一種雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統及方法

2023-06-15 08:00:26 3

專利名稱：一種雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統及方法
技術領域：
本發明涉及焊接工程技術領域，更加具體地說，涉及一種雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統及方法。
背景技術：
雷射焊是一種先進的製造工藝技術，與傳統焊接方法相比，具有高能量密度、低熱輸入、小變形、易實現自動控制等優點，在工業生產中得到了越來越廣泛的應用。但是一般雷射焊多為不加填充金屬的自熔焊接，對焊接坡口加工精度、裝配精度等要求很高，且焊縫的成分不能根據要求進行調整，使得它在實際工業應用中受到了一定的限制。擴展雷射焊在工業生產中的應用領域，推進雷射焊產業化的方案主要有兩種一種是填絲雷射焊，另一種是雷射-電弧複合焊。填絲雷射焊與非填絲雷射焊相比，主要有如下優點可以降低對 工件坡口加工、裝配的精度要求，提高焊縫質量，防止咬邊、凹陷等缺陷；可以用較小的雷射功率實現厚板的多層焊接；可以通過對填充焊絲材料的選擇方便地調節焊縫的成分，改善材料的焊接性，提高焊縫的性能。填絲雷射焊接雖然與雷射焊相比有諸多優點，但是其也有較明顯的缺點由於熔化焊絲的熱量需要由雷射提供，因此用於熔化工件的雷射功率減小；焊絲雷射作用下熔化的同時，還會反射一部分雷射，從而使得雷射的利用率進一步降低。因此，與雷射焊相比，填絲雷射焊接方法對雷射功率的要求更高。當前技術條件下，雷射功率的提聞也就意味著雷射器成本的大幅上升。雷射-電弧複合焊是把雷射熱源和電弧熱源複合作用在同一個熔池上的焊接方法。與單雷射或單MIG焊接方法相比，雷射-MIG複合焊接主要有如下優點對坡口間隙的搭橋能力強，降低了對工件坡口加工裝配和焊縫對中的精度要求；可以獲得更大的熔深，可以用較小的雷射功率實現厚板的焊接；可顯著增強高反射比材料對雷射的吸收，改善這些材料的雷射焊接性；雷射有穩定電弧的作用，可顯著提高MIG高速焊接或小電流焊接的穩定性和焊縫成形質量。雷射+電弧複合焊接也有其缺點雷射-電弧複合焊接是在電弧焊接的基礎上引入雷射這種不同形式的熱源，利用雷射與電弧的相互作用實現焊接過程。由於引入新熱源的同時並沒有增加熔敷金屬的填充量，因此導致雷射+電弧複合焊接單位功率熔化的填充金屬量降低。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提出了一種新型實用的雷射一雙熔化極單電弧複合焊接系統及方法，既能彌補兩種雷射焊和電弧焊兩種焊接方法各自獨立焊接的不足，又能充分發揮兩種熱源各自的優勢，大幅提高焊絲熔敷效率，實現高效焊接，實現十分穩定的焊接過程，控制母材熱輸入量，減小出現焊接缺陷的可能性，有助於獲得良好的焊
接質量。本發明的目的通過下述技術方案與以實現一種雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統，包括第一焊機、第二焊機、第一焊絲、第二焊絲和雷射源，其中第一焊機和第二焊機的陽極共同與第一焊絲連接，第一焊機的陰極與工件相連接，第二焊機的陰極與第二焊絲連接，其中第一焊絲與工件形成電弧，第二焊絲與工件不形成電弧；雷射源位於第一焊絲和第二焊絲之間。在本發明的複合焊接系統中，焊接過程中燃弧的焊絲(第一焊絲)稱為主絲，其對應的電弧稱為主弧，工作電流為來自兩個焊機的電流之和(Itl=IAI2)。焊接過程中不燃弧的焊絲(第二焊絲)稱為從絲，焊絲插在熔池中或熔池邊緣，並始終與工件接觸。第一焊機的陽極與第二焊機的陽極共同與主絲送絲機相連接，第一焊機的陰極與工件相連接，第二焊機的陰極與從絲送絲機相連接。焊接總電流由主絲流出，一部分分電流通過工件流入第一焊機，另一部分分電流通過從絲流入第二焊機。本複合系統的核心在於兩個焊接電源的組合方式與兩個焊絲之間、雷射的組合形式。通過合理地設置幾何參數，雷射與主絲之間可以形成雷射-電弧複合焊接的組合方式。 雷射-電弧複合焊接過程中，雷射與電弧這兩種不同性質的熱源協同作用，雷射導致的金屬蒸氣可以在很大程度上影響電弧等離子體的導電性能和導熱性能。雷射作用在工件上產生雷射等離子體，而雷射等離子體的存在可以協助電弧形成一個良好的導電通道。