CN102699546A - 一种激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统及方法，采用主丝起弧，从丝不燃弧，并利用激光提供热源，进行复合焊接。本发明既能弥补两种激光焊和电弧焊两种焊接方法各自独立焊接的不足，又能充分发挥两种热源各自的优势，大幅提高焊丝熔敷效率，实现高效焊接，实现十分稳定的焊接过程，控制母材热输入量，减小出现焊接缺陷的可能性，有助于获得良好的焊接质量。

Description

一种激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及焊接工程技术领域，更加具体地说，涉及一种激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统及方法。

背景技术

激光焊是一种先进的制造工艺技术，与传统焊接方法相比，具有高能量密度、低热输入、小变形、易实现自动控制等优点，在工业生产中得到了越来越广泛的应用。但是一般激光焊多为不加填充金属的自熔焊接，对焊接坡口加工精度、装配精度等要求很高，且焊缝的成分不能根据要求进行调整，使得它在实际工业应用中受到了一定的限制。扩展激光焊在工业生产中的应用领域，推进激光焊产业化的方案主要有两种：一种是填丝激光焊，另一种是激光-电弧复合焊。填丝激光焊与非填丝激光焊相比，主要有如下优点：可以降低对工件坡口加工、装配的精度要求，提高焊缝质量，防止咬边、凹陷等缺陷；可以用较小的激光功率实现厚板的多层焊接；可以通过对填充焊丝材料的选择方便地调节焊缝的成分，改善材料的焊接性，提高焊缝的性能。填丝激光焊接虽然与激光焊相比有诸多优点，但是其也有较明显的缺点：由于熔化焊丝的热量需要由激光提供，因此用于熔化工件的激光功率减小；焊丝激光作用下熔化的同时，还会反射一部分激光，从而使得激光的利用率进一步降低。因此，与激光焊相比，填丝激光焊接方法对激光功率的要求更高。当前技术条件下，激光功率的提高也就意味着激光器成本的大幅上升。

激光-电弧复合焊是把激光热源和电弧热源复合作用在同一个熔池上的焊接方法。与单激光或单MIG焊接方法相比，激光-MIG复合焊接主要有如下优点：对坡口间隙的搭桥能力强，降低了对工件坡口加工装配和焊缝对中的精度要求；可以获得更大的熔深，可以用较小的激光功率实现厚板的焊接；可显著增强高反射比材料对激光的吸收，改善这些材料的激光焊接性；激光有稳定电弧的作用，可显著提高MIG高速焊接或小电流焊接的稳定性和焊缝成形质量。激光+电弧复合焊接也有其缺点：激光-电弧复合焊接是在电弧焊接的基础上引入激光这种不同形式的热源，利用激光与电弧的相互作用实现焊接过程。由于引入新热源的同时并没有增加熔敷金属的填充量，因此导致激光+电弧复合焊接单位功率熔化的填充金属量降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种新型实用的激光－双熔化极单电弧复合焊接系统及方法，既能弥补两种激光焊和电弧焊两种焊接方法各自独立焊接的不足，又能充分发挥两种热源各自的优势，大幅提高焊丝熔敷效率，实现高效焊接，实现十分稳定的焊接过程，控制母材热输入量，减小出现焊接缺陷的可能性，有助于获得良好的焊接质量。

本发明的目的通过下述技术方案与以实现：

一种激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统，包括第一焊机、第二焊机、第一焊丝、第二焊丝和激光源，其中：

第一焊机和第二焊机的阳极共同与第一焊丝连接，第一焊机的阴极与工件相连接，第二焊机的阴极与第二焊丝连接，其中第一焊丝与工件形成电弧，第二焊丝与工件不形成电弧；激光源位于第一焊丝和第二焊丝之间。

在本发明的复合焊接系统中，焊接过程中燃弧的焊丝（第一焊丝）称为主丝，其对应的电弧称为主弧，工作电流为来自两个焊机的电流之和（I₀=I₁+I₂）。焊接过程中不燃弧的焊丝（第二焊丝）称为从丝，焊丝插在熔池中或熔池边缘，并始终与工件接触。第一焊机的阳极与第二焊机的阳极共同与主丝送丝机相连接，第一焊机的阴极与工件相连接，第二焊机的阴极与从丝送丝机相连接。焊接总电流由主丝流出，一部分分电流通过工件流入第一焊机，另一部分分电流通过从丝流入第二焊机。

