CN102990235A - 一种采用双tig焊枪的激光填丝焊的熔丝方法 - Google Patents

Abstract

一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，它涉及激光填丝焊的熔丝方法，本发明是要解决现有激光填丝焊过程中采用常规熔丝方法会存在焊丝对中精度要求高、焊接接头变形量大和焊缝力学性能差的问题。本发明中一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法按以下步骤进行：一、将两把TIG焊枪分别与TIG电源的正负极相连；二、启动激光器，使激光在待焊工件上形成熔池；三、开启保护气，使保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出，两把TIG焊枪不单独通保护气，接通TIG电源，使两把焊枪之间起弧，启动送丝系统，使焊丝不断送出，调节TIG电源输出电流与送丝速度，使电弧稳定的熔化焊丝。本发明可应用于金属激光填充焊连接工程领域。

Description

一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法

技术领域

本发明涉及激光填丝焊的熔丝方法。

背景技术

激光填丝焊对送丝精度要求严格，激光填丝焊过程中，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，为可靠熔丝，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。焊材的稳定熔化与填充是激光填丝焊技术应用的瓶颈所在。

目前激光填丝焊电弧辅助熔丝的方法中，由于TIG电弧或MIG电弧直接作用在母材上，容易造成对母材的热输入过多，从而引起母材变形，甚至产生焊缝组织晶粒粗大，力学性能差的缺陷。

中国专利《单电源单面串联双TIG电弧焊接方法》，公开日为2010.09.01，公开的通过双TIG焊枪在待焊工件上起弧，电流沿着“第一TIG焊枪-待焊工件-第二TIG焊枪”的方向流动，在第一TIG焊枪与待焊工件之间、第二TIG焊枪与工件之间分别产生一个熔池进行焊接。但是它存在电弧熔深较小、焊接速度慢及厚板焊接时需要多层多道焊的问题，而且电弧直接作用于母材，容易造成接头变形量大，焊接效率低的问题。

发明内容

本发明是要解决现有激光填丝焊过程中采用常规熔丝方法存在焊丝对中精度要求高、焊接接头变形量大和焊缝力学性能差的问题，而提出一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法。

本发明中的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法按以下步骤进行：

一、当母材为镁、铝及其合金时，将两把TIG焊枪分别与TIG电源的正负极相连，并将TIG电源的负极与母材相连，TIG电源采用直流输出形式；

二、启动激光器，使激光在母材上形成熔池，激光的输出类型采用连续输出或脉冲输出，其中激光器功率为500W~5000W；

三、开启保护气，使保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出，然后接通TIG电源，使两把TIG焊枪之间起弧，启动送丝系统，使焊丝不断送出，调节TIG电源输出电流与送丝速度，使电弧稳定地熔化焊丝，通过调节焊丝与母材间的距离，使熔滴不断的流入激光束形成的熔池中。

本发明中的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法按以下步骤进行：

一、当母材为除镁、铝及其合金外的其它金属时，将两把TIG焊枪分别与TIG电源的正负极相连，TIG电源采用直流输出形式；

二、启动激光器，使激光在母材上形成熔池，激光的输出类型采用连续输出或脉冲输出，其中激光器功率为500W~5000W；

三、开启保护气，使保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出，然后接通TIG电源，使两把TIG焊枪之间起弧，启动送丝系统，使焊丝不断送出，调节TIG电源输出电流与送丝速度，使电弧稳定地熔化焊丝，通过调节焊丝与母材间的距离，使熔滴不断的流入激光束形成的熔池中。

本发明的工作原理：采用两把TIG焊枪分别与TIG电源的两极相连，同轴送丝送气软管与同轴送丝送气喷嘴相连，TIG电源、两把TIG焊枪、熔丝电弧、构成熔丝回路。焊接时，接通TIG电源，使两把焊枪之间起弧，在电弧的作用下，焊丝熔化成熔滴，之后熔滴过渡到激光形成的熔池里。

