CN101214584B

CN101214584B - 附加机械力的中小功率激光-gma电弧复合焊接方法

Info

Publication number: CN101214584B
Application number: CN 200810063890
Authority: CN
Inventors: 陈彦宾; 雷正龙; 李俐群
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2028-01-21
Also published as: CN101214584A

Abstract

附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，涉及一种激光-GMA电弧复合焊接方法。它解决了现有激光-GMA电弧复合焊接方法中存在的熔滴尺寸大、熔滴过渡时间长、熔滴破坏激光焊接的锁孔效应的问题。本发明的复合焊接方法是在现有中小功率激光-GMA电弧复合焊接过程中，当复合焊接的熔滴长大到某一程度时，即在复合焊接熔滴向激光束方向偏移之前，沿GMA焊丝轴线方向对熔滴施加附加机械力来促使熔滴提前实现过渡。本发明优点还有：提高了焊缝熔深，并获得了连续的焊缝成形；降低了激光功率和焊接电流进而降低了焊接变形；提高了能量利用率和焊接效率，降低了生产成本。它适用于现有任何一种中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法中。

Description

附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法

技术领域

本发明涉及一种激光-GMA电弧复合焊接方法。

背景技术

以往的研究工作表明，无论对激光-GMA，还是激光-TIG复合，复合热源焊接有效增大熔深、提高焊接速度和焊接适应性已是人们的共识。特别是近年来，人们为追求获得更大的焊接熔深以及大厚板的焊接，更多的注意力集中到了激光-GMA复合热源焊接。

2000年，Fraunhofer ILT首次将激光-GMA电弧复合焊接技术成功地应用到了5～8mm厚储油罐壁焊接的批量生产当中。目前，采用激光-MIG电弧复合焊接一次熔透成形的最大板厚为15mm厚S3555NL钢，其所用激光器为20kW的TLF20000。但是，由于激光与GMA复合焊接存在熔滴过渡问题，其焊接过程控制比较复杂，因此，目前关于激光-GMA复合热源的研究都主要集中在旁轴复合，且侧重于专用设备研制、焊接工艺研究和接头性能测试与质量评估上。例如，专利JP2002059286，JP2001276988，EP01179382A2，03109130.X，200410069000.3就主要集中在激光与GMA电弧复合焊接枪头的设计与研制方面；专利US04507540A，JP2002301582，JP2001259838，JP59066991，200510093863.9主要集中在激光与常规GMA电弧复合焊接技术与方法或者厚板焊接工艺的研究。

虽然激光-GMA复合热源焊接技术作为一种新型的激光焊接技术，在焊接中、厚钢板或者铝合金等难焊金属材料方面表现出了很好的应用前景。但是，目前采用激光与GMA电弧旁轴复合进行焊接时，为了显著的增加焊缝熔深，显示复合焊接的优势，其所采用的激光功率一般都至少在5kW以上，焊接电流一般都在200A以上。而对于中、小功率的激光与短路过渡或射滴过渡的GMA电弧进行旁轴复合焊接时，与单激光焊接相比，激光-GMA电弧复合焊接提高焊缝熔深的效果并不明显，甚至还有降低的可能，导致能量利用率大大降低，增加了焊接成本，此外，还存在焊缝成形不连续，焊接稳定性差等问题。

究其原因，这主要是因为在中小功率激光与短路过渡或射滴过渡GMA电弧旁轴复合焊接过程中，一方面，受激光等离子体和激光锁孔焊接所产生的金属蒸气的影响，激光与GMA电弧的相互作用改变了原有GMA电弧焊接熔滴稳定过渡区间，致使熔滴过渡过程中向激光束方向偏移，导致熔滴过渡周期变长，熔滴形态由小球状变成了不规则的大椭圆形，大大降低了熔滴过渡频率以及过渡的轴向性和稳定性，如图1所示为加入激光束之前GMA电弧焊接时熔滴过渡示意图；图2是加入激光束之后的GMA电弧焊接时熔滴过渡示意图，所述熔滴明显向激光束方向偏离、拉长。另一方面，复合焊接过程中生成的尺寸过大的不规则熔滴也易破坏激光焊接的锁孔效应，导致焊缝熔深变浅，成形不规则，呈现为一种非稳定的复合焊接特征。