本复合系统的核心在于两个焊接电源的组合方式与两个焊丝之间、激光的组合形式。通过合理地设置几何参数，激光与主丝之间可以形成激光-电弧复合焊接的组合方式。激光-电弧复合焊接过程中，激光与电弧这两种不同性质的热源协同作用，激光导致的金属蒸气可以在很大程度上影响电弧等离子体的导电性能和导热性能。激光作用在工件上产生激光等离子体，而激光等离子体的存在可以协助电弧形成一个良好的导电通道。并且，激光等离子体的存在提高的工件表面的温度，因此也更加有利于电弧的热电子发热。总之，激光-电弧复合焊接过程中，激光可以实现稳定电弧的作用，尤其在高速焊接过程中可以引导电弧，有助于实现稳定的焊接过程。

激光与从丝之间则可以形成填丝激光焊接的组合方式，并且从丝在此焊接方法中经过了从丝电流的加热，因此为热丝，因此熔化状况较冷丝更良好。通过设置不同的几何参数，从丝与工件间的位置关系可以分为两种：（1）从丝与工件在焊接过程中始终保持开路状态，各自分别作为电弧的两个独立阴极，此时激光与从丝组合形成的填丝激光焊接方法，从丝的熔滴过渡方式为滴状过渡，促进熔滴过渡的作用力主要为重力，阻碍熔滴过渡的作用力主要为焊丝与熔滴之间的表面张力。但此种方式焊接过程不稳定，一般不予采用（2）从丝与工件在焊接过程中始终保持短路状态，从丝端头与熔池金属的边缘相接触。从丝的熔滴过渡方式为桥络过渡，从丝的熔化热一部分来自于双熔化极旁路耦合焊接系统，另一部分来自于激光对从丝的热作用。在合理的焊接工艺参数下，从丝可以实现从固态焊丝到液态熔池金属的顺利平稳过渡。

激光-双熔化极旁路耦合复合焊接系统中,一方面激光与主丝形成激光-电弧复合焊接方法，对从丝加热起到了至关重要的作用，弥补了填丝激光中对激光功率的较高要求；另一方面，激光与从丝形成填丝激光焊接的方法，并且从丝作为阴极分流走了一部分本用于熔化工件的电流用于熔化从丝，因此，增大的焊接过程的熔敷金属填充效率，弥补了激光-电弧复合焊接方法能量利用率低的不足。

在本发明的激光-双熔化极旁路耦合复合焊接系统中，激光器可以采用Nd:YAG激光，CO₂激光或光纤激光，激光输出模式可以采用恒定输出或脉冲输出。第一焊机可以采用脉冲输出或恒压输出，第二焊机可以采用脉冲输出、恒压输出或恒流输出。

如上面所述，焊接系统焊接部分的几何设置十分关键，激光与两把焊枪（即两个焊丝）均位于焊道所在的竖直平面内，并且激光入射方向与工件所在平面垂直。激光与两个焊丝之间各自的距离及两个焊丝端头在工件上的距离，激光与两个焊丝各自之间的夹角及两个焊丝之间的夹角，主丝（第一焊丝）与从丝（第二焊丝）的干伸长度需要按如

下参数精确配置：

（1）激光与主丝之间的距离D_l-mw：0~5mm

（2）激光与从丝之间的距离D_l-sw：0~3mm

（3）主丝与从丝之间的距离D_mw-sw：0~8mm

（4）激光与主丝之间的夹角α：15°~60°

（5）激光与从丝之间的夹角β：30°~75°

（6）主丝与从丝之间的夹角γ：45°~110°

（7）主丝的干伸长度L_mw：12~22mm

（8）从丝的干伸长度L_sw：15~25mm

上述位置参数优选如下：

（1）激光与主丝之间的距离D_l-mw：0~5mm

（2）激光与从丝之间的距离D_l-sw：0~3mm

（3）主丝与从丝之间的距离D_mw-sw：0~8mm

（4）激光与主丝之间的夹角α：20°~55°

（5）激光与从丝之间的夹角β：35°~70°

（6）主丝与从丝之间的夹角γ：45°~80°

（7）主丝的干伸长度L_mw：15~20mm

（8）从丝的干伸长度L_sw：20~25mm

其中送丝速度为1~10m/min（根据焊接需要，主丝送丝速度高于从丝送丝速度），焊接速度为1-10mm/s，可根据实际焊接情况进行调整，以便于与送丝速度相适应。

焊接过程中，主丝由电弧热熔化，而从丝熔化热由两部分组成：电弧的热作用和从丝导电嘴与工件之间这一段焊丝的电阻热。双熔化极单电弧旁路耦合复合焊焊接过程的高速摄像图片如图3所示，一个熔滴过渡周期为0.021s。其对应的电信号如图4中0.786s至0.807s时间区间(时间轴上0至虚线处)所示，第一张图片对应的电信号时刻为0.786s，最后一张图片对应的电信号时刻为0.807s，由图4可知，工件电流与从丝电流相位相反。工件电流达到峰值时，从丝电流恰好为基值。这样可以避免主焊机输出脉冲峰值时热输入突然增大导致的从丝爆断。

