專利名稱：用于利用邊緣焊接進(jìn)行復(fù)合多厚度激光－電弧焊接的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將一種結(jié)合一激光束與一電弧的復(fù)合焊接法應(yīng)用于多厚度焊接(multi-thickness welding)，即應(yīng)用于通過(guò)焊接將若干相互堆疊的金屬工件接合在一起，其中，沿邊緣，即沿待焊接工件的側(cè)向邊緣進(jìn)行焊接。
背景技術(shù)：
已知的是，從工業(yè)的角度來(lái)看，多厚度焊接，即若干相互疊置的金屬工件-一般是至少3個(gè)相互疊置的工件-的焊接不容易實(shí)現(xiàn)。
目前，如

圖1a至1c所示，當(dāng)若干疊置的工件1至4必須通過(guò)例如利用激光焊接、電弧焊接或電子束焊接沿一焊接接頭J進(jìn)行焊接而接合在一起時(shí)，常規(guī)做法是通過(guò)下述方法熔化工件1至4從位于緊對(duì)著發(fā)送焊接能量ES(即電弧、激光束、電子束等)的焊炬的第一工件1的側(cè)面上的熔化部位F開(kāi)始，以便使該熔化部分F穿過(guò)該第一工件1的整個(gè)厚度和設(shè)置在該第一工件1下方的工件2至4的連續(xù)厚度(沿箭頭F1的方向)，直到實(shí)現(xiàn)沿工件1至3的厚度的完全熔化和位于該堆疊層下方的最后工件4，即離第一工件1最遠(yuǎn)的工件的完全或部分熔化。一旦實(shí)現(xiàn)這種熔化，就使焊炬和工件1至4彼此相對(duì)移動(dòng)，以便沿整個(gè)焊道(沿箭頭F2的方向)繼續(xù)進(jìn)行該熔化，從而形成所需的焊接接頭J。
然而，這種焊接若干疊置工件的方法存在一些問(wèn)題。
首先，已知的是，必須使幾乎所有的工件全部穿透需要應(yīng)用較大的焊接能量，而且，待接合在一起的工件數(shù)目越多，最重要的是待熔化的總厚度越大，則需要應(yīng)用的焊接能量越大。
因此，如果能量不夠，則最后的工件，即位于堆疊層下方的工件的焊接可能會(huì)完不成或者有缺陷。
另外，當(dāng)待焊接的工件是薄板，典型地為具有0.3-1.5mm厚度的薄板時(shí)，經(jīng)?？梢杂^察到，這些薄板的端部由于在焊接期間所施加的高能而產(chǎn)生變形，因而使這些邊緣或端部隆起，這可能會(huì)由于存在尖銳的突出邊緣而產(chǎn)生以后的腐蝕問(wèn)題并存在對(duì)使用者的危害。
其次，由于通常沒(méi)有足夠的用于將裝配夾具放置在焊縫的各側(cè)上的空間，不容易完成夾緊操作，即相互擠壓這類組件的薄板并使它們保持在適當(dāng)位置的操作。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提出一種用于解決上述問(wèn)題并獲得有效及改善的焊接若干疊置的金屬工件，即多厚度焊接的焊接方法。
因此，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種利用至少一個(gè)激光束和至少一個(gè)電弧的用于若干待焊接金屬工件的復(fù)合電弧/激光焊接方法，其特征在于，所述金屬工件以一多厚度構(gòu)形疊置，并且所述激光束和所述電弧沿邊緣焊接所述多厚度構(gòu)形。
根據(jù)各種情況，本發(fā)明的方法可以包括下列技術(shù)特征中的一個(gè)或多個(gè)-電弧和激光束沖擊和焊接位于邊緣上的同一區(qū)域；-電弧和激光束沖擊沿多厚度構(gòu)形的厚度(E)的大約中間距離處；-工件為金屬板或薄板；-激光束由一CO2或YAG型激光振蕩器產(chǎn)生；-多厚度構(gòu)形包括2-100個(gè)工件，優(yōu)選地為3-10個(gè)工件；-多厚度構(gòu)形的總厚度(E)在0.5mm和20mm之間，優(yōu)選地為1-10mm；-激光束和等離子弧結(jié)合在一起通過(guò)一焊接噴嘴的同一孔發(fā)送；-在焊接期間，使用一種包含氬氣或氦氣，或同時(shí)包含這二者的氣體；-電弧由一自耗或非自耗電極產(chǎn)生；-待焊接的工件由從鐵素體或奧氏體、合金或非合金鋼中選定的一種材料制成，并可選地涂覆有一鍍鋅層；以及
-邊緣焊接的穿透深度(D)在0.5mm和10mm之間，優(yōu)選地在0.5-1mm之間。
具體實(shí)施例方式
圖2-10中示出根據(jù)本發(fā)明的用于多厚度構(gòu)形的若干疊置的工件的復(fù)合電弧/激光焊接法。
根據(jù)本發(fā)明，如圖2中所示，待通過(guò)焊接接合在一起的金屬工件1至4-在本實(shí)施例中為4塊薄鋼板或鋼板-首先疊置成必須進(jìn)行焊接的多厚度構(gòu)形。
較確切地說(shuō)，工件1至4以這樣的方式設(shè)置，即使它們的各自邊緣1a至4a面向發(fā)送激光束和電弧的焊接頭定位。
然后激光束和電弧(它們由箭頭5示意性地表示)沖擊多厚度組件或構(gòu)形的工件1至4的邊緣1a至4a，以便熔化上述邊緣1a至4a，和隨后通過(guò)熔融金屬的固化在所述邊緣(1a至4a)處在所述金屬工件之間形成一焊接接頭6，如圖3、9和10所示。
