CN103612018B - 一种激光—旁路电弧复合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光—旁路电弧复合焊接方法，属于激光材料加工技术领域。采用激光与旁路电弧复合，焊接时，利用电弧与激光诱导羽辉的相互作用，降低羽辉对激光的影响，不仅能够提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可以显著改善焊接过程稳定性和焊缝成形；电弧形成于激光焊接区域上方，不直接作用于工件，因此电弧对工件的热影响极小，在不增加熔宽的情况下，能够获得更大的熔深，从而充分保持了激光焊接的特点。

Description

一种激光—旁路电弧复合焊接方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，属于激光材料加工技术领域，尤其涉及一种激光—旁路电弧复合焊接方法。
背景技术
激光焊接具有能量密度高、焊接效率高、可达性好、热输入量小，焊接变形小、焊接质量高等显著优点，并且在许多领域得到非常广泛的应用及发展，是一种最为先进的材料连接技术。
材料对激光的吸收率是影响激光材料加工的重要因素。对金属及其合金而言，激光束的波长越短，吸收率越高。近年来固体激光器（如光纤激光器和DISC激光器）、半导体激光器等短波长的激光器有了长足发展，其在材料加工方面的优势也越来越明显。以光纤激光器为例，它其具有短波长、高光电转换效率、高输出功率、高光束质量、低运行成本、体积小和可光纤传输等优势，并为材料加工提供了一种优质的热源。
羽辉是这类激光器进行激光焊接时一种基本的物理现象。一些学者在研究光纤激光焊接时发现，激光诱导羽辉中存在大量微粒吸收和散射入射激光，实验发现羽辉对水平探测激光的能量衰减可达7%，从而认为羽辉对高功率激光焊接过程产生重大影响。另外一些学者采用吹除羽辉的方法直接证明了羽辉对焊接结果产生重大影响。总之，激光诱导的羽辉不仅造成了入射激光能量衰减降低激光能量利用率，而且对焊接过程稳定性和焊接结果都产生不利影响。
新型高功率激光器与传统的加工工具相比价格较昂贵，因此，提高焊接时光纤激光的能量利用率不仅能够有效地降低生产成本，而且能够提高生产效率。电弧作为一种焊接热源，不仅技术成熟，而且成本低廉。利用电弧抑制羽辉对激光的影响，可以有效地提高激光的能量利用率和焊接效率。
传统激光电弧复合焊接方法虽然也存在电弧和羽辉的这种相互作用，但是，由于能量发散的电弧直接作用于工件表面，一方面增加了工件的热输入量，另一方面扩大了热作用区，导致热影响区接头的机械性能降低、工件的热变形增大、激光焊接的优越性得不到充分的体现，而且这种传统的激光电弧复合焊接形式对有些焊接结构和焊接材料有较大的限制。为克服这些问题，本发明提出一种激光—旁路电弧复合焊接方法，该方法可以有效提高激光能量利用率，又能保持激光焊接特点并且可有效控制激光诱导羽辉、提高激光能量利用率和焊接效率、改善焊接过程稳定性和焊缝成形并且保持激光焊接的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种激光—旁路电弧复合焊接方法其中复合焊接装置包括焊接电源、电极a、喷嘴a、激光束、聚焦镜、电极b和喷嘴b，其中工件为焊接对象，深熔小孔、焊接熔池、电弧、羽辉和焊缝是在焊接过程形成的；焊接时，激光束作用于工件，电弧和激光束的位置相对固定；焊接电源的两极与电极a和电极b相连，电弧形成于两个电极之间，位于激光束焊接区域上方；本发明采用的激光与旁路电弧复合焊接方法，利用电弧与激光诱导羽辉的相互作用，降低羽辉对激光的影响，不仅能够提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可以显著改善焊接过程稳定性和焊缝成形；另外，电弧不直接作用于工件，充分保持了激光焊接的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种激光—旁路电弧复合焊接方法，焊接过程中激光的能量用于熔化工件实现深熔焊接形成焊缝，电弧作用于焊接区域上方与激光诱导的羽辉发生相互作用，以降低羽辉对激光的影响，从而提高激光的能量利用率和焊接效率，同时显著改善焊接过程稳定性，大幅减少焊接飞溅；电弧不直接作用于工件，而是利用电弧和激光束诱导羽辉的相互作用有效控制焊接过程中的羽辉，由于电弧对工件的热影响极小，因此完整的保持了激光焊接的特点。
焊接电源为直流或者交流或者脉冲或者变极性电源；激光束为固体激光（光纤激光、YAG激光和DISC激光）或半导体激光；电弧为非熔化极电弧（TIG电弧或者等离子体弧）或者熔化极电弧（MIG或者MAG）；两个电极投影到工件表面的夹角为0°～360°；焊接方法可以另外附加填充焊丝。