並且，雷射等離子體的存在提高的工件表面的溫度，因此也更加有利於電弧的熱電子發熱。總之，雷射-電弧複合焊接過程中，雷射可以實現穩定電弧的作用，尤其在高速焊接過程中可以引導電弧，有助於實現穩定的焊接過程。雷射與從絲之間則可以形成填絲雷射焊接的組合方式，並且從絲在此焊接方法中經過了從絲電流的加熱，因此為熱絲，因此熔化狀況較冷絲更良好。通過設置不同的幾何參數，從絲與工件間的位置關係可以分為兩種(1)從絲與工件在焊接過程中始終保持開路狀態，各自分別作為電弧的兩個獨立陰極，此時雷射與從絲組合形成的填絲雷射焊接方法，從絲的熔滴過渡方式為滴狀過渡，促進熔滴過渡的作用力主要為重力，阻礙熔滴過渡的作用力主要為焊絲與熔滴之間的表面張力。但此種方式焊接過程不穩定，一般不予採用(2)從絲與工件在焊接過程中始終保持短路狀態，從絲端頭與熔池金屬的邊緣相接觸。從絲的熔滴過渡方式為橋絡過渡，從絲的熔化熱一部分來自於雙熔化極旁路耦合焊接系統，另一部分來自於雷射對從絲的熱作用。在合理的焊接工藝參數下，從絲可以實現從固態焊絲到液態熔池金屬的順利平穩過渡。雷射-雙熔化極旁路耦合複合焊接系統中，一方面雷射與主絲形成雷射-電弧複合焊接方法，對從絲加熱起到了至關重要的作用，彌補了填絲雷射中對雷射功率的較高要求；另一方面，雷射與從絲形成填絲雷射焊接的方法，並且從絲作為陰極分流走了一部分本用於熔化工件的電流用於熔化從絲，因此，增大的焊接過程的熔敷金屬填充效率，彌補了雷射-電弧複合焊接方法能量利用率低的不足。在本發明的雷射-雙熔化極旁路耦合複合焊接系統中，雷射器可以採用Nd: YAG雷射，CO2雷射或光纖雷射,雷射輸出模式可以米用恆定輸出或脈衝輸出。第一焊機可以米用脈衝輸出或恆壓輸出，第二焊機可以採用脈衝輸出、恆壓輸出或恆流輸出。如上面所述，焊接系統焊接部分的幾何設置十分關鍵，雷射與兩把焊槍(即兩個焊絲)均位於焊道所在的豎直平面內，並且雷射入射方向與工件所在平面垂直。雷射與兩個焊絲之間各自的距離及兩個焊絲端頭在工件上的距離，雷射與兩個焊絲各自之間的夾角及兩個焊絲之間的夾角，主絲(第一焊絲)與從絲(第二焊絲)的幹伸長度需要按如下參數精確配置(I)雷射與主絲之間的距離Dn :(T5mm(2)雷射與從絲之間的距離Dpsw :(T3mm(3)主絲與從絲之間的距離D _sw :0 8臟(4)雷射與主絲之間的夾角a :15° 60°(5)雷射與從絲之間的夾角P 30° 75°(6)主絲與從絲之間的夾角Y 45° 110°(7)主絲的幹伸長度Lniw :12 22mm(8)從絲的幹伸長度Lsw :15 25mm上述位置參數優選如下(I)雷射與主絲之間的距離Dn :0 5_(2)雷射與從絲之間的距離Dpsw :(T3mm(3)主絲與從絲之間的距離D _sw :(T8mm(4)雷射與主絲之間的夾角a :20° 55°(5)雷射與從絲之間的夾角@ 35° 70°(6)主絲與從絲之間的夾角Y 45° 80°(7)主絲的幹伸長度Lniw :15 20mm(8)從絲的幹伸長度Lsw :2(T25mm其中送絲速度為fl0m/min(根據焊接需要，主絲送絲速度高於從絲送絲速度)，焊接速度為1-lOmm/s，可根據實際焊接情況進行調整，以便於與送絲速度相適應。焊接過程中，主絲由電弧熱熔化，而從絲熔化熱由兩部分組成電弧的熱作用和從絲導電嘴與工件之間這一段焊絲的電阻熱。雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊焊接過程的高速攝像圖片如圖3所示，一個熔滴過渡周期為0. 021s。其對應的電信號如圖4中0. 786s至
0.807s時間區間(時間軸上0至虛線處)所示，第一張圖片對應的電信號時刻為0. 786s,最後一張圖片對應的電信號時刻為0. 807s，由圖4可知，工件電流與從絲電流相位相反。工件電流達到峰值時，從絲電流恰好為基值。這樣可以避免主焊機輸出脈衝峰值時熱輸入突然增大導致的從絲爆斷。雙熔化極旁路耦合焊接方法是一種新型的焊接方法，其可以在提高填充金屬熔敷效率的同時，合理分配焊接過程中產生的熱量，有效調節用於熔化焊絲的熱量和對母材的熱輸入量。將雙熔化極旁路耦合焊與雷射焊複合，本發明公開了一種全新的焊接方法一雷射+雙熔化極旁路耦合複合焊接。雷射+雙熔化極旁路耦合複合焊接將雷射+電弧複合焊接的優點與填絲雷射焊接的優點有效結合起來，同時避免了這兩種焊接方法的不足。