CN102922150A

CN102922150A - 一种激光液态填充焊的熔丝方法

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Publication number: CN102922150A
Application number: CN2012104437954A
Authority: CN
Inventors: 李俐群; 陈彦宾; 彭进
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: CN102922150B

Abstract

一种激光液态填充焊的熔丝方法，它涉及激光液态填充焊的熔丝方法，本发明要解决现有激光填丝焊的熔丝方法存在焊丝在焊接过程中熔化稳定性差、送丝精度要求严格、焊接效率低以及焊缝质量差的问题。本发明中一种激光液态填充焊的熔丝方法按以下步骤进行：一、将MIG焊枪与振动送丝装置相连，TIG电源的一极与MIG焊枪相连，另一极与母材相连；二、启动激光器，使激光在母材上形成熔池；三、辅助电弧加热焊丝，同时启动送丝装置以及振动装置；四、熔滴逐渐长大，在机械振动力和重力等力的辅助作用下，使熔滴克服表面张力，以细小颗粒过渡到熔池中。本发明可应用于金属激光液态填充焊连接工程领域。

Description

一种激光液态填充焊的熔丝方法

技术领域

本发明涉及激光液态填充焊的熔丝方法。

背景技术

激光焊接具有许多传统焊接方法无可比拟的优势，但激光自熔焊仍存在许多局限性，如对接头间隙要求严格，允许的间隙量最大不超过板厚的10%，无法改变焊缝的化学成分等，因此在很多情况下必须采用激光填丝焊工艺。有研究表明，激光填丝焊不仅可以提高间隙的适应性，改变焊缝合金成分，还能改善激光与工件的能量耦合性。与激光自熔焊相比，激光填丝焊形成的焊缝表面更光滑、均匀，尤其是在焊接铝合金时。

激光填丝焊可以很好地解决接头加工精度对激光焊接应用的限制问题，不过其参数控制复杂，送丝精度要求严格，生产中须配备焊接过程自适应控制系统，因此一般在工业界并不愿意采用。激光填丝焊过程，送丝位置与送丝速度的波动、焊丝对光的反射作用都会引起进入工件的激光能量变化。而且，为提高焊接质量，焊丝尖端基本上是接触到匙孔边缘，容易对熔池与匙孔的稳定性造成较大干扰。

工业生产中的很多情况进行激光焊接时必须采用填丝工艺，如拼板对接、T型接头构件的角焊缝焊接、厚板激光焊接等。但是激光填丝焊工艺在实际生产过程中还存在一些不足，如焊材的稳定熔化与填充。

中国专利《TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备及方法》，公开日为2011.04.06，和中国专利《一种冷金属过渡的焊接方法及其装置》，公开日为2012.03.14，公开的通过电阻热和电弧产热对焊丝进行加热，可以提高焊接热输入量，增加熔化速度，从而获得高的熔敷速度。但是它存在电弧熔深较小，不能进行高速焊接，接头变形量大，焊接效率低的问题。

中国专利《激光－超小电流GMA复合热源焊接方法》，公开日为2009.01.21，公开的焊接方法复合热源焊接中GMA电弧采用的平均电流为15A~30A，但是它采用的是MIG电源，焊接过程中容易产生飞溅的缺陷，从而影响焊缝成形。由于焊接电流与送丝速度成正比，随着送丝速度的增大，焊接电流也会增大，对母材的热输入增大，从而引起焊接工件的变形，因此在高速焊接中，无法实现超小电流的的激光-GMA复合热源的焊接。

