CN101318266A - 空心电极激光等离子同轴复合加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种空心电极激光等离子同轴复合加工装置，包括激光器、光路机构和等离子焊接系统，在激光器的加工端设置一个能够产生等离子电弧的复合机头，复合机头包括上枪体、下枪体，之间是绝缘块，在上枪体的上部设置一个密封的并可以透射激光器发出的激光束的电极帽，在下枪体内安装一个与激光器发出的激光束同轴的空心电极，激光束穿插过空心电极的中心孔。与现有技术相比，本发明的激光与电弧复合并非简单热源‘1+1＝2’作用，二是具有‘1+1＞2’热源复合协同效应，而且不仅应用于焊接，还可应用于熔积成形、金属直接制造、零件修复。

Description

空心电极激光等离子同轴复合加工装置

技术领域

本发明是一种空心电极激光等离子同轴复合加工装置，属于焊接技术领域。可应用于各工业领域结构的焊接、熔积成形、金属零件直接制造，以及零件填丝或填粉修复。

背景技术

所谓激光等离子弧同轴复合加工技术，就是激光通过空心电极和等离子电弧复合共同作用于同一熔池而实现焊接、熔积成形、金属直接制造等方法。其优点在于当激光与等离子弧共同作用于工件基体时，可利用等离子电弧对激光光致等离子体的吸收作用使激光到达工件前的能量损耗减少，利用等离子电弧还对工件表面还有预热软化作用以降低金属表面对激光的反射率，使工件表面更加充分吸收激光的能量，从而提高激光能量利用率，这样更加有利于高能量的激光束作用于材料时迅速形成焊接小孔实现深熔焊接，或是提高填充粉末或填充焊丝的熔化效率和熔化过渡稳定性，构建或修复所设计的结构形状。

许多激光电弧复合焊接技术研究已证实，激光与电弧作用于同一位置时，并非简单热源‘1+1＝2’作用，二是具有‘1+1＞2’热源复合协同效应。一方面电弧焊成本低，电效率高，能达到80％，现有工业应用焊接激光器的电效率小于10％，允许的焊接装配间隙裕度大，但焊接速度和熔深提高有限，热输入大，但焊接变形严重等缺陷限制了在大、厚结构上的应用。激光焊接速度快，焊缝成型好，深宽比大，线能量小，焊后变形小，残余应力小，焊后一般不需纠正，可以实现精密焊接，自动化程度高，是一种高效高精度的焊接方法。但装配间隙小，等离子体对激光的反射和吸收，焊缝冶金控制较难，易于出现冷裂、脆化，凝固时间短，易产生气泡等缺陷限制了激光焊接技术的发展。将激光束和电弧复合，可借助于激光与电弧间的相互作用，取长补短，可更好地发挥激光焊接的优点，并降低焊接装配精度要求，放宽装配间隙裕度，进一步提高焊接熔深和焊接速度，提高激光焊过程的稳定性和焊接效率，增大激光焊接质量保证的可靠性和激光焊影响的适应性。

根据激光电弧在空间位置不同可以将复合形式分为两大类即旁轴与同轴。对于焊接，有三种电弧作为辅助热源与激光复合，均可提高装配间隙裕度，改善焊缝成形和焊接接头性能，其中等离子弧的引弧性和稳弧性最好，与TIG焊相比，电极不易损耗，辅助激光可获得过程很稳定的复合焊接技术，而且也不存在MIG焊过程的飞溅影响，更有利于焊接质量的保证。激光与等离子旁侧复合易于实现，旁轴复合焊接增加了熔深、增大了焊接速度、消除了单一等离子弧焊接时出现的咬边现象。但由于旁轴复合热源在工件上的作用区域为非对称分布，并且在电弧电流增大时激光与电弧的作用点产生分离的缺点，同时旁轴复合焊枪的特殊结构，导致它与激光复合时的调节余地减小，不适合于曲线或三维焊接，同时电弧对激光束能量的损耗也很大，限制了激光焊接技术发展。

出于对上述几点的考虑，并充分发挥激光与电弧复合在材料加工方面的优势，我们提出并开展了激光与等离子弧同轴复合热源加工技术的研究。目前，对激光等离子同轴复合加工技术研究的研究较少，因此，激光等离子同轴复合加工技术的研究具有十分重要现实意义。

