a2′
＝a2‑
Δa2ꢀꢀꢀ
(1
‑
12)；S803、进一步，联立如下公式得到修正后的第二层焊道上表面宽度W2′
和修正后的第二层焊道金属填充高度H2′
：W2′
＝2H2′×
tan a2′
+D2ꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
13)(D2+W2′
)
×
H2′×
0.5L＝(L
×
R
×
S)/V
ꢀꢀꢀ
(1
‑
14)；S900、类似的，当i为大于等于3的情形时，针对当前的第i次焊接，由于第i次焊接是在第i次焊接后的基础上，沿V型坡口向上叠加，因此，修正后的第i
‑
1层焊道上表面宽度W
i
‑1′
作为第i层焊接缝焊前的坡口底部宽度D
i
，并且，修正后的第i
‑
1层焊接缝焊前的坡口张开角度a
i
‑1′
作为第i层...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁杰，张林杰，龙健，白立安，梁文生，
申请(专利权)人：西安远飞航空技术发展有限公司，
类型：发明
国别省市：