CN100532000C - 一种强化电流磁流体动力学效应的激光电弧复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种强化电流磁流体动力学效应的激光-电弧复合焊接方法，属于激光材料加工技术领域。本发明采用激光-电弧协同布置，同时添加了填充焊丝，其中电弧与焊丝分别布置于激光束的两侧，焊丝位于激光束的前方与工件接触，电弧则布置于激光束的后方。焊接时焊接电源的两极分别接钨极和焊丝，焊接电流从焊丝经过熔池和电弧形成电流回路，焊接电流大部分流过熔池，在熔池中产生电磁力，充分利用电弧电流的磁流体动力学效应对熔池流动状态和热交换条件的影响，增强能量耦合效率，改善焊接过程的稳定性。同时由于电弧位于熔池后方，对焊丝波动的容忍性大大提高，显著改善焊缝的表面成型状况。
Description
技术领域
本发明是一种强化电流磁流体动力学效应的激光电弧复合焊接方法，属于激光材料加工技术领域。
背景技术
激光焊接具有能量密度高，焊接速度快，热输入量小，焊接变形小，接头性能优良等突出优点，被认为是一种最先进的材料连接技术。但是，由于单纯的激光焊接桥联性差，对工件坡口准备和装配精度的要求极高，这在很大程度上制约了激光焊接技术的工业应用。20世纪70年代末，英国学者提出了激光与TIG(非熔化极惰性气体保护焊)电弧复合热源焊接的概念，目前激光-电弧复合焊接成为激光焊接技术研究的前沿方向之一。
激光-电弧复合焊接技术综合了激光和电弧各自的优点，具有激光焊接的高速度和电弧焊接良好的桥联性，通过激光与电弧的相互作用，焊接过程的稳定性和焊缝成型显著改善，桥联性显著提高，大大降低了坡口准备和装配精度的要求，同时可使焊接速度进一步提高，焊接效率较单纯激光焊接提高60％。
ZL01118729.8公开了一种采用辅助电流的激光焊接方法，在激光焊接过程中利用附加电流的磁流体动力学效应，通过改变和控制熔池的流动状态及熔池的热交换条件，达到强化激光能量的有效利用率和提高加工效率，改善激光焊接过程的稳定性及改善和控制焊缝成型。这种情况下需要一套外加电源向焊接区提供辅助电流，同时由于焊接后的焊缝窄，其间隙适应性较差。
一般的激光-电弧复合焊接，电弧电源的一极与工件相连，由于电弧自身发散，电流进入工件时，流过熔池内部的电流密度较小。同时由于电弧尺寸大，电流进入熔池后的电流密度梯度也很小。因此电弧电流的磁流体动力学效应弱，其对熔池流动状态及熔池的热交换条件的影响很小。
发明内容
本发明将激光电弧复合焊接技术与采用辅助电流的激光焊接方法有机结合，在激光-电弧复合焊接的基础上，使电弧电流通过填充焊丝流过熔池，充分发挥了电弧电流的磁流体动力学效应，对熔池流动状态和热交换条件产生明显影响，增强能量耦合效率，改善焊接过程的稳定性。同时又利用激光电弧复合焊接良好的桥联性，改善了间隙适应性，使焊缝表面成型改善。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本方法采用激光-电弧协同布置，同时添加了填充焊丝3，电弧10与焊丝3分别布置于激光束5的两侧，焊丝3位于激光束5的前方，并与工件13接触从熔池11前方送入，电弧10置于激光束5的后方；焊接时，焊接电源1的两极分别接钨极8和焊丝3。
所述的电弧10为是TIG电弧，或者等离子弧。
弧焊电源1为直流或者交流或者脉冲电源。
本发明的基本原理是：焊接时焊接电源1的两极分别接钨极8和焊丝3，焊丝3与工件13接触，熔化后送入熔池11，电弧10在钨极8与工件13之间形成，此时，焊接电流从焊丝3经过熔池11和电弧10形成电流回路，并大部分流过焊接熔池11，电弧电流在熔池中产生促使收缩的电磁吸引力，该电磁力与电流密度的平方成正比。同时由于焊丝与工件体积的巨大差异，电流从焊丝端部进入熔池迅速发散，熔池内部形成的电流密度不均匀，其中在焊丝端部的电流密度比较大，而熔池底部的电流密度比较小，因此在熔池中形成因电流密度变化引起的电磁收缩力梯度，即这种不均匀的电流分布产生了从高电流密度区指向低电流密度区的轴向压力，在焊接熔池中产生的这种电磁收缩力形成的压力梯度将改变熔池的流动状态及熔池的热交换条件，强化能量的有效利用，提高加工效率，改善焊接过程的稳定性和焊缝成型。同时由于电阻热对焊丝1的加热作用，使焊丝3的熔化变得容易，提高了能量利用效率。另外位于熔池后方的电弧也可以改善焊缝的表面成型。