一般来说，对于短路过渡或射滴过渡的GMA电弧焊接，其熔滴过渡频率越快，熔滴轴向性越好，越有利于获得稳定的焊接区间和好的焊缝熔深。那么，由此产生的问题是：在中小功率激光与短路过渡或射滴过渡GMA电弧旁轴复合焊接过程中，如何减小复合焊接熔滴尺寸，提高熔滴过渡频率、轴向性和稳定性，以获得良好的复合焊接效果而又能克服上述缺点。

发明内容

为了解决现有激光-GMA电弧复合焊接方法中存在的熔滴尺寸大、熔滴过渡时间长，熔滴破坏激光焊接的锁孔效应的问题，本发明提供了一种附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法。

附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，它是在现有中小功率激光-GMA电弧复合焊接过程中，沿GMA焊丝轴线方向对熔滴施加附加机械力来促使熔滴提前实现过渡，所述的附加机械力在当复合焊接的熔滴长大到某一程度时，即在复合焊接熔滴向激光束方向偏移之前施加。

发明的方法的优点有：一、提高了熔滴过渡频率、熔滴过渡的轴向性和稳定性，与同样焊接参数下的GMA电弧焊接相比，其熔滴过渡频率可提高20％左右；二、避免了熔滴破坏激光焊接的锁孔效应，进而获得深的焊缝熔深和好的焊缝成形，能够将焊缝熔深提高3倍以上，并获得连续的焊缝成形；三、与现有常规激光—GMA电弧复合焊接相比，在获得同样焊缝熔深的情况下，本发明的方法能够降低激光功率和焊接电流，从而减少焊接热输入量，降低焊接变形；四、提高了能量利用率和焊接效率，降低了生产成本，与现有常规激光—GMA电弧复合焊接相比，其焊接效率可提高3-4倍以上。

本发明的方法尤其适用于现有的中小功率激光-MIG电弧复合焊接、中小功率激光-MAG电弧复合焊接过程。

附图说明

图1是现有常规的GMA电弧焊接过程中熔滴过渡示意图，图2是现有激光-GMA电弧复合焊接过程中的熔滴过渡示意图，图1和图2的焊接方向均是从右向左，图中10为母材，11为熔滴，12为焊丝，13是熔滴11的重心，20是激光束，21是激光等离子体，30是本发明中增加的外部机械力的方向。图3是本发明的复合焊接方法给焊接熔滴施加机械力的示意图，图中31是电弧，32是保护气体流动方向，33是焊枪，34是送丝机构。图4是具体实施方式三所述的送丝速度的变化曲线图。图5是在激光功率为2000W、电弧焊接电流为100A的情况下，采用现有CO₂激光-GMA电弧复合焊接方法焊接过程中熔滴过渡过程示意图，所述熔滴过渡过程大约需要79ms，其中图a至f分别是0ms、34ms、54ms、75ms、78ms和79ms时刻的照片。图6是在激光功率为2000W、电弧焊接电流为100A的情况下，采用本发明的附加机械力的中小功率CO₂激光-GMA电弧复合焊接方法焊接过程中熔滴过渡过程示意图，所述熔滴过渡过程大约需要54ms，其中图a至f分别是0ms、10ms、45ms、51ms、53ms和54ms时刻的照片。图7是在激光功率为2000W、电弧焊接电流为100A的情况下，分别采用现有CO₂激光-GMA电弧复合焊接方法和本发明的附加机械力的中小功率CO₂激光-GMA电弧复合焊接方法焊接的焊缝表面和横截面示意图，其中a是采用现有CO₂激光-GMA电弧复合焊接方法焊接的焊缝表面和横截面示意图；b是采用本发明的附加机械力的中小功率CO₂激光-GMA电弧复合焊接方法焊接的焊缝表面和横截面示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法是在现有中小功率激光-GMA电弧复合焊接过程中，沿GMA焊丝轴线方向对熔滴施加附加机械力来促使熔滴提前实现过渡。

