CN103071935B - 基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置及焊接方法。包括激光器、激光头、弧焊电源、主熔化极焊枪、送丝机构，还包括旁路焊枪、变阻器，激光头与激光器连接，激光头置于工件的上方，主熔化极焊枪与旁路焊枪对称放置于激光头所形成的激光束的两侧，主熔化极焊枪与弧焊电源的正极相连，工件的接电端与弧焊电源的负极相连，旁路焊枪通过变阻器与弧焊电源的负极相连。本发明可控制激光-电弧复合热源的焊接热输入、减少热影响区和焊接变形、改善焊缝冶金性能和微观结构。本发明既适用于同种金属的熔焊，也适用于铝/钢、镁/钢等异种金属的钎（熔）焊。

Description

基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接设备，特别是一种激光与电弧复合焊接装置。

背景技术

英国学者W.Steen于20世纪70年代末期提出激光-电弧复合热源焊接技术。这种复合工艺被认为是综合了激光与电弧的优点，即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来，从而提高激光焊接对焊缝间隙的适应性。同时，通过激光与电弧的相互作用，来改善激光能量的藕合特性和电弧的稳定性，以获得一种综合的效果。然而，电弧的引入增加了焊接的热输人，从而必然使焊接热影响区和热变形增大。同时，激光束要穿过电弧才能到达工件表面，当电弧电流较大时激光能量的损耗严重。而且，旁轴复合焊接时，激光与电弧呈一定角度，引起复合热源在工件上的作用区域为非对称分布，电流较大时激光与电弧的作用点产生严重分离。因此，如何控制“激光+电弧”这种复合工艺的焊接热输入、提高激光能量利用率、稳定其焊接过程，成为亟待解决的问题。

目前，国内外对激光-电弧复合焊接方法、焊接设备及其控制方法有一些研究和报道。例如：美国专利号为US7759603的专利文件中记载了一种激光-电弧复合焊接方法和设备，激光功率由闭合的控制电路来控制以适应复合焊中电弧的输出功率；欧洲专利号为EP2281656的专利文件中记载了一种在高速条件下能够获得满意焊缝的激光-电弧复合焊头及方法，该装置利用分光镜将一束光分成两束聚焦在材料表面，在两光束之间利用电极产生同轴电弧组成激光-电弧复合热源进行焊接；中国专利申请号为201010288703.0的专利文件记载了一种电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，辅助电源一端接工件，另一端与通过焊接控制器与焊丝或非熔化电极连接。中国专利申请号为200710178923.6的专利文件记载了一种电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备,在焊接区域使用外加交变磁场控制激光-电弧-母材金属离子化所共同形成的等离子体的特性,提高激光的利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控制激光-电弧复合热源的焊接热输入、减少热影响区和焊接变形、改善焊缝冶金性能和微观结构的基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置的焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置包括激光器、激光头、弧焊电源、主熔化极焊枪、送丝机构，还包括旁路焊枪、变阻器，激光头与激光器连接，激光头置于工件的上方，主熔化极焊枪与旁路焊枪对称放置于激光头所形成的激光束的两侧，主熔化极焊枪与弧焊电源的正极相连，工件的接电端与弧焊电源的负极相连，旁路焊枪通过变阻器与弧焊电源的负极相连。

本发明基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置还可以包括如下特征：

1、在工件的接电端设置有电流传感器，所述电流传感器通过变阻器控制器与变阻器连接。

2、主熔化极焊枪与旁路焊枪与激光束轴线之间的夹角为25°-65°。

3、所述旁路焊枪为非熔化极焊枪。

4、所述旁路焊枪为辅熔化极焊枪。

本发明的焊接方法为：

步骤1：将工件的待焊部位加工成I形、Y形或V形坡口，并对制成的焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗，按照对接或搭接的接头形式连接；

步骤2：主熔化极焊枪和旁路焊枪放置于激光束的前后或左右两侧，共同组成激光-电弧复合热源焊接头，每个焊枪与激光束轴线之间的夹角为25°-65°；

步骤3：设定焊接工艺参数，激光功率在0.3kW-10kW，焊接电流I在50A-500A之间，旁路电流I_p在50A-400A之间，焊接速度为10cm/min-200cm/min，送丝速度为1.0-10m/min，焊丝伸出长度为15-30mm；

步骤4：开启激光器，将激光束垂直射入焊缝，同时启动引弧器和弧焊电源，引燃焊接电弧，利用旁路电弧与主电弧形成耦合电弧并产生分流作用，进行旁路分流激光-电弧复合热源焊接；