本发明中由于电弧电流通过焊丝进入熔池，流过熔池的电流密度很大，同时电流在熔池中快速发散，产生较大的电流密度梯度，充分发挥了电弧电流的磁流体动力学效应对焊接过程的影响。同时充分利用了激光-电弧复合焊接时良好的焊缝桥联性，使间隙适应性明显改善。同时由于电弧位于熔池后方，又可以改善焊缝的表面成型状况。采用这种方法能够提高焊接过程稳定性，改善焊缝表面成型，增加间隙适应性，并最大限度的利用了电弧电流的磁流体动力学效应，改善能量耦合，具有很大的工业应用潜力和发展前景。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的复合焊接装置示意图
图2(1)采用本发明的焊接效果
图2(2)采用常规激光-电弧复合焊接时的焊接效果
图中：1、焊接电源，2、第一焊接电缆，3、焊丝，4、送丝咀，5、激光束6、光致等离子体及深熔小孔，7、保护气，8、钨极，9、焊炬，10、电弧，11、熔池，12、焊缝，13、工件，14、第二焊接电缆。
具体实施方式
本实施例的技术方案参见附图1，采用激光-电弧协同布置，同时添加了填充焊丝3，电弧10与焊丝3分别布置于激光束5的两侧，其中焊丝3位于激光束5的前方，电弧10置于激光束5的后方，其中电弧10可以是TIG电弧，也可以是等离子弧。
填充焊丝3从熔池11前方送入，焊接电流从焊丝3经过熔池11和电弧10形成电流回路。其电流大部分流过熔池，在熔池中产生电磁力。
焊接时，焊接电源1的两极分别接钨极8和焊丝3，焊接电流大部分通过焊丝3流过熔池11，强化了电弧电流的磁流体力学效应。由于电磁力与电流密度的平方成正比，而与电流的极性、种类无关，焊接电源1可以是直流、交流或脉冲电源。
以下为本发明与常规激光-电弧复合焊接时的焊接效果比较：
图2(1)、(2)、是本发明复合焊接与常规复合焊接的焊接效果对比。焊接电流都是150A，其中图2(2)为常规复合焊接时测得。
参见附图1，焊丝3通过第一焊接电缆2接直流弧焊电源1的正极，焊炬9通过第二焊接电缆14接电源1的负极，焊接时钨极8与熔池11，焊丝3形成电流回路，焊接电流大部分流过熔池。电弧10中心与激光束5中心的距离为10mm，钨极8末端与工件13的距离为2mm。实施例中焊接的工件材料为6061铝合金，板厚为3mm，焊丝为直径1.2mm的AlSi12，采用3500W的CO2激光束8与TIG电弧10复合，焊接电流150A，送丝速度为3m/min，焊接速度为3m/min。焊接效果如图2(1)所示。相比图2(2)中同样条件下采用常规激光-电弧复合焊接(第一焊接电缆2接工件13)时的焊接效果，采用本发明的焊缝熔透效果明显改善，背面凸起0.8mm；焊缝背面宽度为2.4mm，比图2(2)中增加了1.5mm；焊缝横截面积相比图2(2)也增加了50％，焊接效率明显提高，这是由于电流通过焊丝3大部分流过熔池，电流的磁流体效应强化了熔池的流动状态及熔池的热交换条件。同时由于电弧10位与熔池后方，可以使熔宽增加，焊缝的间隙适应性及表面成型较辅助电流的激光焊接又有明显改善。
Claims (3)
1、一种强化电流磁流体动力学效应的激光电弧复合焊接方法，采用激光和电弧协同布置，同时添加了填充焊丝(3)，其特征在于：电弧(10)与填充焊丝(3)分别布置于激光束(5)的两侧，填充焊丝(3)位于激光束(5)的前方，并与工件(13)接触从熔池(11)前方送入，电弧(10)置于激光束(5)的后方；焊接时，焊接电源(1)的两极分别接钨极(8)和填充焊丝(3)。
2、根据权利要求1所述的一种强化电流磁流体动力学效应的激光电弧复合焊接方法，其特征在于：所述的电弧(10)为TIG电弧或者等离子弧。
3、根据权利要求1所述的一种强化电流磁流体动力学效应的激光电弧复合焊接方法，其特征在于：焊接电源(1)为直流或者交流或者脉冲电源。
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