本实施方式的附加机械力可以在当复合焊接的熔滴长大到某一程度时，即在复合焊接熔滴向激光束方向偏移之前施加，本实施方式中，可以在0.7T～0.95T之间施加机械力，以实现促使熔滴提前实现过渡的目的。所述周期T与相同条件下现有单GMA电弧焊接的熔滴过渡周期相同，它是根据焊接时的电弧电流以及焊丝材料和直径确定。

本实施方式可以应用到现有任何一种中小功率激光-GMA电弧旁轴复合焊接过程中，例如中小功率CO₂激光-MIG/MAG电弧复合焊接、中小功率YAG激光-MIG/MAG电弧复合焊接、中小功率半导体激光-MIG/MAG电弧复合焊接等。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法的区别在于，所述附加机械力是由增大GMA电弧焊枪的保护气体流量产生的。

本实施方式采用GMA电弧焊枪的保护气体流量给熔滴施加机械力，在正常焊接时，GMA电弧焊枪的保护气体流量为现有技术中常用的10～25升/分钟，当复合焊接的熔滴长大到某一程度时，即在复合焊接熔滴向激光束方向偏移之前，也就是在熔滴过渡的0.75T～0.85T之间，瞬间增大所述保护气体流量为40～100升/分钟，使熔滴在保护气体的作用下提前过渡。

本实施方式可以采用CO₂或YAG激光器和MIG或者MAG熔化极气体保护焊的焊枪。所述激光器发出的激光束垂直入射于工件表面，聚焦激光束离焦量为-1mm～+1mm之间，所述焊枪的电弧与激光束之间夹角β为15～60°左右，激光束与焊丝尖端之间间距D_LA为2～6mm。焊接时，激光功率为800～3000W，电弧电流为60～250A。在焊接过程中，控制电弧焊接保护气流量的速度为40～100升/分钟，使所述熔滴在保护气流的作用下提前过渡。

本实施方式所述的焊接方法，还可以在焊接过程中始终保持GMA电弧焊枪的保护气体流量为增大后的40～100升/分钟。

所述GMA电弧焊接的保护气流量的速度与焊接电流和激光功率的大小有关，如下表所示分别为焊接电流为100A和150A的MIG电弧与不同激光功率复合时所需的保护气体流量范围：

其中保护气体流量的单位为：升/分钟。

在现有的激光-GMA电弧旁轴复合焊接中，其保护气体流量都采用常规GMA电弧焊接的保护气流量，一般都比较小，为10～25升/分钟左右，这时，复合焊接熔滴过渡变得相当不稳定，呈现为非稳定复合焊接特征。本实施方式在复合焊接方法中增加了保护气体流量，一方面由于保护气体对焊接电弧的冷却和压缩作用，可以增加促使熔滴过渡的电弧等离子流力；另一方面增加保护气体流量可以增加保护气体对熔滴的吹力，这样就相当于给熔滴施加了一定大小的附加机械力，有利于减小熔滴尺寸，与现有的激光-GMA电弧旁轴复合焊接相比，促进了熔滴提前过渡，提高了熔滴过渡频率和稳定性，并避免了熔滴对激光焊接锁孔的破坏，导致复合焊接熔深大大增加，获得了极好的复合焊接效果，呈现为稳定复合焊接特征。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法的区别在于，所述附加机械力是采用控制GMA电弧焊枪的送丝速度在周期T内成脉动变化来实现的，所述脉动变化的起始时间t₂是在熔滴过渡的0.7T～0.8T之间。

本实施方式所述的脉动变化，是指送丝速度随时间在周期T内有成锯齿波形、三角波形或正弦波形变化，其中送丝的加速时间段t_a为0.15T～0.25T，送丝的减速时间段t_d为0.05T～0.15T。