步骤5：利用电流传感器检测流经旁路电流的大小，通过变阻器控制器调节变阻器，进而调节旁路电流的大小，合理分配作用工件和旁路上的热输入，使作用于激光-电弧复合焊接熔池和熔滴上的热、力处于理想水平。

本发明的基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置，在焊接时，激光束垂直射入焊缝，在激光束沿焊接方向的两侧引燃电弧，进行激光-双电弧复合热源焊接。由于旁路焊枪的分流作用，主熔化极焊枪可通以大电流，在实现高熔敷率的同时，减少激光-电弧复合焊作用于工件的热输入，改善其焊接质量。为保证控制系统的灵活性和激光-电弧复合焊接过程的稳定性，通过电流传感器检测流经母工件材的焊接电流，采用IGBT技术对旁路分流的电阻值进行控制，进而调节旁路焊接电流的大小，使得作用于激光-电弧复合焊接熔池和熔滴上的热、力处于理想水平，是一种高效、可控的焊接装置及方法。

本发明的主要特点为：

1、由于旁路焊枪的分流作用，激光-电弧复合焊的熔化极焊枪可以通以大电流，在实现高熔敷率的同时，降低作用于工件的热输入，减少激光-电弧复合焊接的热影响区和热变形、提高焊缝冶金性能。

2、通过改变旁路电阻可方便地调节旁路电流的大小，合理分配作用于母材和旁路上热输入，使得作用于激光-电弧复合焊接熔池和熔滴上的热、力处于理想水平，是一种热输入可控的复合焊接方法。

3、采用此方法，有望大幅度提高激光-熔化极电弧双热源复合焊接中电弧能量所占的比例，提高焊丝熔敷效率，且不会造成工件的热输入和热变形过大等问题，真正实现高效、优质和低成本焊接。

4、由于主电弧与旁路电弧的电流方向不同，由左手定律可知，电弧内产生斥力，使得电弧压力的作用点偏离熔池中心，电弧加热面积扩展，电弧压力减弱，熔敷效率提高，有利于避免熔池塌陷和焊穿等缺陷；同时，由于电弧压力及其电流密度的减弱，降低了复合焊接时电弧对激光的吸收作用，并利用电弧的预热作用，提高工件对激光的吸收率，使激光能量的利用率增加。

5、将熔化极焊枪与旁路焊枪分别放置于激光束的两侧，共同组成激光-双电弧复合焊接头，其热源基本呈对称分布，可解决传统旁轴激光-电弧复合热源在工件上的作用区域为非对称性分布的问题，是一种稳定、实用的焊接工艺。

6、该方法本质上属于传统激光-电弧复合焊的改型，所以它也是一种低成本的高效焊接方法。应用在焊接生产中，将大大提高生产效率、降低焊接成本、提高焊接质量，具有很大的工程实用价值。

7、该系统焊接工艺稳定并具有很强的焊接适应性，根据实际焊接需求，焊接位置可以是平焊，也可以为其它位置焊（如立焊等）；焊接电源的极性可为直流，也可为交流，能够广泛应用于同种金属的熔焊，更适用于铝/钢、镁/钢等异种金属的钎（熔）焊。

附图说明

图1是非熔化极分流控制激光-电弧复合焊接热输入装置示意图；

图2是焊丝分流控制激光-电弧复合焊接热输入装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

具体实施方式一：

结合图1，它是非熔化极分流控制激光-电弧复合焊接热输入实施方式，本实施方式由光纤激光器1、弧焊电源2、送丝机构3、熔化极焊枪5、非熔化极焊枪（旁路焊枪）8、变阻器10、变阻器控制器11、电流传感器13等组成。非熔化极焊枪8中填充钨丝。

基于本实施方式的非熔化极分流控制激光-电弧复合焊接热输入装置的焊接方法步骤如下：

步骤1：将工件15的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或V形坡口，接头形式可以为对接或搭接等多种形式，并对制成的焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗。

步骤2：焊接时，熔化极焊枪5和非熔化极焊枪8既可放置于激光头6的前后两侧，也可放置于激光头6的左右两侧，共同组成激光-双电弧复合热源焊接头，每个焊枪与激光束7轴线之间的夹角为25°-65°。若前后布置电弧焊枪，非熔化极焊枪8在前，熔化极焊枪5在后。

步骤3：设定焊接工艺参数，激光功率在0.3kW-10kW，焊接电流I在50A-500A之间，旁路电流I_p在50A-400A之间，焊接速度为10cm/min-200cm/min，钨丝9直径为0.8-5.0mm，焊丝4直径在0.8-2.0mm之间，送丝机构3的送丝速度为1.0-10m/min，焊丝4伸出长度为15-30mm。

