CN102161134A - 变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，该方法首先将变极性方波钨极氩弧焊焊枪和激光束发射枪固定，提供以恒定速度移动的工件，并形成变极性方波钨极氩弧焊焊枪前置的方式，利用变极性方波钨极氩弧焊电弧使焊接工件表面区域的氧化膜等杂物去除并使之处于高温熔融状态，随后使激光束照射到焊接部分，从而加深变极性方波钨极氩弧焊时熔焊的熔深，完成焊接。本发明所采用的焊接方法，可以降低金属对激光的反射率，提高金属对激光能量的吸收率，从而提高了激光的有效加热深度，加大焊缝熔深，有效降低了焊缝宽度和热影响区宽度，最后能获得熔深较深，而热影响区特别小，外形美观的焊件。

Description

变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金等金属板材或型材对接焊接的方法，具体地说是一种通过同时使用变极性方波钨极氩弧和激光两种热源对铝合金等金属板材或型材进行对接焊接的方法，属于金属焊接技术领域。

背景技术

铝合金具有密度小、塑性好、易于加工成型、无低温脆性转变及耐大气腐蚀等许多优点，广泛应用于航空、航天、高速轨道列车或其它运载工具的结构材料，然而，由于铝合金材料特有的物理和化学特性，决定了其独特的焊接性。

铝合金的TIG焊接要求既要发挥阴极清理作用去除表面致密的氧化膜，又要减少钨极烧损，保持钨极端头形状。特别是在自动焊接中，高清理低钨极烧损的TIG焊接***成为人们期望的。沿着这一思路，铝合金TIG焊接方法经历了直流钨极接负(DCEN)、直流钨极接正(DCEP)、正弦波交流、方波交流发展到变极性方波TIG焊接。

变极性方波TIG焊接的核心器件就是变极性电源，其输出波形如图1所示，图1中，I_N为直流正接半波电流幅值，t_n为直流正接半波时间，I_p为直流反接半波电流幅值，t_p为直流反接半波时间，另外还包括焊枪、送气装置等。变极性电源作为近十年发展起来的一种新型焊接电源，继承了方波电源的优点，变极性电源是一种物出电源频率和正负半波(DCEP和DCEN)电流幅值、时间比可以分别独立调节的方波交流电源，可按不同材料、不同焊件形状选择最佳范围；其输出电流为交流矩形波，直流输出精确稳定，波峰脉动率小于0.5％，电流设定值漂移小于1％；功率转换控制采用了功率IG-BT模块，电流过零转换极快，电弧相当稳定，变极性电源通过进一步减少DCEP的时间和增大DCEP半波电流幅值，并且控制回路信号频率大于10KHZ，能快速响应电流指令，方波上升和下降时间小于1μs，上升至峰值时无超量或不足，能在保证获得足够的阴极清理区条件下，最大限度地减少钨极为正的时间，使电弧的特点向直流钨极接负(DECN)靠近，可以最大限度地减少钨极的烧损；变极性电源设计时考虑计算机控制，起弧采用脉冲而不是高频，能有效阻止信号线上的电磁波干扰，变极性电源也是一种脉冲电源其脉冲电弧对熔池有很强的搅拌作用，因而可减少和抑制气孔的产生。

虽然变极性方波钨极氩弧焊在焊接铝合金放面有诸多优点，但是做为单一的焊接热源，即使焊接电弧非常集中，对于焊件的厚度也有要求，而且焊接效率不是特别高，针对目前激 光焊接铝合金的优缺点，可以把变极性方波钨极氩弧焊与激光焊接方法复合起来，实现两者的优缺点互补。因为对于激光焊接技术已经被广泛应用多年，主要用于焊接各种金属材料，例如铝合金、不锈钢等等，一般的激光焊接设备，包括一个产生固有单色高能光束的固态或气体激光振荡器，一个带有偏向镜的光路或者允许将激光束传输到位于待焊接板材对面的焊头的光纤，焊头中包括一个透镜或一个或多个聚焦反射镜，以便将激光束聚焦在待焊接材料上，在待焊接材料的对接处形成一个或多个焦点，从而在局部集中足够的功率密度去熔化待焊接材料，通常，焊头还包括一个用来借助于与激光束同轴布置的排气喷嘴供给焊接气体，也称辅助气体的供气装置，该供气装置也可以设置在激光焊头的外部。