換句話說(shuō)，本發(fā)明的焊接方法在于在激光束和電弧的共同作用下通過(guò)熔化邊緣1a至4a，即位于待接合工件1至4的端部的邊緣將工件接合在一起，而不再像先有技術(shù)中通常采用的以及圖1a至1c所示的那樣，通過(guò)熔化、通過(guò)利用在一工件側(cè)面上開(kāi)始的焊接而穿透全部工件。
焊接接頭6可以通過(guò)全部熔化工件1至4中的每一個(gè)的邊緣，即沿整個(gè)厚度E進(jìn)行熔化而形成，如圖3所示，或者通過(guò)全部熔化位于組件中心的工件2、3和僅部分熔化位于多厚度組件各側(cè)上的工件1和4的邊緣而形成，如圖9中所示，該圖9表明，盡管工件1和4的邊緣1a和4a中的一部分均沒(méi)有熔化，但仍然可獲得多厚度組件的僅具有一較小厚度e(e＜E)的有效焊接接頭6。
根據(jù)本發(fā)明的方法，因?yàn)闆](méi)有必要全部熔化多厚度組件的整個(gè)厚度E(見(jiàn)圖9)，所以很容易理解的是，待施加的能量比先有技術(shù)中(圖1a-1c)通常施加的能量少，這相應(yīng)地使焊接工件變形的危險(xiǎn)減至最小。
此外，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的焊接沿邊緣進(jìn)行，因此這樣焊接的工件1至4的端部不會(huì)再隆起和構(gòu)成對(duì)用戶有危險(xiǎn)并促生以后的腐蝕的尖銳突邊。
而且，復(fù)合方法可以獲得邊緣焊接所需的焊縫穿透和擴(kuò)散，因?yàn)閱斡眉す饣蛘邌斡秒娀《疾荒塬@得與良好的工業(yè)生產(chǎn)率相適應(yīng)的焊接速度和穿透及擴(kuò)散。作為一示例，對(duì)于一種其中4張1mm和0.5mm厚的薄板由一3KW CO2激光功率和一130A電弧電流沿邊緣進(jìn)行焊接的3mm多厚度構(gòu)形，可以獲得約4-5m/min的焊接速度。
本發(fā)明的方法不僅可以用于焊接其邊緣1a至4a位于同一平面中的工件，如圖2所示，而且可以焊接其邊緣1a至4a位于不同平面中的工件，例如各邊緣形成一樓梯狀組件(圖4)或具有若干平面或臺(tái)階的組件(圖5-7)。
此外，盡管已經(jīng)通過(guò)描述焊接由4塊板所形成的多厚度構(gòu)形而舉例說(shuō)明了該方法，但可以證明該方法同樣可適用于只包括2個(gè)或3個(gè)工件的構(gòu)形，例如圖8中所示的具有3個(gè)工件1至3的構(gòu)形，或者可選地，包括至少5個(gè)工件的構(gòu)形。在所有情況下，沿邊緣，即沿圖2至8中箭頭5的方向沖擊并熔化工件對(duì)激光束和電弧來(lái)說(shuō)都是基本的。
本發(fā)明的方法可以焊接其總厚度在0.5mm和20mm之間的多厚度組件。待焊接的工件可以分別具有相同的厚度或不同的厚度。
可用于本發(fā)明的復(fù)合電弧/激光焊接法是十分普通的方法，并且基于沖擊同一點(diǎn)或同一區(qū)域的一激光束和一電弧的組合，以便該電弧能和激光束能結(jié)合以獲得待焊接工件的有效熔化。
這種技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的，并且復(fù)合電弧/激光焊接法在例如下列文獻(xiàn)中已有介紹EP-A-1162026；EP-A-1160047；EP-A-1160046；EP-A-1160048；WO-A-02/16071；EP-A-793558；EP-A-782489；EP-A-800434；US-A-5006688；US-A-5700989；EP-A-844042；鋁合金5052的激光GTA焊接，T.P.Diebold and C.E.Albright，1984，P.18-24；SU-A-1815085；US-A-4689466；Laser-plasma復(fù)合焊接，R.P.Walduck和J.Biffin，P.172-176，1994；或厚的低碳鋼板、接頭和材料的Laser-TIG復(fù)合焊接或Laser-MIG復(fù)合焊接。
電弧/激光法包括在一自耗或非自耗電極和一個(gè)或多個(gè)待焊接工件之間產(chǎn)生一電弧，以及將一高功率激光束，尤其是一YAG型或CO2型激光聚焦在電弧區(qū)域中，即聚焦在待焊接接合面附近或其中。
應(yīng)用復(fù)合電弧/激光焊接法要求使用一用于結(jié)合激光束、其聚焦裝置和一合適的自耗或非自耗焊接電極的焊接頭。激光束與電弧同時(shí)發(fā)射或者在電弧形成之后發(fā)射，以便上述激光束與電弧結(jié)合。
若干種焊接頭構(gòu)形在上述文獻(xiàn)中已有所介紹，并且可以概括性地指出，激光束和電弧可以由同一焊接頭發(fā)送，即通過(guò)同一孔射出，或者通過(guò)兩個(gè)分開(kāi)的焊接頭射出，其中一個(gè)發(fā)送激光束，而另一個(gè)發(fā)送電弧或等離子流，這二者在焊接區(qū)中結(jié)合，如例如文獻(xiàn)WO-A-01/05550或EP-A-1084789中所述。