发明内容

本发明是要解决现有激光填丝焊的熔丝方法存在焊丝在焊接过程中熔化稳定性差、送丝精度要求严格、焊接效率低以及焊缝质量差的问题，而提出一种激光液态填充焊的熔丝方法。

本发明中的一种激光液态填充焊的熔丝方法按以下步骤进行：

一、将MIG焊枪与振动送丝装置相连，TIG电源的一极与MIG焊枪相连，另一极与母材相连，TIG电源采用直流正接、直流反接或交流的电流输出形式；

二、启动激光器，使激光在母材上形成熔池，激光的输入类型为连续输出或脉冲输出；

三、引燃辅助电弧加热焊丝，同时启动送丝装置以及振动装置，保证焊丝在电弧的作用下持续熔化，并在振动的状态下持续送进，其中送丝装置与MIG焊枪相连；

四、熔滴逐渐长大，在机械振动力和重力的辅助作用下，使熔滴克服表面张力，以单个液滴的形式过渡到熔池中。

本发明的机理：采用TIG电源在焊丝与工件之间建立微弧，从而达到预熔焊丝的目的，让填充金属以液滴形式过渡到熔池中，并以高频振动方式进行填送，在辅助机械力作用下促进焊丝端部熔化金属的快速分离与过渡。

本发明包括以下优点：

1、焊丝主要依靠焊接电流熔化，激光能量主要用于形成熔池，既可避免激光因熔化焊丝产生的能量损耗与热输入波动，又可减少填充金属对匙孔的直接冲击，而且还可以降低送丝精度；

2、由于采用具有陡降特性的TIG电源，送丝速度独立于焊接电流，因而能够更好的控制焊缝成形，对于开坡口的焊缝，能得到较好的侧壁熔合性；

3、在频率可调的机械振动作用下，熔滴过渡频率加快，熔敷效率明显提高；由于熔滴以细小颗粒形式进入熔池，有利于减少气孔、未熔合等缺陷，焊缝组织细密，组织均匀性好；

4、由于使用小电流熔丝，对母材产生的热影响较小，所以接头变形量小；

5、利用激光等离子体对电弧根部的压缩、吸引作用，能够实现高速焊接。

附图说明

图1为激光液态填充焊工作原理示意图，其中α为送丝角度，d为光丝间距；图2振动送丝装置的结构示意图；图3激光液态填充焊部分焊缝的纵剖面气孔分布图；图4传统激光填丝焊部分焊缝的纵剖面气孔分布图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式中的一种激光液态填充焊的熔丝方法按以下步骤进行：

本发明包括以下优点：

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述TIG电源的电流为1A~90A，引弧的方式为高频引弧，TIG电源在焊丝与工件之间建立微弧，在激光前方预熔焊丝。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中所述TIG电源的电流为5A~80A。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中所述TIG电源的电流为30A。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中所述激光器为Nd：YAG激光器、CO₂激光器或光纤激光器。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中所述送丝装置的送丝速度为0.2m/min~10m/min，焊丝直径为0.8mm~3mm，送丝角α为0°~80°，焊丝干伸长控制在10mm~17mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中所述送丝装置的送丝速度为0.5m/min~5m/min，焊丝直径为0.9mm~1.5mm，送丝角α为10°~70°，焊丝干伸长控制在12mm~16mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中所述送丝装置的送丝速度为2m/min，焊丝直径为1.0mm，送丝角α为50°，焊丝干伸长控制在15mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤二中所述振动装置的振动频率为3.5Hz~30Hz。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤二中所述振动装置的振动频率为4.5Hz。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

为了验证本发明的有益效果，进行了以下实验：

实验一：一种激光液态填充焊的熔丝方法按以下步骤进行：

一、对厚度为2.0mm铝合金板的表面进行除油和除氧化膜处理：除油用丙酮在铝合金板表面擦拭2遍，再进行除氧化膜处理，先用质量百分比浓度为8%的氢氧化钠溶液对铝合金板进行浸泡8min后，用清水冲洗干净，再用质量百分比浓度为30%的硝酸溶液对铝合金板进行浸泡3min后，用清水冲洗干净，将铝合金板吹后，铝板采用对接的形式，对接间隙为0mm，使用夹具将铝合金板固定在行走机构上；