本发明包括以下优点：

1、焊丝主要依靠双TIG焊枪产生的电弧熔化，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；

2、焊丝的对中要求大大放宽，激光前方的液态填充金属还可提高材料对激光的吸收率，有效提高焊接过程稳定性与焊接效率；

3、由于两把TIG焊枪各为一极，电弧在两把焊枪之间起弧，当提高焊接速度时，电弧不会由于焊接速度的提高而发生电弧漂移，从而实现了提高焊接速度的目的；

4、送丝速度与焊接电流相互独立，这样降低了对待焊工件的热输入，大大降低了工件接头的变形量，使工件焊缝的组织晶粒细小、力学性能得到提高；

5、电弧与激光相互独立，这样电弧的绝大部分能量可用于熔化焊丝，提高了焊接效率。当焊接镁、铝及其合金时，TIG电源的负极再引出一个导线与待焊工件相连，利用激光等离子体对电弧吸引的作用，可达到阴极清理的作用，从而降低焊缝气孔率。

6、两把TIG焊枪不单独喷送保护气，利用同轴送丝送气装置喷送保护气，这样可避免过多气流对熔池产生不利影响。

附图说明

图1为采用双TIG焊枪的激光填丝焊的装置示意图，其中1为TIG电源，2为同轴送丝送气装置，3为同轴送丝送气软管，4为同轴送丝送气喷嘴，5为焊丝，6为TIG焊枪1，7为TIG焊枪2，8为激光束，9为待焊工件；图2为双TIG焊枪、激光束、焊丝与待焊工件之间位置关系主视图；图3为双TIG焊枪、激光束、焊丝与待焊工件之间位置关系左视图。

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采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法按以下步骤进行：

一、当母材为镁、铝及其合金时，将两把TIG焊枪分别与TIG电源的正负极相连，并将TIG电源的负极与母材相连，TIG电源采用直流输出形式；

二、启动激光器，使激光在母材上形成熔池，激光的输出类型采用连续输出或脉冲输出，其中激光器功率为500W~5000W；

三、开启保护气，使保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出，然后接通TIG电源，使两把TIG焊枪之间起弧，启动送丝系统，使焊丝不断送出，调节TIG电源输出电流与送丝速度，使电弧稳定地熔化焊丝，通过调节焊丝与母材间的距离，使熔滴不断的流入激光束形成的熔池中。

本发明的工作原理：采用两把TIG焊枪分别与TIG电源的两极相连，同轴送丝送气软管与同轴送丝送气喷嘴相连，TIG电源、两把TIG焊枪、熔丝电弧、构成熔丝回路。焊接时，接通TIG电源，使两把焊枪之间起弧，在电弧的作用下，焊丝熔化成熔滴，之后熔滴过渡到激光形成的熔池里。

本发明包括以下优点：

1、焊丝主要依靠双TIG焊枪产生的电弧熔化，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；

2、焊丝的对中要求大大放宽，激光前方的液态填充金属还可提高材料对激光的吸收率，有效提高焊接过程稳定性与焊接效率；

3、由于两把TIG焊枪各为一极，电弧在两把焊枪之间起弧，当提高焊接速度时，电弧不会由于焊接速度的提高而发生电弧漂移，从而实现了提高焊接速度的目的；

4、送丝速度与焊接电流相互独立，这样降低了对待焊工件的热输入，大大降低了工件接头的变形量，使工件焊缝的组织晶粒细小、力学性能得到提高；

5、电弧与激光相互独立，这样电弧的绝大部分能量可用于熔化焊丝，提高了焊接效率。当焊接镁、铝及其合金时，TIG电源的负极再引出一个导线与待焊工件相连，利用激光等离子体对电弧吸引的作用，可达到阴极清理的作用，从而降低焊缝气孔率。

6、两把TIG焊枪不单独喷送保护气，利用同轴送丝送气装置喷送保护气，这样可避免过多气流对熔池产生不利影响。

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电源输出电流为10A~120A。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一或二不同的是步骤一中所述两TIG焊枪间水平距离为0mm~8mm，所述两TIG焊枪间夹角α为10°~160°，所述两TIG焊枪所在的平面与母材间的夹角β为30°~90°。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中所述两TIG焊枪间水平距离为5mm。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

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三中所述保护气为氩气。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六之一不同的是步骤三中所述焊丝与焊枪的垂直距离h₁为0mm~0.5mm，焊丝与待焊工件的的垂直距离h₂为0mm~1.5mm，焊丝的送丝角θ为10°~70°，焊丝直径为0.8mm~3mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三中所述焊丝与激光束间的距离D_LA为0mm~5mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