本实施方式是采用脉动送丝的方式附加机械力。在激光-GMA电弧复合焊接过程中，通过脉动送丝使其在加速送丝过程中给熔滴施加一定大小的附加机械力，从而实现对复合焊接熔滴过渡的良好控制。脉动送丝就是使送丝速度周期性的发生变化。脉动送丝的送丝速度与时间的关系如图4所示，其中t₁到t₂ 阶段是匀速送丝阶段，熔滴处于静止状态，在t₂到t₃阶段，即加速时间段t_a 为送丝加速阶段，即附加机械力阶段，使熔滴加速运动，在t₃到t₄阶段，即减速时间段t_b为送丝减速阶段，这个时间段熔滴由于惯性作用继续加速运动并拉长至形成缩颈，在时间t₄熔滴脱落并过渡到熔池，一个周期T完成，进入下一循环。

在具体实践中，送丝的加速时间段和减速时间段根据具体情况而定，经实验验证，加速时间段t_a＝0.2T，减速间段t_b＝0.1T效果比较好。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法的区别在于，所述附加机械力是采用控制GMA电弧焊枪的送丝机构在周期T内沿送丝方向振动来实现的。

所述振动施加起始时间为0.85T～0.95T，机械振动频率为50～150Hz，机械振动的振幅与该焊接条件下的电弧弧长有关，为0.5～3mm。

本实施方式采用机械振动的方法对焊接熔滴附加机械力。机械振动法附加机械力是在激光-GMA电弧复合焊接过程中保持焊接电源和送丝速度不变，当熔滴长大到一定程度之后，通过送丝机构以一定频率振动使熔滴与熔池迅速接触短路后又立即拉开实现过渡的一种方法。

机械振动控制熔滴过渡实质上就是在短路过渡过程中给熔滴施加一定大小的外加机械力的过程。采用机械振动附加机械力控制熔滴过渡可以减小熔滴尺寸，大大提高熔滴过渡频率和稳定性，有利于提高焊缝熔深，获得优良的复合焊接效果。

Claims

1.附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，其特征在于它是在现有中小功率激光-GMA电弧复合焊接过程中，沿GMA焊丝轴线方向对熔滴施加附加机械力来促使熔滴提前实现过渡，所述的附加机械力在当复合焊接的熔滴长大到某一程度时，即在复合焊接熔滴向激光束方向偏移之前施加。

2.根据权利要求1所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，其特征在于所述机械力是在熔滴过渡的0.7T～0.95T之间开始施加，所述周期T与相同条件下现有单GMA电弧焊接的熔滴过渡周期相同。

3.根据权利要求1所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，其特征在于所述附加机械力是由增大GMA电弧焊枪的保护气体流量产生的。

4.根据权利要求3所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，其特征在于所述GMA电弧焊枪的保护气体流量在熔滴过渡的0.75T～0.85T之间瞬间增大为40～100升/分钟，所述周期T与相同条件下现有单GMA电弧焊接的熔滴过渡周期相同。

5.根据权利要求3所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，其特征在于在焊接过程中始终保持GMA电弧焊枪的保护气体流量为40～100升/分钟。

6.根据权利要求1所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，其特征在于所述附加机械力是采用控制GMA电弧焊枪的送丝速度在周期T内成脉动变化来实现的，所述脉动变化的起始时间t₂是在熔滴过渡的0.7T～0.8T之间，所述周期T与相同条件下现有单GMA电弧焊接的熔滴过渡周期相同。

7.根据权利要求6所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，其特征在于所述脉动变化是指送丝速度在周期T内随时间成锯齿波形、三角波形或正弦波形变化，其中送丝的加速时间段t_a为0.15T～0.25T，送丝的减速时间段t_d为0.05T～0.15T。

8.根据权利要求1所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，其特征在于所述附加机械力是采用控制GMA电弧焊枪的送丝机构在周期T内沿送丝方向振动来实现的，所述周期T与相同条件下现有单GMA电弧焊接的熔滴过渡周期相同。

9.根据权利要求8所述的附加机械力的中小功率激光-GMA电弧复合焊接方法，其特征在于所述振动施加起始时间为0.85T～0.95T，机械振动频率为50～150Hz，机械振动的振幅与该焊接条件下的电弧弧长有关，为0.5～3mm。