一種強化電流磁流體動力學效應的雷射電弧複合焊接方法

2023-09-23 02:56:25 2

專利名稱：一種強化電流磁流體動力學效應的雷射電弧複合焊接方法
技術領域：
本發明是一種強化電流磁流體動力學效應的雷射電弧複合焊接方法，屬 於雷射材料加工技術領域。
背景技術：
雷射焊接具有能量密度高，焊接速度快，熱輸入量小，焊接變形小，接 頭性能優良等突出優點，被認為是一種最先進的材料連接技術。但是，由於 單純的雷射焊接橋聯性差，對工件坡口準備和裝配精度的要求極高，這在很
大程度上制約了雷射焊接技術的工業應用。20世紀70年代末，英國學者提出 了雷射與TIG (非熔化極惰性氣體保護焊)電弧複合熱源焊接的概念，目前激 光-電弧複合焊接成為雷射焊接技術研究的前沿方向之一。
雷射-電弧複合焊接技術綜合了雷射和電弧各自的優點，具有雷射焊接的 高速度和電弧焊接良好的橋聯性，通過雷射與電弧的相互作用，焊接過程的 穩定性和焊縫成型顯著改善，橋聯性顯著提高，大大降低了坡口準備和裝配 精度的要求，同時可使焊接速度進一步提高，焊接效率較單純雷射焊接提高 60%。
ZL01118729.8公開了一種採用輔助電流的雷射焊接方法，在雷射焊接過 程中利用附加電流的磁流體動力學效應，通過改變和控制熔池的流動狀態及 熔池的熱交換條件，達到強化雷射能量的有效利用率和提高加工效率，改善 雷射焊接過程的穩定性及改善和控制焊縫成型。這種情況下需要一套外加電 源向焊接區提供輔助電流，同時由於焊接後的焊縫窄，其間隙適應性較差。
一般的雷射-電弧複合焊接，電弧電源的一極與工件相連，由於電弧自身 發散，電流進入工件時，流過熔池內部的電流密度較小。同時由於電弧尺寸 大，電流進入熔池後的電流密度梯度也很小。因此電弧電流的磁流體動力學 效應弱，其對熔池流動狀態及熔池的熱交換條件的影響很小。

發明內容
本發明將雷射電弧複合焊接技術與採用輔助電流的雷射焊接方法有機結 合，在雷射-電弧複合焊接的基礎上，使電弧電流通過填充焊絲流過熔池，充 分發揮了電弧電流的磁流體動力學效應，對熔池流動狀態和熱交換條件產生 明顯影響，增強能量耦合效率，改善焊接過程的穩定性。同時又利用雷射電 弧複合焊接良好的橋聯性，改善了間隙適應性，使焊縫表面成型改善。
為了實現上述目的，本發明採取了如下技術方案。本方法採用雷射-電弧
協同布置，同時添加了填充焊絲3，電弧10與焊絲3分別布置於雷射束5的 兩側，焊絲3位於雷射束5的前方，並與工件13接觸從熔池11前方送入， 電弧10置於雷射束5的後方；焊接時，焊接電源1的兩極分別接鎢極8和焊 絲3。
所述的電弧10為是TIG電弧，或者等離子弧。 弧焊電源1為直流或者交流或者脈衝電源。
本發明的基本原理是焊接時焊接電源1的兩極分別接鎢極8和焊絲3， 焊絲3與工件13接觸，熔化後送入熔池11，電弧10在鎢極8與工件13之間 形成，此時，焊接電流從焊絲3經過熔池11和電弧10形成電流迴路，並大 部分流過焊接熔池11，電弧電流在熔池中產生促使收縮的電磁吸引力，該電 磁力與電流密度的平方成正比。同時由於焊絲與工件體積的巨大差異，電流 從焊絲端部進入烙池迅速發散，熔池內部形成的電流密度不均勻，其中在焊 絲端部的電流密度比較大，而熔池底部的電流密度比較小，因此在熔池中形 成因電流密度變化引起的電磁收縮力梯度，即這種不均勻的電流分布產生了 從高電流密度區指向低電流密度區的軸向壓力，在焊接熔池中產生的這種電 磁收縮力形成的壓力梯度將改變熔池的流動狀態及熔池的熱交換條件，強化 能量的有效利用，提高加工效率，改善焊接過程的穩定性和焊縫成型。同時 由於電阻熱對焊絲1的加熱作用，使焊絲3的熔化變^導容易，提高了能量利 用效率。另外位於熔池後方的電弧也可以改善焊縫的表面成型。
本發明中由於電弧電流通過焊絲進入熔池，流過熔池的電流密度很大， 同時電流在熔池中快速發散，產生較大的電流密度梯度，充分發揮了電弧電 流的磁流體動力學效應對焊接過程的影響。同時充分利用了雷射-電弧複合焊 接時良好的焊縫橋聯性，使間隙適應性明顯改善。同時由於電弧位於熔池後 方，又可以改善焊縫的表面成型狀況。採用這種方法能夠提高焊接過程穩定 性，改善焊縫表面成型，增加間隙適應性，並最大限度的利用了電弧電流的 磁流體動力學效應，改善能量耦合，具有很大的工業應用潛力和發展前景。