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三中所述焊丝的送丝速度为0.2m/min~20m/min。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：本实施方式中的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法按以下步骤进行：

一、当母材为除镁、铝及其合金外的其它金属时，将两把TIG焊枪分别与TIG电源的正负极相连，TIG电源采用直流输出形式；

二、启动激光器，使激光在母材上形成熔池，激光的输出类型采用连续输出或脉冲输出，其中激光器功率为500W~5000W；

三、开启保护气，使保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出，然后接通TIG电源，使两把TIG焊枪之间起弧，启动送丝系统，使焊丝不断送出，调节TIG电源输出电流与送丝速度，使电弧稳定地熔化焊丝，通过调节焊丝与母材间的距离，使熔滴不断的流入激光束形成的熔池中。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是步骤一中所述TIG电源输出电流为10A~120A。其它步骤及参数与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是步骤一中所述两TIG焊枪间水平距离为0mm~8mm，所述两TIG焊枪间夹角α为10°~160°，所述两TIG焊枪所在的平面与母材间的夹角β为30°~90°。其它步骤及参数与具体实施方式十或十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是步骤一中所述两TIG焊枪间水平距离为5mm。其它步骤及参数与具体实施方式十或十一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十至十三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十至十三之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十至十四之一不同的是步骤三中所述保护气为氩气。其它步骤及参数与具体实施方式十至十四之一相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十至十五之一不同的是步骤三中所述焊丝与焊枪的垂直距离h₁为0mm~0.5mm，焊丝与待焊工件的的垂直距离h₂为0mm~1.5mm，焊丝的送丝角θ为10°~70°，焊丝直径为0.8mm~3mm。其它步骤及参数与具体实施方式十至十五之一相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十至十六之一不同的是步骤三中所述焊丝与激光束间的距离D_LA为0mm~5mm。其它步骤及参数与具体实施方式十至十六之一相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十至十七之一不同的是步骤三中所述焊丝的送丝速度为0.2m/min~20m/min。其它步骤及参数与具体实施方式十至十七之一相同。

为了验证本发明的有益效果，进行了以下实验：

实验一：一种采用双TIG焊枪的激光填丝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3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10min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5min后，用清水冲洗干净，将铝合金板吹干后，铝合金板采用对接的形式，对接间隙为0mm，使用夹具将铝合金板固定在行走机构上；

二、将两把TIG焊枪分别与TIG电源的正负极相连，并将TIG电源的负极与待焊铝合金板相连，TIG电源采用直流输出形式，其中两TIG焊枪间水平距离d为5mm；

三、启动光纤激光器，使激光在待焊工件上形成熔池，激光的输出类型采用连续输出形式，其中激光器的功率为2600W；

四、开启Ar气作为保护气，从同轴送丝送气喷嘴中喷出，然后接通TIG电源，使两把TIG焊枪之间起弧，启动送丝系统，使焊丝不断送出，调节TIG电源输出电流与送丝速度，使电弧稳定地熔化焊丝，通过调节焊丝与待焊工件间的距离，使熔滴不断的流入激光形成的熔池中，其中焊丝与焊枪的垂直距离h1为0.4mm，焊丝与待焊工件的的垂直距离h2为1mm，焊丝的送丝角θ为30°，焊丝直径为1.2mm，焊丝与激光束间的距离D_LA为1mm，焊丝的送丝速度为5m/min，TIG电源输出电流为90A，焊接速度为4.5m/min，两TIG焊枪间夹角α为70°，两TIG焊枪所在的平面与母材间的夹角β为80°。

实验一采用本发明中的熔丝方法焊接铝合金，焊丝的对中要求大大放宽，激光前方的液态填充金属还可提高材料对激光的吸收率，有效提高焊接过程稳定性与焊接效率，与现有常规熔丝方法相比焊接效率提高10%~30%；送丝速度与焊接电流相互独立，这样降低了对待焊工件的热输入，大大降低了工件接头的变形量，使工件焊缝的组织晶粒细小、力学性能得到提高；TIG电源的负极再引出一个导线与待焊工件相连，利用激光等离子体对电弧吸引的作用，可达到阴极清理的作用，从而降低焊缝气孔率，进一步改善铝合金焊缝的力学性能。

