(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210530312.8 (22)申请日 2022.05.16 (71)申请人 兰州理工大 学 地址 730050 甘肃省兰州市七里河区兰工 坪路287号 (72)发明人 张刚　张冰　任自友　朱明　 顾玉芬　石玗　 (74)专利代理 机构 河南大象律师事务所 41 129 专利代理师 张辉 (51)Int.Cl. B23K 26/348(2014.01) B23K 26/60(2014.01) B23K 26/70(2014.01) (54)发明名称 一种中厚板靶向激光辅助TIG深熔打底焊接 方法及焊 接装置 (57)摘要 本发明涉及一种中厚板靶向激光辅助TIG深 熔打底焊接方法和焊接装置。 焊接方法包括以下 步骤： 1)对中厚板待焊接工件的Y型坡口进行清 理， 并固定在焊接控制平台上； 2)中厚板待焊接 工件上方沿焊接方向依次设有T IG焊枪和激光焊 接头， 打开送气阀， T IG焊枪起弧， 由T IG焊枪和激 光焊接头进行焊接； 3)焊接结束后， 先断开光纤 激光器的电源， 再断开T IG焊机的电源， 关闭送气 阀。 本发明利用低频高占空比脉冲TIG电流在中 厚板待焊接工件上形成较大体积和熔深的电弧 熔池， 并在脉冲峰值电流下降沿前端施加靶向脉 冲激光， 穿透TI G熔池底部 液态金属薄膜形成 “小 孔”， 实现焊缝全熔透， 在此基础上， 可实现中厚 板无背衬 板的可靠全自动打底单面焊双面成形。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 114952005 A 2022.08.30 CN 114952005 A 1.一种中厚板靶向激光辅助TIG深熔打底焊接方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 1)对中厚板待焊接 工件的Y型坡口进行清理， 并固定在焊接控制平台上； 2)中厚板待焊接工件上方沿焊接方向依次设有TIG焊枪和激光焊接头， 打开送气阀， TIG焊枪起弧， 由TIG焊枪和激光焊接 头进行焊接； 其中， 由TIG焊机向TIG焊枪输出脉冲频率为1 ‑2.5Hz， 占空比为75％ ‑85％的低频高占 空比脉冲 矩形波电流， 位于TIG焊枪下方的中厚板待焊接工件被熔化形成电弧熔池， 并使电 弧熔池前端液态金属被排 开至电弧熔池后端以在电弧熔池底部形成液态金属薄膜； 由光纤激光器向激光焊接头输出脉冲激光， 以在脉冲峰值电流下降沿前端施加靶向脉 冲激光， 激光斑点作用位置位于电弧熔池前端， 以对电弧熔池底部的液态金属薄膜进行冲 击形成“小孔”， 并形成全熔透熔池， 其中脉冲激光的脉冲周期与脉冲电流周期一致， 脉冲激 光作用电弧熔池前端的时间为10 0‑250ms； 3)焊接结束后， 先断开 光纤激光器的电源， 再断开TIG焊机的电源， 关闭送气阀。 2.根据权利要求1所述的中厚板靶向激光辅助TIG深熔打底焊接方法， 其特征在于： 在 步骤2)中， 脉冲激光作用电弧熔池相位约在脉冲峰值电流作用熔池下降沿前100 ‑300ms之 间。 3.根据权利要求1所述的中厚板靶向激光辅助TIG深熔打底焊接方法， 其特征在于： 在 步骤2)中， TIG焊枪垂直于中厚板待焊接工件放置， 激光焊接头输出的激光束与TIG焊枪的 钨极中心线夹角为25 ‑35度。 4.根据权利要求1所述的中厚板靶向激光辅助TIG深熔打底焊接方法， 其特征在于： 在 步骤2)中， 施焊时， 将TIG焊枪放置于中厚板待焊接工件Y型坡口的中心位置， TIG焊枪的钨 极高于钝 边的上沿1 ‑2mm。 5.一种使用权利要求1中焊接方法的焊接装置， 其特征在于： 包括脉冲TIG焊机、 TIG焊 枪、 光纤激光器、 激光焊接头和 焊接控制平台， TIG焊枪和 激光焊接头位于焊接控制平台上 方并沿焊接方向依次设置； 其中， 焊接控制平台用于固定中厚板待焊接 工件； TIG焊机用于向TIG焊枪输出脉冲频率为1 ‑2.5Hz， 占空比为75％ ‑85％的低频高占空比 脉冲矩形波电流， 位于TIG焊枪下方的中厚板待焊接工件被熔化形成电弧熔池， 并使电弧熔 池前端液态金属被排 开至电弧熔池后端以在电弧熔池底部形成液态金属薄膜； 光纤激光器用于向激光焊接头输出脉冲激光， 以在脉冲峰值电流下降沿前端施加靶向 脉冲激光， 激光斑点作用位置位于电弧熔池前端， 以对电弧熔池底部的液态金属薄膜进行 冲击形成“小孔”， 并形成全熔透熔池， 其中脉冲激光的脉冲周期与脉冲电流周期一致， 脉冲 激光作用电弧熔池前端的时间为10 0‑250ms。 