雷射與主絲之間可以形成雷射+電弧複合焊接的方法，在具備此焊接方法的優點的同時，電弧對從絲的加熱以及通過從絲的電流產生的電阻熱可以對熔化從絲起到相當的作用，因此可以避免填絲雷射焊時為熔化從絲而對雷射功率的較高要求，以及對雷射與從絲相對位置的嚴格限制；雷射與從絲之間則可以形成填絲雷射焊接的方法。其在一個焊接系統中與雷射+電弧複合焊接同時存在，可以提高單位功率熔化的填充金屬量，從而提高焊接系統整體的熔敷金屬填充效率。並且，由於單位電流熔化的金屬量增大，可以使得雷射+雙熔化極旁路耦合複合焊接在坡口焊接的情況下在較低熱輸入時獲得相同的熔敷金屬填充量，也可以在對母材熱輸入相同的情況下獲得更大的熔敷金屬填充量，從而可以在獲得良好焊接質量的同時得到更高的焊接效率。與雷射+雙MAG/MIG電弧複合焊接方法相比，雷射+雙熔化極旁路耦合焊接方法可以在焊接過程對工件的熔敷金屬量相同的情況下減小對母材的熱輸入。這是由於雙熔化極旁路耦合焊接系統中利用了常規雙絲焊接中本用熔化工件一部分熱量用於熔化焊絲。而在熔化極氣體保護焊中，焊絲作用冷陰極，其陰極產熱遠遠高於陽極產熱。因此，雙熔化極旁路耦合焊接系統中焊絲熔化效率大大提高，從而可以大大提高焊接過程的熔敷效率。與現有技術相比，本發明的複合焊接系統和方法具有如下優點(I)與雷射焊相比，雷射+雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接方法可以向焊縫填充大量熔敷金屬，從而可以顯著改善橋接能力，擴展雷射焊接的應用範圍。(2)與雷射填絲雷射焊接相比，由於雷射+雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接方法引入電弧，因此可以在雷射功率相同的情況下獲得更高的生產效率，並且雷射與電弧的 複合作用可以有效控制焊縫成形。( 3 )與雷射+MIG複合焊接相比，雷射+雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接方法可以通過雙熔化極單電弧旁路耦合焊系統更加有效地調節焊接過程對母材的熱輸入量，有益於薄板高速焊接，從而獲得良好的焊接質量。


圖I雷射一雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統示意圖，其中I為第一焊機，2為第一焊絲(主絲)，3為第一焊槍，4為雷射，5為第二焊槍，6為第二焊絲(從絲)，7為第二焊機，8為工件。圖2雷射一熔化極旁路耦合複合焊雷射與焊槍相對位置示意圖，其中I為第一焊槍，2為雷射，3為第二焊槍，Dn為雷射與主絲之間在工件表面的距離，D1^sw為雷射與從絲之間在工件表面的距離，a為雷射與主絲之間的夾角，P為雷射與從絲之間的夾角。圖3雷射一雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接過程高速攝像圖片，圖中虛線位置為焊接過程中雷射的作用中心線。圖4雷射一雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接過程的電信號波形。圖5雷射一雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接焊道表面照片。圖6雷射-雙熔化極旁路耦合複合焊接焊道截面照片。
具體實施例方式下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。本發明採用的複合焊接系統，包括如下組成部分JK2003SM的Nd :YAG雷射器(I臺)，林肯 INVERTEC V350 PRO 型焊機(I 臺)，林肯 INVERTEC V300 — I 焊機(I 臺)，S-86A型半自動送絲機(2臺)，角度與位置可調的雙槍夾具(I個)，工作檯(I臺)。此外，還包括氣瓶氣閥、遙控盒等焊接輔助設備，焊絲選用H08Mn2SiA焊絲，工件選用Q235鋼。採用如圖I所示的方式進行連接成焊接系統，焊接工藝具體參數見表I和表2。試驗過程中採集到的與圖4對應的電信號區間的雷射功率與電信號參數對比如表3所示。
表I雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接基本參數
權利要求