实验二：一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法按以下步骤进行：

一、对厚度为2.0mmA3钢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3遍，然后A3钢板采用对接的形式，对接间隙为0mm，使用夹具将A3钢板固定在行走机构上；

二、将两把TIG焊枪分别与TIG电源的正负极相连，TIG电源采用直流输出形式，其中两TIG焊枪间水平距离d为5mm；

三、启动光纤激光器，使激光在待焊工件上形成熔池，激光的输出类型采用连续输出形式，其中激光器的功率为1300W；

四、开启Ar气作为保护气，从同轴送丝送气喷嘴中喷出，然后接通TIG电源，使两把TIG焊枪之间起弧，启动送丝系统，使焊丝不断送出，调节TIG电源输出电流与送丝速度，使电弧稳定地熔化焊丝，通过调节焊丝与待焊工件间的距离，使熔滴不断的流入激光形成的熔池中，其中焊丝与焊枪的垂直距离h₁为0.4mm，焊丝与待焊工件的的垂直距离h₂为1mm，焊丝的送丝角θ为30°，焊丝直径为1.2mm，焊丝与激光束间的距离D_LA为1mm，焊丝的送丝速度为5m/min，TIG电源输出电流为90A，焊接速度为4.5m/min，两TIG焊枪间夹角α为70°，两TIG焊枪所在的平面与母材间的夹角β为80°。

实验二采用本发明中的熔丝方法焊接A3钢板，焊丝的对中要求大大放宽，激光前方的液态填充金属还可提高材料对激光的吸收率，有效提高焊接过程稳定性与焊接效率，与现有常规熔丝方法相比焊接效率提高12%~18%；送丝速度与焊接电流相互独立，这样降低了对待焊工件的热输入，大大降低了工件接头的变形量，使工件焊缝的组织晶粒细小、力学性能得到提高。

Claims (10)

1.一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的：

一、当母材为镁、铝及其合金时，将两把TIG焊枪分别与TIG电源的正负极相连，并将TIG电源的负极与母材相连，TIG电源采用直流输出形式；

二、启动激光器，使激光在母材上形成熔池，激光的输出类型采用连续输出或脉冲输出，其中激光器功率为500W~5000W；

三、开启保护气，使保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出，然后接通TIG电源，使两把TIG焊枪之间起弧，启动送丝系统，使焊丝不断送出，调节TIG电源输出电流与送丝速度，使电弧稳定地熔化焊丝，通过调节焊丝与母材间的距离，使熔滴不断的流入激光束形成的熔池中。

2.如权利要求1所述的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，其特征在于步骤一中所述TIG电源的电流为10A~120A。

3.如权利要求1所述的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，其特征在于步骤一中所述两TIG焊枪间水平距离为0mm~8mm，所述两TIG焊枪间夹角α为10°~160°，所述两TIG焊枪所在的平面与母材间的夹角β为30°~90°。

4.如权利要求1所述的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，其特征在于步骤一中所述两TIG焊枪间水平距离d为5mm。

5.如权利要求1至4中任一项所述的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，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所述的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，其特征在于步骤三中所述保护气为氩气。

7.如权利要求6所述的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，其特征在于步骤三中所述焊丝与焊枪的垂直距离h₁为0mm~0.5mm，焊丝与待焊工件的的垂直距离h₂为0mm~1.5mm，焊丝的送丝角θ为10°~70°，焊丝直径为0.8mm~3mm。

8.如权利要求6所述的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，其特征在于步骤三中所述焊丝与激光束间的距离D_LA为0mm~5mm。

9.如权利要求6所述的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，其特征在于步骤三中所述焊丝的送丝速度为0.2m/min~20m/min。

10.一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的：

一、当母材为除镁、铝及其合金外的其它金属时，将两把TIG焊枪分别与TIG电源的正负极相连，TIG电源采用直流输出形式；

二、启动激光器，使激光在母材上形成熔池，激光的输出类型采用连续输出或脉冲输出，其中激光器功率为500W~5000W；

三、开启保护气，使保护气从同轴送丝送气喷嘴中喷出，然后接通TIG电源，使两把TIG焊枪之间起弧，启动送丝系统，使焊丝不断送出，调节TIG电源输出电流与送丝速度，使电弧稳定地熔化焊丝，通过调节焊丝与母材间的距离，使熔滴不断的流入激光束形成的熔池中。

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