现有激光等离子弧复合加工方法，多是采用旁轴复合，而且也多局限于焊接。而且同轴复合热源焊接技术与单独常规电弧焊相比较，克服了常规电弧焊焊接速度和熔深提高有限，热输入大，焊接变形严重等缺陷，焊接速度可提高一倍以上。同轴复合热源焊接技术与单独激光焊接相比较，克服了激光焊接装配间隙小，等离子体对激光的反射和吸收，焊缝冶金控制较难，易于出现冷裂、脆化，凝固时间短，易产生气泡等缺陷，焊接头熔深增大，对激光束品质、对接焊缝间隙及焊缝跟踪精度的要求大大放宽，与填充焊丝激光焊接对比，即使焊缝对接根部间隙达到1mm，采用同轴激光电弧复合热源焊接也可以得到良好的焊接接头成形。

复合热源加工技术的电弧与激光聚焦光斑的相互作用位置对焊接过程稳定性影响很大，同轴复合热源与旁轴复合热源相比较：(1)同轴复合热源克服了旁轴复合热源在工件上的作用区域为非对称分布和电弧电流增大时激光与电弧的作用点产生分离的缺点，热源分布对称，激光与等离子弧不会分离。(2)同轴复合热源的激光是从等离子弧内部通过，而旁轴复合热源的激光与电弧成一定角度，从电弧外部穿过弧柱后才能到达工件，这样就使激光的能量消耗很大，同轴复合热源克服了这种缺点可减少了等离子弧对激光束能量的损耗。(3)旁轴复合热源的激光与等离子弧位置对于焊接过程的影响很大，这样就会妨碍激光和电弧协同作用的更好发挥，同轴复合热源克的激光和等离子弧协同作用稳定，电弧等离子体吸收光致等离子体作用效率进一步的提高，从而更有效地提高了激光束的能量传输效率，使得复合热源的适应性进一步的提高。(4)旁轴复合热源等离子弧是与工件不是垂直的，因此等离子弧对熔池形成一种侧吹的状态，这种状态对等离子弧的稳定性和熔池的稳定性都是不利的。同轴复合热源电弧与工件是垂直，克服了旁轴复合热源等离子弧不垂直的缺陷，等离子弧和熔池稳定，使热量充分地沿着垂直工件的方向传播，同时还充分发挥激光和等离子体均可形成小孔的优势，并利于加工过程小孔形成的稳定。(5)旁轴复合热源工作头体积较大调节余地小。同轴复合热源加工头结构紧凑，克服了旁轴复合热源工作头体积大缺陷，可以应用于曲线或三维焊接。

目前，复合加工技术主要是进行的旁轴复合，对于同轴复合技术还只是停留在理论上，国外也有一些同轴复合技术，外观上是同轴，但在内部也是旁轴复合，只有在加工头出口处，激光和电弧在同一出口发出，只是在形式上的同轴，并且应用的电弧是MIG电弧。

发明内容

本发明正是在发挥激光与电弧复合热源优势的基础上、为克服现有技术中的不足而设计提供了一种空心电极激光等离子同轴复合加工装置，其目的是在加工过程中，实现耗能少、效率高、成本低、成形好的效果，不仅用于结构焊接，而且可拓展应用于熔积成形、金属零件直接制造，以及零件填丝或填粉修复。

激光焊接可在较高的焊接速度和较低的热输入条件下获得大深宽比的焊接接头，焊接变形小，是一种高效高精度的焊接方法。然而激光焊的效率和适应性还可以通过与其它热源复合得到进一步的提高，就是激光与电弧同轴复合。激光与电弧复合可借助于激光与电弧间的相互作用，取长补短，在保持激光焊固有优势的同时，降低焊接装配精度要求，放宽装配间隙裕度，进一步提高焊接熔深和焊接速度，提高激光焊过程的稳定性和焊接效率，增大激光焊接质量保证的可靠性和激光焊影响的适应性。

本发明的目的是通过以下措施来实现的：

该种空心电极激光等离子同轴复合加工装置，包括激光器、光路机构和等离子焊接系统，其结构设计特征在于：在激光器的加工端设置一个能够产生等离子电弧的复合机头，复合机头包括上枪体、下枪体，之间是绝缘块，在上枪体的上部设置一个密封的并可以透射激光器发出的激光束的电极帽，在下枪体内安装一个与激光器发出的激光束同轴的空心电极，激光束穿插过空心电极的中心孔。

上述装置的特点是在空心电极的中心打孔，使激光在空心电极的中心孔穿过，进行加工，实现了真正的激光电弧同轴复合。由于激光束是锥形的，所以加大枪体内腔，为了更好的冷却在下枪体通入冷却水，再经过绝缘块通上枪体，在上枪体流出，等离子气由上枪体进入，经过整个机头由加工头出口排出，保护气由下枪体进入，在复合机头的端部排出，保护加工部位加工