双熔化极旁路耦合焊接方法是一种新型的焊接方法，其可以在提高填充金属熔敷效率的同时，合理分配焊接过程中产生的热量，有效调节用于熔化焊丝的热量和对母材的热输入量。将双熔化极旁路耦合焊与激光焊复合，本发明公开了一种全新的焊接方法—激光+双熔化极旁路耦合复合焊接。激光+双熔化极旁路耦合复合焊接将激光+电弧复合焊接的优点与填丝激光焊接的优点有效结合起来，同时避免了这两种焊接方法的不足。

激光与主丝之间可以形成激光+电弧复合焊接的方法，在具备此焊接方法的优点的同时，电弧对从丝的加热以及通过从丝的电流产生的电阻热可以对熔化从丝起到相当的作用，因此可以避免填丝激光焊时为熔化从丝而对激光功率的较高要求，以及对激光与从丝相对位置的严格限制；激光与从丝之间则可以形成填丝激光焊接的方法。其在一个焊接系统中与激光+电弧复合焊接同时存在，可以提高单位功率熔化的填充金属量，从而提高焊接系统整体的熔敷金属填充效率。并且，由于单位电流熔化的金属量增大，可以使得激光+双熔化极旁路耦合复合焊接在坡口焊接的情况下在较低热输入时获得相同的熔敷金属填充量，也可以在对母材热输入相同的情况下获得更大的熔敷金属填充量，从而可以在获得良好焊接质量的同时得到更高的焊接效率。与激光+双MAG/MIG电弧复合焊接方法相比，激光+双熔化极旁路耦合焊接方法可以在焊接过程对工件的熔敷金属量相同的情况下减小对母材的热输入。这是由于双熔化极旁路耦合焊接系统中利用了常规双丝焊接中本用熔化工件一部分热量用于熔化焊丝。而在熔化极气体保护焊中，焊丝作用冷阴极，其阴极产热远远高于阳极产热。因此，双熔化极旁路耦合焊接系统中焊丝熔化效率大大提高，从而可以大大提高焊接过程的熔敷效率。

与现有技术相比，本发明的复合焊接系统和方法具有如下优点：

（1）与激光焊相比，激光+双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接方法可以向焊缝填充大量熔敷金属，从而可以显著改善桥接能力，扩展激光焊接的应用范围。

（2）与激光填丝激光焊接相比，由于激光+双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接方法引入电弧，因此可以在激光功率相同的情况下获得更高的生产效率，并且激光与电弧的复合作用可以有效控制焊缝成形。

（3）与激光+MIG复合焊接相比，激光+双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接方法可以通过双熔化极单电弧旁路耦合焊系统更加有效地调节焊接过程对母材的热输入量，有益于薄板高速焊接，从而获得良好的焊接质量。

附图说明

图1激光－双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统示意图，其中1为第一焊机，2为第一焊丝（主丝），3为第一焊枪，4为激光，5为第二焊枪，6为第二焊丝（从丝），7为第二焊机，8为工件。

图2激光—熔化极旁路耦合复合焊激光与焊枪相对位置示意图，其中1为第一焊枪，2为激光，3为第二焊枪，D_1-mw为激光与主丝之间在工件表面的距离，D_l-sw为激光与从丝之间在工件表面的距离，α为激光与主丝之间的夹角，β为激光与从丝之间的夹角。

图3激光－双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接过程高速摄像图片，图中虚线位置为焊接过程中激光的作用中心线。

图4激光－双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接过程的电信号波形。

图5激光－双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接焊道表面照片。

图6激光-双熔化极旁路耦合复合焊接焊道截面照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明采用的复合焊接系统，包括如下组成部分：JK2003SM的Nd：YAG激光器（1台），林肯INVERTEC V350 PRO型焊机（1台），林肯INVERTEC^TMV300－I焊机（1台），S-86A型半自动送丝机（2台），角度与位置可调的双枪夹具（1个），工作台（1台）。此外，还包括气瓶气阀、遥控盒等焊接辅助设备，焊丝选用H08Mn2SiA焊丝，工件选用Q235钢。采用如图1所示的方式进行连接成焊接系统，焊接工艺具体参数见表1和表2。试验过程中采集到的与图4对应的电信号区间的激光功率与电信号参数对比如表3所示。