与现有技术相比本发明具有如下有益效果：采用激光与旁路电弧复合焊接，焊接时，电弧和激光诱导羽辉发生相互作用，利用高温电弧抑制羽辉，降低羽辉对激光的影响，不仅能够提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可以显著改善焊接过程稳定性和焊缝成形；电弧形成于激光焊接区域上方，不直接作用于工件，因此电弧对工件的热影响极小，在不增加熔宽的情况下，能够获得更大的熔深，从而充分保持了激光焊接的特点。
附图说明
图1为复合焊接装置示意图。
图2（a）为单激光焊接焊缝表面效果图。
图2（b）为采用本发明焊接焊缝表面效果图。
图3（a）为单激光焊接焊缝横截面效果图。
图3（b）为采用本发明焊接焊缝横截面效果图。
图4（a）为单激光焊接羽辉形态图。
图4（b）为采用本发明焊接羽辉形态图。
图中：1、焊接电源，2、工件，3、深熔小孔，4、焊接熔池，5、电极a，6、喷嘴a，7、激光束，8、聚焦镜，9、电弧，10、羽辉，11、电极b，12、喷嘴b，13、焊缝。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示为复合焊接装置示意图，其中复合焊接装置包括焊接电源1、电极a5、喷嘴a6、激光束7、聚焦镜8、电极b11和喷嘴b12，其中工件2为焊接对象，深熔小孔3、焊接熔池4、电弧9、羽辉10和焊缝13是在焊接过程形成的；焊接时，激光束7作用于工件2，电弧9和激光束7的位置相对固定；焊接电源1的两极与电极a5和电极b11相连，电弧9形成于两个电极a5和电极b11之间，位于激光束7焊接区域上方；焊接过程中激光的能量用于熔化工件2实现深熔焊接形成焊缝13，电弧9作用于焊接区域上方与激光诱导的羽辉10发生相互作用，以降低羽辉10对激光的影响，从而提高激光的能量利用率和焊接效率，同时显著改善焊接过程稳定性，大幅减少焊接飞溅；电弧9不直接作用于工件2，而是利用电弧9和激光束7诱导羽辉10的相互作用有效控制焊接过程中的羽辉10，由于电弧9对工件2的热影响极小，因此完整的保持了激光焊接的特点。
焊接电源1为直流或者交流或者脉冲或者变极性电源；激光束7为固体激光（光纤激光、YAG激光和DISC激光）或半导体激光；电弧9为非熔化极电弧（TIG电弧或者等离子体弧）或者熔化极电弧（MIG或者MAG）；两个电极a5和电极b11投影到工件表面的夹角为0°～360°；焊接方法可以另外附加填充焊丝。
如图2（a）所示为单激光焊接焊缝表面效果图，图2（b）为采用本发明焊接焊缝表面效果图，图3（a）为单激光焊接焊缝横截面效果图，图3（b）为采用本发明焊接焊缝横截面效果图，图4（a）为单激光焊接羽辉形态图，图4（b）为采用本发明焊接羽辉形态图，本实施例中，工件为10mm厚的工业纯铁，实验采用的激光器为YLS-6000光纤激光器，其波长为1.07μm；焊接电弧为直流TIG电弧；焊接工艺参数为：激光功率5000W，电弧电流100A，焊接速度3m/min；通过对比图2（a）和图2（b）分别为单激光焊接焊缝表面效果图和采用本发明所得到的焊缝表面效果图，采用本发明进行焊接显著提高了焊接过程稳定性，大幅减少焊接飞溅，改善了焊缝成形；图3（b）为采用本发明所得到的焊缝横截面，在相同的激光功率和焊接速度情况下，焊接熔深比单光纤激光焊接，见图3（a）的熔深显著提高，而熔宽并没有增加，可见，采用本发明能够提高激光的能量利用率和焊接效率，同时保持了激光焊接的特点；图4（a）所示为光纤激光焊接时所产生的羽辉形态；在电弧的作用下，电弧上方的羽辉显著削弱，体现了电弧对羽辉的作用效果，如图4（b）所示；采用本发明利用电弧和激光诱导羽辉的相互作用，大大削弱羽辉对入射激光的影响，从而提高激光的能量利用率和焊接效率，稳定焊接过程，改善焊缝成形，同时充分保持了激光焊接的特点。

Claims (2)

1.一种激光—旁路电弧复合焊接方法，其特征在于：复合焊接装置包括焊接电源(1)、电极a(5)、喷嘴a(6)、激光束(7)、聚焦镜(8)、电极b(11)和喷嘴b(12)，其中工件(2)为焊接对象，深熔小孔(3)、焊接熔池(4)、电弧(9)、羽辉(10)和焊缝(13)是在焊接过程形成的；焊接时，激光束(7)作用于工件(2)，电弧(9)和激光束(7)的位置相对固定；焊接电源(1)的两极与电极a(5)和电极b(11)相连，电弧(9)形成于电极a(5)和电极b(11)之间，位于激光束(7)焊接区域上方；焊接过程中激光的能量用于熔化工件(2)实现深熔焊接形成焊缝(13)；电弧(9)不直接作用于工件(2)。
2.根据权利要求1所述的一种激光—旁路电弧复合焊接方法，其特征在于：焊接电源(1)为直流或者交流或者脉冲或者变极性电源；激光束(7)为固体激光或半导体激光；电弧(9)为非熔化极电弧或者熔化极电弧；焊接方法另外附加填充焊丝。
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