然而，对于焊接铝合金板材或型材，激光焊接工艺有其固有特点。激光焊具有功率密度高、同等热输入量时熔深大、热影响区窄、焊接变形小、焊接速度快和易于实现自动化等优点，由于激光焊可以将热源集中在很小的尺寸内，所以激光焊可以精确焊拉细微部分，从而可以进行深熔焊，在焊接生产中具有很大的应用潜力。但是利用激光束焊接铝合金时，由于铝对激光的反射率高、导热快等特性，常需要采用较大功率的激光器进行焊接，造成焊接成本过高，且在激光焊铝合金厚板时，也易出现稳定性差、气孔、裂纹、下塌等焊接缺陷。另外，由于激光焊接的激光束聚焦点尺寸很小，所以需要待焊接工件具有高定位精度，同时对焊接接头的加工精度和设备精度都有较高的要求。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，可大幅度提高铝合金材料对激光的吸收率，产生焊缝深度大、热影响区小、外形美观的金属焊件，在焊接铝合金板材及型材时可有效提高焊接质量和焊接效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，该方法包括如下步骤：

(1)将变极性方波钨极枪和激光束发射枪固定，其中变极性方波钨极氩弧枪在前，激光束发射枪在后，将待焊接工件需要对接的部分对接，其中，变极性方波钨极氩弧枪应在待焊部位的正上方，激光束的焦点在待焊工件焊接部分的中间；

(2)连续移动待焊接工件，使用变极性方波钨极氩弧枪对待焊接工件的焊接部位进行阴极清理和初始熔化，使焊接部分表面处于高温熔融状态；

(3)随后使激光束照射到所述焊接部分，从而加深变极性方波钨极氩弧熔焊的熔深，完成焊接。

其中变极性方波钨极氩弧的钨极为负和钨极为正半波电流可独立调节，调节范围为5～ 300A。

其中激光束的离焦量为-2至-3mm。

其中变极性方波钨极氩弧焊的钨极中心与激光束中心之间的间距为1至3mm。

所述变极性方波钨极枪和激光束发射枪固定于一个螺杆上，通过调节变极性方波钨极中心与激光束中心之间的距离来进行焊接。

其中所述待焊接工件的焊接部分具有0.1mm或者更小的对接空间。

所述变极性方波钨极所发射出来的电弧方向和激光束的照射方向相互平行且垂直作用于待焊接工件的焊接部分上。

所述待焊接工件的材料为铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和低合金钢中的一种或两种。

所述待焊接工件焊接部分的截面彼此相对形成I形或者Y形槽，所述Y形槽的夹角应小于或者等于10°。

综上内容，本发明所提供的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，采用待焊接工件移动而变极性方波钨极氩弧和激光束固定的方式，进行铝合金等金属板材或型材的焊接。变极性方波钨极氩弧枪和激光束发射枪固定于一个螺杆上，可以根据需要任意调节激光束中心与变极性方波钨极氩弧中心之间的距离，保证焊接质量达到最佳。

本发明中，焊件沿着变极性方波钨极氩弧到激光束的方向移动，形成变极性方波钨极氩弧前置的方式。在焊接开始时，变极性方波钨极氩弧热源首先加热铝合金等金属材料，由于变极性脉冲可在焊接周期内对负极性半波电流的比例进行全程调节，以获得满意的阴极破碎作用和合适的电弧穿透力；而且，负极性半波负载周期由程序来控制，也可使用安装在焊矩上滑动开关来进行手动焊接；因此，变极性TIG焊接时反极性脉冲DCEP所产生阴极破碎作用可有效去除焊接熔池前方的氧化物和污染物；同时又防止了钨电极的烧损而带来夹钨的焊接缺陷，而在正极半波电流内高速的电子流撞击阳极即焊件，产生熔深从而使焊接接头的焊缝表面层区处于高温熔融状态，这时待焊接工件开始移动并开启激光束，由于焊缝表面处于高温熔融状态，降低了金属对激光的反射率，提高了金属对激光能量的吸收率，从而提高了激光的有效加热深度，加大焊缝熔深，有效降低了焊缝宽度和热影响区宽度，最后能获得熔深较深，而热影响区特别小，外形美观的焊件，同时，降低了对焊接接头的加工精度和装备精度等方面的要求，提高了焊接质量和焊接效率，使得变极性方波钨极氩弧和激光束产生了1+1＞2的效果。