為了產(chǎn)生焊接接頭，需要使用一種用于幫助激光束及屏蔽焊接區(qū)以防止外部侵害的輔助氣體和一種電弧用氣體，尤其是一用于在采用等離子弧方法時(shí)產(chǎn)生等離子體電弧射流的等離子氣體。
電弧可以是等離子弧射流、由一非自耗鎢電極產(chǎn)生的TIG弧或在一自耗電極的端部產(chǎn)生的MIG弧，并且能在其逐漸進(jìn)行熔化時(shí)為金屬焊池提供額外的填充金屬/焊料。在所有情況下，激光束和電弧結(jié)合以便獲得一足以熔化待焊接工件1至4的邊緣1a至4a的能量密度(焊接能量)局部集中。
本發(fā)明可用于將具有相同或不同厚度和/或相同或不同冶金成分或冶金級(jí)的工件接合在一起。
不用說(shuō)，為了獲得如圖10所示的一完整的焊接接頭6，待焊接的工件和焊接頭彼此相對(duì)移動(dòng)，也就是說(shuō)，或者是工件固定而焊接頭移動(dòng)，或者反之。
另外，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，可以在一個(gè)或多個(gè)焊道中進(jìn)行焊接。
本發(fā)明的方法可用于焊接由若干金屬厚度形成的可以進(jìn)行邊緣焊接并例如用于熱交換器的焊接部件的任何結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的方法還可用于管道或各部分的隆起邊緣的邊緣焊接，也就是說(shuō)，其邊緣伸到外部的具有相同或不同厚度的工件根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行邊緣焊接。
權(quán)利要求
1.一種利用至少一個(gè)激光束和至少一個(gè)電弧的用于若干待焊接金屬工件(1至4)的復(fù)合電弧/激光焊接方法，該方法的特征在于，所述金屬工件(1至4)以一多厚度構(gòu)形疊置，并且所述激光束和所述電弧沿邊緣(1a至4a)焊接所述多厚度構(gòu)形(1a，2a，3a，4a)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電弧和激光束沖擊和焊接位于邊緣上的同一區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述電弧和激光束沖擊沿多厚度構(gòu)形的厚度(E)的大約中間距離處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述工件為金屬板或薄板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述激光束由一CO2或YAG型激光振蕩器產(chǎn)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多厚度構(gòu)形包括2-100個(gè)工件，優(yōu)選地為3-10個(gè)工件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多厚度構(gòu)形的總厚度(E)在0.5mm和20mm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述激光束和等離子弧結(jié)合在一起通過(guò)一焊接噴嘴的同一孔發(fā)送。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在焊接期間，使用一種包含氬氣或氦氣，或同時(shí)包含這二者的氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，邊緣焊接的穿透深度(D)在0.5mm和10mm之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，點(diǎn)弧由一自耗或非自耗電極產(chǎn)生。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，待焊接的工件由從鐵素體或奧氏體、合金或非合金鋼中選定的一種材料制成，并可選地涂覆有一鍍鋅層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用至少一個(gè)激光束和至少一個(gè)電弧的用于若干待焊接金屬工件(1至4)的復(fù)合電弧/激光焊接的方法。本發(fā)明的特征在于，所述金屬工件(1至4)以一多厚度構(gòu)形疊置，并且促使所述激光束和所述電弧在所述多厚度構(gòu)形(1a，2a，3a，4a)的邊緣(1a至4a)上進(jìn)行焊接。
文檔編號(hào)B23K28/02GK1652896SQ03810385
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月7日
發(fā)明者P·勒菲弗, O·馬蒂勒 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會(huì)的有限公司, 法國(guó)焊接器材公司