步骤4：开启激光器1，将激光束7垂直射入工件15，同时启动引弧器16和弧焊电源2，引燃焊接电弧14，利用旁路电弧12与主电弧14形成耦合电弧并产生分流作用，进行旁路分流激光-电弧复合热源焊接。

步骤5：利用电流传感器13检测流经旁路的电流大小，通过变阻器控制器11调节变阻器10，进而调节旁路电流I_p的大小，合理分配作用工件15和旁路上的热输入，使得作用于激光-电弧复合焊接熔池和熔滴上的热、力处于理想水平。

具体实施方式二：

结合图2，它是焊丝分流控制激光-电弧复合焊接热输入的实施方式，本实施方式由光纤激光器1、弧焊电源2、送丝机构3、主熔化极焊枪5、辅熔化极焊枪8、填充焊丝9、变阻器11、变阻器控制器12、电流传感器13等组成。

基于本实施方式的焊丝分流控制激光-电弧复合焊接热输入装置的焊接方法步骤如下：

步骤1：将工件15的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或V形坡口，接头形式可以为对接或搭接等形式，并对制成的焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗。

步骤2：焊接时，主熔化极焊枪5和辅熔化极焊枪8既可放置于激光头6的前后两侧，也可放置于激光头6的左右两侧，共同组成激光-电弧复合热源焊接头，每个焊枪与激光束7轴线之间的夹角为25°-65°。

步骤3：设定焊接工艺参数，激光功率在0.3kW-10kW，焊接电流I在50A-500A之间，旁路电流I_p在50A-400A之间，焊接速度为10cm/min-200cm/min，熔化极焊丝4和填充焊丝9直径在0.8-2.0mm之间，送丝速度为1.0-10m/min，焊丝4伸出长度为15-30mm。

步骤4：开启激光器1，将激光束7垂直射入工件15，同时启动引弧器16和弧焊电源2，引燃焊接电弧14，利用送丝机构10将填充焊丝9送入到熔化极电弧焊形成的电弧14或熔池中并产生分流作用，进行焊丝分流激光-电弧复合热源焊接。

步骤5：利用电流传感器13检测流经旁路的电流大小，通过变阻器控制器12改变旁路电阻11，进而调节旁路电流I_p的大小，合理分配作用工件15和旁路上的热输入，使得作用于激光-电弧复合焊接熔池和熔滴上的热、力处于理想水平。

Claims (2)

1.一种基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置，包括激光器、激光头、弧焊电源、主熔化极焊枪、送丝机构，其特征是：还包括旁路焊枪、变阻器，激光头与激光器连接，激光头置于工件的上方，主熔化极焊枪与旁路焊枪对称放置于激光头所形成的激光束的两侧、且每个焊枪与激光束轴线之间的夹角为25°-65°，主熔化极焊枪与弧焊电源的正极相连，工件的接电端与弧焊电源的负极相连，旁路焊枪通过变阻器与弧焊电源的负极相连；

在工件的接电端设置有电流传感器，所述电流传感器通过变阻器控制器与变阻器连接；

所述旁路焊枪为非熔化极焊枪或辅熔化极焊枪。

2.一种基于权利要求1所述的基于热输入控制的激光与电弧复合焊接装置的焊接方法，其特征是：

步骤1：将工件的待焊部位加工成I形、Y形或V形坡口，并对制成的焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗，按照对接或搭接的接头形式连接；

步骤2：主熔化极焊枪和旁路焊枪放置于激光束的前后或左右两侧，共同组成激光-电弧复合热源焊接头，每个焊枪与激光束轴线之间的夹角为25°-65°；

步骤3：设定焊接工艺参数，激光功率在0.3kW-10kW，焊接电流I在50A-500A之间，旁路电流I_p在50A-400A之间，焊接速度为10cm/min-200cm/min，送丝速度为1.0-10m/min，焊丝伸出长度为15-30mm；

步骤4：开启激光器，将激光束垂直射入焊缝，同时启动引弧器和弧焊电源，引燃焊接电弧，利用旁路电弧与主电弧形成耦合电弧并产生分流作用，进行旁路分流激光-电弧复合热源焊接；

步骤5：利用电流传感器检测流经旁路电流的大小，通过变阻器控制器调节变阻器，进而调节旁路电流的大小，合理分配作用工件和旁路上的热输入，使作用于激光-电弧复合焊接熔池和熔滴上的热、力处于理想水平。