本发明装置通过利用等离子电弧对光致等离子体的吸收作用可以使激光到达工件前的能量损耗减少，同时等离子电弧对工件表面还有软化作用，可以降低金属表面的反射率，使工件表面更加充分吸收激光的能量，这样更加有利于高能量的激光束击穿工件形成小孔。本发明装置的复合方式是激光与等离子弧同轴复合，等离子弧通过空心电极产生，等离子弧可沿空心电极环形端面移动或形成中空的等离子弧，激光穿越空心电极中心，位于等离子弧的包围之中。为实现激光等离子弧同轴复合热源加工技术，通过激光等离子复合机头的结构设计和空心电极的设计，使激光能够通过空心电极和等离子电弧复合。同时合理布置弧焊部分各孔道和焊枪同轴光路，保证激光等离子复合加工机头稳定工作。

本发明装置所代表的复合热源加工技术，真正的实现了激光电弧同轴复合，利用等离子弧和激光各自的优势，获得比激光与常规电弧复合以及旁轴复合更为稳定的复合热源，实现多种复合热源加工技术，包括复合热源焊接、熔积成形、金属零件直接制造，以及零件填丝或填粉修复，达到耗能少、效率高、成本低、成形好等优良复合热源加工效果，其中电极帽具有三重作用的结构更加保证了这种结构的实现。

附图说明

图1为同轴激光电弧复合热源加工技术的原理图

图2是本发明装置的原理结构示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明装置作进一步地详述：

参见附图1～2所示，该种空心电极激光等离子同轴复合加工装置，包括激光器1、光路机构2和等离子焊接系统，在激光器1的加工端设置一个能够产生等离子电弧的复合机头3，复合机头3包括上枪体4、下枪体5，之间是绝缘块6，在上枪体4的上部设置一个密封的并可以透射激光器1发出的激光束的电极帽9，在下枪体5内安装一个与激光器1发出的激光束同轴的空心电极7，激光束穿插过空心电极7的中心孔8。上枪体4和下枪体5所内腔的最大直径是30mm。冷却水是通过下枪体5通入从上枪体4流出。等离子气是由上枪体4进入，通过气体分流器10，经过整个复合机头3由加工头出口11排出。保护气由下枪体5进入，从加工头出口11周围排出。

空心电极7采用耐高温的钨合金，该电极材料硬而脆，采用激光打孔、电火花和数控精密加工相结合的方法进行加工，以保证电极内孔壁的光洁度，防止空心电极形成电弧时产生不稳定。

上枪体4用于激光导入与聚焦，激光聚焦采用透镜聚焦，下枪体5导入等离子弧。

实施例1在焊接电流为65A，焊接速度为1.5m/min，等离子气流量1.2LPM，保护气流量10LPM，弧长5mm，激光功率2.5KW，激光离焦量为-1mm的工艺参数下焊接，使用复合加工技术后熔深增加20％以上。

实施例2激光焊规范：激光功率2.5KW，激光离焦量为-1mm，焊接速度为1.5m/min。复合焊规范为2.5KW，激光离焦量为-1mm，等离子电流为65A，焊接速度为1.5m/min，等离子气流量1.2LPM，保护气流量10LPM，弧长5mm，使用复合加工技术后最大间隙可以提高一倍。

与现有技术相比，本发明的激光与电弧复合并非简单热源‘1+1＝2’作用，二是具有‘1+1＞2’热源复合协同效应，而且不仅应用于焊接，还可应用于熔积成形、金属直接制造、零件修复。

Claims (5)

1.空心电极激光等离子同轴复合加工装置，包括激光器(1)、光路机构(2)和等离子焊接系统，其特征在于：在激光器(1)的加工端设置一个能够产生等离子电弧的复合机头(3)，复合机头(3)包括上枪体(4)、下枪体(5)，之间是绝缘块(6)，在上枪体(4)的上部设置一个密封的并可以透射激光器(1)发出的激光束的电极帽(9)，在下枪体(5)内安装一个与激光器(1)发出的激光束同轴的空心电极(7)，激光束穿插过空心电极(7)的中心孔(8)。

2.根据权利要求1所述的空心电极激光等离子同轴复合加工装置，其特征在于：上枪体(4)和下枪体(5)所内腔的最大直径是30～40mm。

3.根据权利要求1所述的空心电极激光等离子同轴复合加工装置，其特征在于：冷却水是通过下枪体(5)通入从上枪体(4)流出。

4.根据权利要求1所述的空心电极激光等离子同轴复合加工装置，其特征在于：等离子气是由上枪体(4)进入，通过气体分流器(10)，经过整个复合机头(3)由加工头出口(11)排出。

5.根据权利要求1所述的空心电极激光等离子同轴复合加工装置，其特征在于：保护气由下枪体(5)进入，从加工头出口(11)周围排出。

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