6.根据权利要求5所述的焊接装置， 其特 征在于： 所述焊接控制平台为可运动平台。 7.根据权利要求5所述的焊接装置， 其特征在于： 该焊接装置还包括输出上述脉冲电流 与脉冲激光相位波形的波形输出控制系统， 波形输出控制系统与TIG焊机和光纤激光器均 连接。 8.根据权利要求5所述的焊接装置， 其特征在于： 所述TIG焊枪垂直于中厚板待焊接工 件放置， 激光焊接 头输出的激光束与TIG焊枪的钨极中心线夹角为25 ‑35度。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114952005 A 2一种中厚板靶向激光辅助TIG深熔打 底焊接方法及焊接装 置 技术领域 [0001]本发明涉及焊接技术领域， 具体涉及一种中厚板靶向激光辅助TIG深熔打底焊接 方法及焊接装置 。 背景技术 [0002]核能是满足 能源供应、 保证国家安全的重要支柱 之一。 核能发电在技术成熟性、 经 济性、 可持续性等方面具有很大的优势,相较于水电、 风电具有无间歇性、 受自然条件约束 少等优点,是一种可以大规模替代化石能源的清洁能源。 但是在大力发展核电产业的同时， 我国核工业再度面临新的危机与挑战， 其中供给核电站的核燃料生产、 加工产生的系列低 放核废料及乏燃料后处理处置是核工业的短板， 必将制约核能的可持续发展。 按目前国家 制定的核燃料闭式循环策略， 从核反应堆卸出的乏燃料经水池储存一定时间后必须转运至 乏燃料后处理厂进行铀资源回收、 减少高放废物量并降低其毒性的处理。 考虑到人类和环 境的安全， 须要将回收后的高放废物采用专用容器储存并做永久地质贮存处理， 贮存容器 在地下要存放几万到几十万年直至高放废物衰变到无公害 水平。 因此高低放核废料长周期 安全贮存的特殊要求， 对核级贮存容器的制造质量提出更高严苛要求。 其中， 贮存容器的高 质量焊接制造和可靠性质量检测是保障核安全运行的重中之重， 尤其对其焊接制造工艺提 出了全新的高标准要求。 [0003]目前， 此类中厚板核级制造容器中基本都采用背加衬板的手工TIG打底焊和埋弧 填充、 盖面焊接工艺。 由于手工TIG打底焊接对焊工焊接技能水平要求较高， 且人工焊接效 率低下， 熔深较小(约3 mm)， 焊接质量不可控因素较多， 容易引发质量安全事故， 易造成核废 料泄露等严重事故。 因此， 急需发展全自动化高效的中厚板深熔焊接方法对核级容器高效 高质量制造具有十分重要的现实价 值。 [0004]纵观当前的相关研究发现， 中厚板焊接常用的焊接方法主要通过等离子焊接， 等 离子焊接对于 薄钢板可以实现在不开坡口的情况下的单面焊双面 成形， 但对于10 mm以上的 钢板仍然需要开坡口且焊枪尺 寸较大， 需要较大的坡口角度， 焊接填充量大幅增加， 因此并 不适用于核级容器的打底焊， 尤其是对于16 mm以上厚度的中厚钢板的核级容器。 焊接前， 中 厚钢板上开设有坡口和大钝边(5mm以上)， 现有的焊接方式无法单次全熔透上述中厚板的 大钝边， 因此无法实现一次单面焊双面成形， 导 致焊接效率低下、 焊接质量 不稳定的问题。 发明内容 [0005]本发明的目的是提供一种中厚板靶向激光辅助TIG深熔打底焊接方法， 以解决现 有技术中存在的中厚板焊接时无法全熔透大钝边导致单面焊双面成形能力不足带来的焊 接效率低、 焊接质量不稳定 以及不符合国际标准对核级容器制造的打底焊工艺要求的问 题； 同时， 本发明的目的还在于提供一种使用上述焊接方法的焊接装置 。 [0006]为实现上述目的， 本发明的一种中厚板靶向激光辅助TIG深熔打底焊接方法采用 如下技术方案： 一种中厚板靶向激光辅助TIG深熔打底焊接方法， 包括以下步骤：说　明　书 1/5 页 3 CN 114952005 A 3