表1 激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接基本参数

表2 激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接试验参数

表3 激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接激光功率与电信号参数对比

表4 激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接参数

参数	1	2	3	4	5
						激光与主丝之间的距离Dl-mw	5mm	4mm	1mm	3mm	2mm
激光与从丝之间的距离Dl-sw	3mm	2mm	0mm	1mm	2mm
						主丝与从丝之间的距离Dmw-sw	8mm	6mm	1mm	4mm	4mm
激光与主丝之间的夹角α	60°	55°	15°	30°	20°
						激光与从丝之间的夹角β	75°	70°	30°	35°	60°
主丝与从丝之间的夹角γ	110°	80°	60°	45°	100°
						主丝的干伸长度Lmw	22mm	20mm	12mm	15mm	18mm
从丝的干伸长度Lsw	25mm	25mm	15mm	18mm	20mm

焊接过程基本步骤：

(1)按照图1和图2所示位置连接电弧焊接设备和设置焊接系统；

(2)调整两个焊丝各自的角度，两个焊丝的干伸长度，两个焊丝端头在工件上的距离；

(3)调节激光在工件上的聚焦位置，精确配置激光与两个焊丝的几何位置；

(4)调节激光功率，调节电焊机V350与电焊机V300的电源设置参数;

(5)调节焊接速度与送丝速度；

(6)按照要求做好其它焊接准备工作，施焊

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统，包括第一焊机、第二焊机、第一焊丝、第二焊丝和激光源，其特征在于，其中：

第一焊机和第二焊机的阳极共同与第一焊丝连接，第一焊机的阴极与工件相连接，第二焊机的阴极与第二焊丝连接，其中第一焊丝与工件形成电弧，第二焊丝与工件不形成电弧；激光源位于第一焊丝和第二焊丝之间；其结构参数主要如下：

（1）激光与第一焊丝之间的距离D_l-mw：0~5mm；

（2）激光与第二焊丝之间的距离D_l-sw：0~3mm；

（3）第一焊丝与第二焊丝之间的距离D_mw-sw：0~8mm；

（4）激光与第一焊丝之间的夹角α：15°~60°；

（5）激光与第二焊丝之间的夹角β：30°~75°；

（6）第一焊丝与第二焊丝之间的夹角γ：45°~110°；

（7）第一焊丝的干伸长度L_mw：12~22mm；

（8）第二焊丝的干伸长度L_sw：15~25mm。

2.根据权利要求1所述的一种激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统，其特征在于，结构参数优选如下：

（1）激光与第一焊丝之间的距离D_l-mw：0~5mm；

（2）激光与第二焊丝之间的距离D_l-sw：0~3mm；

（3）第一焊丝与第二焊丝之间的距离D_mw-sw：0~8mm；

（4）激光与第一焊丝之间的夹角α：20°~55°；

（5）激光与第二焊丝之间的夹角β：35°~70°；

（6）第一焊丝与第二焊丝之间的夹角γ：45°~80°；

（7）第一焊丝的干伸长度L_mw：15~20mm；

（8）第二焊丝的干伸长度L_sw：20~25mm。

3.根据权利要求1或者2所述的一种激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统，其特征在于，所述激光采用Nd:YAG激光，CO₂激光或光纤激光，输出模式采用恒定输出或脉冲输出；所述第一焊机采用脉冲输出或恒压输出，所述第二焊机采用脉冲输出、恒压输出或恒流输出。

4.一种利用如权利要求1所述的激光-双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统进行焊接的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)按照权利要求1所述的复合焊接系统连接电弧焊接设备和设置焊接系统；

(2)调整两个焊丝各自的角度，两个焊丝的干伸长度，两个焊丝端头在工件上的距离；

(3)调节激光在工件上的聚焦位置，配置激光与两个焊丝的几何位置；

(4)调节激光功率，调节第一焊接和第二焊接的电源设置参数；

(5)调节焊接速度与送丝速度；

(6)施焊。

5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述激光采用Nd:YAG激光，CO₂激光或光纤激光，输出模式采用恒定输出或脉冲输出；所述第一焊机采用脉冲输出或恒压输出，所述第二焊机采用脉冲输出、恒压输出或恒流输出。

6.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，结构参数优选如下：

（1）激光与第一焊丝之间的距离D_l-mw：0~5mm；

（2）激光与第二焊丝之间的距离D_l-sw：0~3mm；

（3）第一焊丝与第二焊丝之间的距离D_mw-sw：0~8mm；

（4）激光与第一焊丝之间的夹角α：20°~55°；

（5）激光与第二焊丝之间的夹角β：35°~70°；

（6）第一焊丝与第二焊丝之间的夹角γ：45°~80°；

（7）第一焊丝的干伸长度L_mw：15~20mm；

（8）第二焊丝的干伸长度L_sw：20~25mm。

7.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（5）中的送丝速度为1～10m/min，焊接速度为1—10mm/s。

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