二、送丝机构的送丝速度为2.5m/min，焊丝直径为1.0mm，焊丝干伸长控制在15mm，送丝角α为50°，在送丝机构中安装振动装置使焊丝沿填送方向产生快速往复振动，振动频率为4.5Hz，送丝机构的结构示意图见图2，图2中1是焊丝，2是压丝辊轮，3是送丝软管，4是焊丝盘固定销，5是焊丝盘，6是送丝辊轮，7是振动装置，8是MIG焊枪，图中箭头所指的方向为振动方向；

三、采用TIG电源，卸下TIG焊机的焊炬，安装上MIG焊炬，采用直流反接，填充焊丝为正极，铝合金工件为负极，TIG电源的电流为30A，引弧的方式为高频引弧，TIG电源在焊丝与工件之间建立微弧，在激光前方预熔焊丝，激光束沿焊接母材表面呈基本垂直方向施加。图1是激光液态填充焊系统的结构示意图，图1中1是焊丝，2是压丝辊轮，3是送丝软管，4是焊丝盘固定销，5是焊丝盘，6是送丝辊轮，7是振动装置，8是MIG焊枪，9是TIG电源，10是保护气喷嘴，11是激光束，12是铝合金板，图中单箭头所指的方向为焊接方向；

四、使用的保护气为氩气，保护气采用旁轴保护方式，保护气流量为15L/min，背面保护气流量为18L/min；

五、采用光纤激光器，功率为1.6kW、焊接速度为2m/min，激光束的输出类型为连续输出，光丝距为1mm。

实验一所获得的铝合金焊接件，由于熔滴以细小颗粒形式进入熔池，焊缝组织细密，组织均匀性好；焊丝主要依靠焊接电流熔化，激光能量主要用于形成熔池，这样就提高了焊丝的熔化稳定性，同时也将焊接效率提高了10%~20%。通过与激光填丝焊作对比实验观察焊件的气孔情况，焊接完成后，截取焊道中心部分，采用线切割方法，沿焊缝中心纵向剖开。剖开后的纵截面形貌如图3和图4所示，从图4中可看到，激光填丝焊的焊件中出现了大气孔，而图3中液态填充焊的焊件中没有大气孔，从而解决了传统激光填丝焊焊接铝合金容易产生气孔的问题。而且通过实验验证发现：当焊丝与激光不对中时，焊丝与激光的偏移量在1.0mm范围内仍能够得到很好的焊缝成型，从而解决了传统的激光填丝焊的对中精度要求高的问题。

Claims

1.一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的：

2.如权利要求1所述的一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于步骤一中所述TIG电源的电流为1A~90A，引弧的方式为高频引弧，TIG电源在焊丝与工件之间建立微弧，在激光前方预熔焊丝。

3.如权利要求1所述的一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于步骤一中所述TIG电源的电流为5A~80A，引弧的方式为高频引弧，TIG电源在焊丝与工件之间建立微弧，在激光前方预熔焊丝。

4.如权利要求1所述的一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于步骤一中所述TIG电源的电流为30A，引弧的方式为高频引弧，TIG电源在焊丝与工件之间建立微弧，在激光前方预熔焊丝。

5.如权利要求1至4中任一项所述的一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于步骤二中所述激光器为Nd：YAG激光器、CO₂激光器或光纤激光器。

6.如权利要求5所述的一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于步骤二中所述送丝装置的送丝速度为0.2m/min~10m/min，焊丝直径为0.8mm~3mm，送丝角α为0°~80°，焊丝干伸长控制在10mm~17mm。

7.如权利要求5所述的一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于步骤二中所述送丝装置的送丝速度为0.5m/min~5m/min，焊丝直径为0.9mm~1.5mm，送丝角α为10°~70°，焊丝干伸长控制在12mm~16mm。

8.如权利要求5所述的一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于步骤二中所述送丝装置的送丝速度为2m/min，焊丝直径为1.0mm，送丝角α为50°，焊丝干伸长控制在15mm。

9.如权利要求6所述的一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于步骤二中所述振动装置的振动频率为3.5Hz~30Hz。

10.如权利要求6所述的一种激光液态填充焊的熔丝方法，其特征在于步骤二中所述振动装置的振动频率为4.5Hz。