1.一種雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統，包括第一焊機、第二焊機、第一焊絲、第二焊絲和雷射源，其特徵在於，其中 第一焊機和第二焊機的陽極共同與第一焊絲連接，第一焊機的陰極與工件相連接，第二焊機的陰極與第二焊絲連接，其中第一焊絲與工件形成電弧，第二焊絲與工件不形成電弧；雷射源位於第一焊絲和第二焊絲之間；其結構參數主要如下 (1)雷射與第一焊絲之間的距離Dpmw:(T5mm ； (2)雷射與第二焊絲之間的距離Dpsw0"3mm ； (3)第一焊絲與第二焊絲之間的距離D _sw:(T8mm ； (4)雷射與第一焊絲之間的夾角a:15° 60° ； (5)雷射與第二焊絲之間的夾角P:30° ^75° ； (6)第一焊絲與第二焊絲之間的夾角Y:45° 110° ； (7)第一焊絲的幹伸長度Lmw12^22mm ； (8)第二焊絲的幹伸長度Lsw: 15 25mm。
2.根據權利要求I所述的一種雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統，其特徵在於，結構參數優選如下 (1)雷射與第一焊絲之間的距離Dpmw:(T5mm ； (2)雷射與第二焊絲之間的距離Dpsw0"3mm ； (3)第一焊絲與第二焊絲之間的距離D _sw:(T8mm ； (4)雷射與第一焊絲之間的夾角a:20° 55° ； (5)雷射與第二焊絲之間的夾角P:35° ^70° ； (6)第一焊絲與第二焊絲之間的夾角Y:45° ^80° ； (7)第一焊絲的幹伸長度Lmw15^20mm ； (8)第二焊絲的幹伸長度Lsw:2(T25mm。
3.根據權利要求I或者2所述的一種雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統，其特徵在於，所述雷射米用Nd:YAG雷射，CO2雷射或光纖雷射,輸出模式米用恆定輸出或脈衝輸出；所述第一焊機採用脈衝輸出或恆壓輸出，所述第二焊機採用脈衝輸出、恆壓輸出或恆流輸出。
4.一種利用如權利要求I所述的雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統進行焊接的方法，其特徵在於，具體步驟如下 (1)按照權利要求I所述的複合焊接系統連接電弧焊接設備和設置焊接系統； (2)調整兩個焊絲各自的角度，兩個焊絲的幹伸長度，兩個焊絲端頭在工件上的距離； (3)調節雷射在工件上的聚焦位置，配置雷射與兩個焊絲的幾何位置； (4)調節雷射功率，調節第一焊接和第二焊接的電源設置參數； (5)調節焊接速度與送絲速度； (6)施焊。
5.根據權利要求4所述的焊接方法，其特徵在於，所述雷射採用Nd:YAG雷射，CO2雷射或光纖雷射，輸出模式米用恆定輸出或脈衝輸出；所述第一焊機米用脈衝輸出或恆壓輸出，所述第二焊機採用脈衝輸出、恆壓輸出或恆流輸出。
6.根據權利要求4所述的焊接方法，其特徵在於，結構參數優選如下(1)雷射與第一焊絲之間的距離Dpmw:(T5mm ； (2)雷射與第二焊絲之間的距離Dpsw0"3mm ； (3)第一焊絲與第二焊絲之間的距離D _sw:(T8mm ； (4)雷射與第一焊絲之間的夾角a:20° 55° ； (5)雷射與第二焊絲之間的夾角P:35° ^70° ； (6)第一焊絲與第二焊絲之間的夾角Y:45° ^80° ； (7)第一焊絲的幹伸長度Lmw15^20mm ； (8)第二焊絲的幹伸長度Lsw:2(T25mm。
7.根據權利要求4所述的焊接方法，其特徵在於，所述步驟(5)中的送絲速度為I 10m/min,焊接速度為 I一10mm/s。
全文摘要
本發明公開了一種雷射-雙熔化極單電弧旁路耦合複合焊接系統及方法，採用主絲起弧，從絲不燃弧，並利用雷射提供熱源，進行複合焊接。本發明既能彌補兩種雷射焊和電弧焊兩種焊接方法各自獨立焊接的不足，又能充分發揮兩種熱源各自的優勢，大幅提高焊絲熔敷效率，實現高效焊接，實現十分穩定的焊接過程，控制母材熱輸入量，減小出現焊接缺陷的可能性，有助於獲得良好的焊接質量。
文檔編號B23K28/02GK102699546SQ20121018268
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月5日 優先權日2012年6月5日
發明者於露, 李桓, 楊立軍, 狄勇, 韋輝亮 申請人:天津大學