由于在本焊接方法中变极性方波钨极氩弧的正极性半波主要作用是清除铝合金材料 表面的污染物、氧化膜等，负极性半波内预加热铝合金等金属材料使其焊接接头的焊缝表层区处于高温熔融状态，减少激光反射，增加激光吸收率，提高激光能量的有效利用，且要保证熔融面积不要过大，保证热影响区处于极小的范围内；同时还能满足焊接速度快，变形小等要求；并且变极性方波钨极自身输出电源DCEN、DCEP半波时间、幅值独立可调，可实现阴极清理作用去除表面致密的氧化膜，又能减少钨极烧损，保持钨极端头形状，使焊接电弧挺度好，能量集中，具有焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小等特点恰好满足上述要求，变极性方波钨极氩弧与激光复合的方法进行焊接正好弥补了两者的不足之处。另外，采用本发明所述的焊接方法，在焊接铝合金等金属材料时不用预先清理，而且变极性电流过零无死区时间的超快速变换，电流极性变换频率达kHz以上，可对铝合金的电弧焊接过程产生特殊作用，明显改善和提高铝合金的电弧焊接质量。

该焊方法还同时适用于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、低合金钢等多种材料的对接焊接作业。

附图说明

图1本发明结构示意图。

如图1所示，待焊接工件1，变极性方波钨极枪2，激光发射枪3。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图2所示，本发明所述的复合焊接方法，采用变极性方波钨极氩弧和激光复合热源进行铝合金等金属板材或型材的对接焊接，金属板材或型材可以是铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、低合金钢中的一种或两种材料，本实施例以焊接两块铝合金板材的对接焊为例进行详细说明，其中，铝合金板材的厚度为8mm，宽度为200mm，长度1000mm。

变极性方波钨极枪电极为Φ2.4mm WC20，电极顶端与工件表面距离3mm，喷嘴直径6.0mm，钨极干伸长为6.0mm，主要技术参数：其中变极性方波钨极氩弧的正、反向电流幅值分别为80A和120A；高频脉冲电流幅值80A；高频脉冲频率20kHz；占空比50％；电流极性变换频率500Hz；电流正、反向导通时间比为4∶1，保护气体为高纯氩气。

激光焊机采用HL2006D型Nd:YAG连续激光器，波长为1.06微米、激光输出为0-2000W(平均功率)，单脉冲能量为0-200J、脉冲波形可任意设定、0.6mm光纤传输，聚焦透镜焦距为200mm，焦点直径为0.6mm，保护气体为高纯氩气。

该复合焊接方法包括如下步骤：

第一步：将变极性方波钨极枪2和激光束发射枪3间隔一定距离固定一个螺杆(图中未显示)上，如图1所示，相对待焊接工件1的移动方向，变极性方波钨极枪2固定在前面，激光束发射枪3固定在后面，通过滑动螺杆上的螺丝就可以调节变极性方波钨极枪2和激光束发射枪3之间的距离。

如图1所示，该焊接方法中，保证变极性方波钨极枪2的中心与激光束焦点5的水平距离为1至3mm，为焊接上述8mm厚的铝合金板材，变极性方波钨极枪2的中心与激光束焦点5的水平距离选为2.0mm，此距离可以保证变极性方波钨极氩弧热源进行完阴极理清和阳极初熔后，再进行激光束的焊接，以保证焊接质量。如果两中心的距离过近，会造成变极性方波钨极氩弧热源阴极清理不充分，氧化物等残渣未能完全清除，并且会出现未等工件1表面处于高温熔融状态时，激光束就作用于焊件表面了，会影响工件1表面对激光的吸收率；如果两中心的距离过大，不能得到复合的作用，且处于高温熔融状态的焊接表面会被污染，结果是进行了二次焊接，从而影响焊接质量和焊接效率。