圖1是本發明具體實施方式
的複合焊接裝置示意圖
圖2 (1)採用本發明的焊接效果
圖2 (2)採用常規雷射-電弧複合焊接時的焊接效果
圖中1、焊接電源，2、第一焊接電纜，3、焊絲，4、送絲咀，5、雷射 束6、光致等離子體及深熔小孔，7、保護氣，8、鎢極，9、焊炬，10、電弧， 11、熔池，12、焊縫，13、工件，14、第二焊接電纜。
具體實施例方式
本實施例的技術方案參見附圖1，採用雷射-電弧協同布置，同時添加了 填充焊絲3，電弧10與焊絲3分別布置於雷射束5的兩側，其中焊絲3位於 雷射束5的前方，電弧10置於雷射束5的後方，其中電弧10可以是TIG電 弧，也可以是等離子弧。
填充焊絲3從熔池11前方送入，焊接電流從焊絲3經過熔池11和電弧 IO形成電流迴路。其電流大部分流過熔池，在熔池中產生電磁力。
焊接時，焊接電源1的兩極分別接鎢極8和焊絲3，焊接電流大部分通過 焊絲3流過熔池11，強化了電弧電流的磁流體力學效應。由於電磁力與電流 密度的平方成正比，而與電流的極性、種類無關，焊接電源1可以是直流、 交流或脈衝電源。
以下為本發明與常規雷射-電弧複合焊接時的焊接效果比較
圖2 (1)、 (2)、是本發明複合焊接與常規複合焊接的焊接效果對比。焊 接電流都是150A，其中圖2 (2)為常規複合焊接時測得。
參見附圖1,焊絲3通過第一焊接電纜2接直流弧焊電源1的正極，焊炬 9通過第二焊接電纜14接電源1的負極，焊接時鎢極8與熔池11，焊絲3形 成電流迴路，焊接電流大部分流過熔池。電弧10中心與雷射束5中心的距離 為10mm，鎢極8末端與工件13的距離為2mm。實施例中焊接的工件材料為6061 鋁合金，板厚為3咖，焊絲為直徑1.2mm的AlSi12，採用3500W的0)2雷射束 8與TIG電弧10複合，悍接電流150A，送絲速度為3m/min，焊接速度為3m/min。 焊接效果如圖2 (1)所示。相比圖2 (2)中同樣條件下採用常規雷射-電弧 複合焊接(第一焊接電纜2接工件13)時的焊接效果，採用本發明的焊縫熔 透效果明顯改善，背面凸起0.8mra;焊縫背面寬度為2. 4ram，比圖2 (2)中增 加了1.5mm;焊縫橫截面積相比圖2 (2)也增加了 50%，焊接效率明顯提高， 這是由於電流通過焊絲3大部分流過熔池，電流的磁流體效應強化了熔池的 流動狀態及熔池的熱交換條件。同時由於電弧10位與熔池後方，可以使熔寬 增加，焊縫的間隙適應性及表面成型較輔助電流的雷射焊接又有明顯改善。
權利要求
1、一種強化電流磁流體動力學效應的雷射電弧複合焊接方法，採用雷射-電弧協同布置，同時添加了填充焊絲(3)，其特徵在於電弧(10)與焊絲(3)分別布置於雷射束(5)的兩側，焊絲(3)位於雷射束(5)的前方，並與工件(13)接觸從熔池(11)前方送入，電弧(10)置於雷射束(5)的後方；焊接時，焊接電源(1)的兩極分別接鎢極(8)和焊絲(3)。
2、 根據權力要求1所述的一種強化電流磁流體動力學效應的雷射電弧複合焊 接方法，其特徵在於所述的電弧(10)為是TIG電弧，或者等離子弧。
3、 根據權力要求1所述的一種強化電流磁流體動力學效應的雷射電弧複合焊接方法，其特徵在於弧焊電源(1)為直流或者交流或者脈衝電源。
全文摘要
本發明是一種強化電流磁流體動力學效應的雷射-電弧複合焊接方法，屬於雷射材料加工技術領域。本發明採用雷射-電弧協同布置，同時添加了填充焊絲，其中電弧與焊絲分別布置於雷射束的兩側，焊絲位於雷射束的前方與工件接觸，電弧則布置於雷射束的後方。焊接時焊接電源的兩極分別接鎢極和焊絲，焊接電流從焊絲經過熔池和電弧形成電流迴路，焊接電流大部分流過熔池，在熔池中產生電磁力，充分利用電弧電流的磁流體動力學效應對熔池流動狀態和熱交換條件的影響，增強能量耦合效率，改善焊接過程的穩定性。同時由於電弧位於熔池後方，對焊絲波動的容忍性大大提高，顯著改善焊縫的表面成型狀況。
文檔編號B23K28/00GK101176954SQ20071017892
公開日2008年5月14日 申請日期2007年12月7日 優先權日2007年12月7日
發明者吳世凱, 松 張, 張寰臻, 楊武雄, 肖榮詩, 鎧 陳 申請人:北京工業大學