变极性方波钨极氩弧的预热效果可提高热源效率，一方面氩弧焊的阴极清除作用去除了影响焊接质量的一些杂质、氧化膜、油污等，另一方面阳极初熔作用对工件表面的预热提高了金属对激光的吸收，与此同时，由于钨极为变极性，使电子和金属离子的加速方向产生周期性变化，可以起到消散等离子的作用，从而使激光的透射率进一步加大，使激光能量转换率增大，因此焊接区的光谱线强度增强；另一方面，激光产生的金属蒸气为阴极清理过程提供了高速撞击焊件表面的金属离子，只需较小的加速电压即可获得满意的阴极清理作用，同时使电弧弧柱收缩，电弧挺度提高。

将具有一定宽度和厚度的两个待焊接工件1对接的部位对接，使得变极性方波钨极中心和激光束中心的焦点正好落在待焊工件1焊缝的中间。

待焊接工件1的焊接部分的截面彼此相对形成I形或者Y形槽，如图1所示，形成的是I形槽，并在I形槽中具有大约0.1mm或更小的对接空间。

根据铝合金板材的形状和厚度尺寸也可能形成Y形槽，Y形槽的夹角应小于或者等于10°，是由于阴极清理过程中形成的阴极斑点尺寸比较小，如果夹角太大，如传统的50-70°夹角，阴极斑点不足以覆盖两边的焊件，阴极清理不彻底；同时，因为本焊接方法中不用填丝，如果夹角太大会造成焊后焊缝下凹，或者需要增加填充金属，这势必会增加热影响区宽度，使焊接接头性能和焊接效率下降，变极性方波钨极的优点不能充分发挥，因此夹角不宜过大。但夹角太小，如低于5°，在焊件的加工过程中，会增加工作量，并且角度太小不易控制，所以，优选I形槽的焊接方式。

第二步：以一个恒定的速度连续移动待焊接工件1，待焊接工件1的移动方向如图1中箭头所示的方向，与变极性方波钨极枪2和激光束发射枪3的固定顺序相反，形成变极性方波钨极氩弧前置的方式，通过变极性方波钨极枪2和激光束发射枪3沿焊线对待焊接工件1进行复合焊接。因为只有工件1移动，所以工件1的移动速度就决定了焊接速度，可以根据不同材料的特性和尺寸厚度等选择不同的工件1移动速度和焊接速度。焊接速度以焊透工件为选择原则，如焊接上述8mm厚的铝合金板材时，焊接速度选用20mm/s。

待焊接工件1开始移动后，首先把变极性方波钨极氩弧作用于铝合金工件1对接部分的表面，使工件1焊接部分的焊缝表面区域氧化膜等杂物去除并使之处于高温熔融状态。由于变极性方波钨极氩弧焊的DCEN、DCEP半波时间、半波电流独立可调，故具体数值根据工件1材料的特性和尺寸而不同，只要保证阴极清理作用顺利完成的情况下，尽量降低直流反接半波时间，这个可以通过加大直流反接半波电流来实现；这样一来合理分配了变极性电源的能量，使大部分能量来预热铝合金焊件，以获得满意的熔池，提高铝合金对激光的吸收效率，充分发挥了激光焊接的优势，又使钨极得到了最小的损烧。如本实施例中，上述8mm厚铝合金板材，则一般情况下选择正、反向电流幅值分别为80A和120A，电流正、反向导通时间比为4∶1。

第三步：待焊接工件1开始移动后，使用高能量的激光束照射到已经被变极性方波钨极氩弧加热的焊接部分，进行焊接，直至最终完成焊接。

由于焊缝表面处于高温熔融状态，降低了铝合金板材对激光的反射率，提高了铝合金板材对激光能量的吸收率，从而提高了激光的有效加热深度，加大了焊缝熔深。

本焊接方法中，由于变极性方波钨极氩弧首先加热了工件1的表面，并使工件表面产生了一定厚度的熔深，为更好的增加熔深，所以激光束的中心焦点可以落在工件1表面下方2-3mm处，这样，不但可以有效降低焊缝宽度和热影响区宽度，焊接后的焊缝不再需要打磨等工序，可直接获得外形美观的焊件，大幅度提高焊接质量，而且还可以节省人工成本及材料成本，提高激光的利用率和焊接效率。如本实施例中，上述8mm厚铝合金板材，采用上述的焊接速度和焊接电流等参数，可保证焊缝焊透。

在本发明所述的焊接方法中，变极性方波钨极氩弧枪2和激光束发射枪3的射出方向的入射角对焊接质量有较大的影响，当变极性方波钨极枪2存在入射角时，阴极清理的斑点大小以及清理效果会随入射角的变化而变化，并且焊接接头已经熔化的熔池最深位置和最宽位置会随入射角的不同而改变，这样钨极离焊件的表面的距离也必须做出相应的调整，使控制精确度降低和控制***复杂，对焊接质量和效率有较大的影响。如果激光束发射枪3的射出方 向的入射角与焊接接头也存在夹角，那么激光束焦点位置的落点和深度更难于直观判断，使现场焊接操作困难，质量控制复杂，对于焊接参数的确定变得十分困难，对焊接质量控制的影响更大。因此，本发明的变极性方波钨极枪2和激光束发射枪3的射出方向相互平行且垂直作用于待焊接工件1上。变极性方波钨极枪2垂直于母材时，焊接熔池的最宽位置可直观显示出来，其距离变极性方波钨极枪2中心的距离非常容易测量获得。而对于垂直入射的变极性方波钨极氩弧焊，其焊缝最深位置与焊缝最宽位置一致，并且阴极清理作用这时效果最佳。因此，非常便于确定激光焊枪的位置。激光的焦点应该位于焊缝中心熔融金属的最深处的直线上，在表面以下2-3mm处，此时，对于激光的吸收和增大焊接熔深最为有利，激光束发射枪的射出方向与焊缝表面最直，其焦点位置的落点便于直观判断，使现场焊接操作简单，质量控制容易。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：该方法包括，

(1)将变极性方波钨极枪和激光束发射枪固定，其中变极性方波钨极氩弧枪在前，激光束发射枪在后，将待焊接工件需要对接的部分对接，其中，变极性方波钨极氩弧枪应在待焊部位的正上方，激光束的焦点在待焊工件焊接部分的中间；

(2)连续移动待焊接工件，使用变极性方波钨极氩弧枪对待焊接工件的焊接部位进行阴极清理和初始熔化，使焊接部分表面处于高温熔融状态；

(3)随后使激光束照射到所述焊接部分，从而加深变极性方波钨极氩弧熔焊的熔深，完成焊接。

2.根据权利要求1所述的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：其中变极性方波钨极氩弧的钨极为负和钨极为正半波电流可独立调节，调节范围为5～300A。

3.根据权利要求1所述的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：其中激光束的离焦量为-2至-3mm。

4.根据权利要求1所述的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：其中变极性方波钨极氩弧焊的钨极中心与激光束中心之间的间距为1至3mm。

5.根据权利要求1所述的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：所述变极性方波钨极枪和激光束发射枪固定于一个螺杆上，通过调节变极性方波钨极中心与激光束中心之间的距离来进行焊接。

6.根据权利要求1所述的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：其中所述待焊接工件的焊接部分具有0.1mm或者更小的对接空间。

7.根据权利要求1所述的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：所述变极性方波钨极所发射出来的电弧方向和激光束的照射方向相互平行且垂直作用于待焊接工件的焊接部分上。

8.根据权利要求1所述的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：所述待焊接工件的材料为铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和低合金钢中的一种或两种。

9.根据权利要求1所述的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：所述待焊接工件焊接部分的截面彼此相对形成I形或者Y形槽。

10.根据权利要求9所述的变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法，其特征在于：所述Y形槽的夹角应小于或者等于10°。