CN103433630A - 一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法 - Google Patents

Abstract

一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法，它涉及一种激光点焊焊接方法。本发明要解决现有激光点焊过程中，焊点熔合面直径尺寸小、焊点下塌、易产生气孔和空洞、能量利用率低、焊点对间隙的适应能力差问题。本方法如下：1、对焊接工件进行预处理；2、调节激光器的激光焊接头与电弧焊枪的相互作用位置和角度；3、设定激光-电弧复合点焊工艺参数；4、设定送丝机的送丝参数；5、启动控制开关，进行脉动送丝激光-电弧复合点焊焊接。本发明的优点：增加焊点熔合面直径尺寸、减少焊点下塌、减少裂纹倾向和气孔的形成、提高能量的利用率并且焊点成型美观。本发明主要用于焊接金属材料，特别适用于焊接金属材料搭接接头。

Description

一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法

技术领域

本发明涉及一种激光点焊焊接方法。

背景技术

随着激光技术近年来的快速发展，使得其在汽车制造、航空航天武器装备领域的应用越来越广泛，在实际生产特别是汽车工业中起到了替代电阻点焊以及铆接等工艺作用，不仅增加了生产效率，而且还能够减轻结构重量，快速适应产品的更新换代，与传统点焊方法相比，激光点焊具有热输入小、焊接热影响区窄、焊接速度快、灵活性好、变形量小、应用时要求条件低、易于实现以及对人体无害等特点。

与此同时激光点焊也存在一些不足：由于单激光光斑直径小，能量作用范围小，使得焊点熔合面直径小；由于试件金属在高能量密度的激光光束作用下迅速蒸发，一部分液态金属损失，还有一部分液态金属飞溅到试件表面，另外一部分液态金属被反冲作用力推向熔池边缘，均会造成焊点下塌缺陷；由于激光快速冷却，焊点的深宽比较大，结晶组织方向性强，焊点对裂纹有一定敏感性；非穿透形焊点，由于匙孔中的金属蒸汽及吸入的环境气体不易全部溢出，往往会形成气孔或空洞；许多材料对激光的反射率高，材料吸收率小，能量利用率低；激光点焊对试板间隙有严格的限制，否则会限制焊点的熔合面尺寸从而降低了焊点的力学性能。

虽然激光点焊技术作为一种新型的点焊方法，在焊接铝合金等难焊材料时表现出良好的应用前景，但是由于激光点焊的焊点熔合面直径小、焊点易下塌、焊点裂纹敏感性强、匙孔中易形成气孔或空洞、能量利用率低以及焊点对间隙的适应能力差，因此这种方法在实际应用时同样受到了限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有激光点焊过程中焊点熔合面直径过小、由于材料蒸发、烧损以及飞溅等造成的焊点下塌、匙孔中易形成气孔或空洞、能量利用率低以及焊点对间隙的适应能力差，而提供了一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法。

本发明的一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法按如下所述进行：

步骤一：焊接前，将待焊工件表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上;

步骤二：调节激光器的激光焊接头与电弧焊的电弧焊枪的位置和角度，使激光光束垂直入射到工件表面，激光光束聚焦焦点与电弧弧根之间距离为2mm～5mm，激光光束与电弧轴向之间的夹角为30°～45°；

步骤三：设定激光-电弧复合点焊工艺参数，激光功率P为0.5kW～10kW，电弧电流I为30A～400A，点焊时间t为0.5s～10s；

步骤四：设定送丝机的送丝参数，送丝速度v为0.1m/min～2m/min，抽丝速度为0.1m/min～1m/min；

步骤五：启动控制开关，进行脉动送丝激光-电弧复合点焊焊接。

脉动送丝激光-电弧复合点焊就是采用电弧与激光作为复合热源进行点焊，并向高温熔池里采用脉动送丝的方式添加填充焊丝，利用电弧与激光的热量熔化焊丝进行焊点的填充；脉动送丝激光-电弧复合点焊过程中，脉动送丝依靠送丝机的脉动送丝功能实现周期性的熔滴过渡进行焊点填充，从而改善激光点焊过程中的焊接缺陷，获得成型良好的焊点。

本发明包括如下有益效果：

1、激光-电弧复合点焊采用激光与电弧复合为热源能够增加能量作用范围，增大焊点熔合面直径尺寸，与单激光焊点相比，熔合面直径增加2倍以上；2、向熔池中添加熔化的焊丝，弥补由于蒸发、飞溅造成的材料损失，进而减小焊点的下塌缺陷；3、通过焊丝熔化将熔化的焊丝中的抗裂纹合金元素加入到熔池中，减小材料的裂纹倾向，防止气孔的形成；4、因为激光-电弧复合点焊采用激光-电弧做为复合热源，大大提高了能量的利用率，与单激光焊点相比能量的利用率提高2倍以上；5、激光-电弧复合填丝点焊减小了单激光点焊对接头间隙的严格要求，减小焊点的下塌，改善焊点成型。

附图说明：

图1脉动送丝激光-GMA复合点焊示意图，1－激光光束，2－激光等离子体，3－GMA电弧焊枪，4－焊丝，5－电弧等离子体，6－保护气体，7－送丝机，8－待焊工件；

图2脉动送丝激光-TIG电弧复合点焊示意图，1－激光光束，2－激光等离子体，3－TIG电弧焊枪，4－焊丝，5－电弧等离子体，6－保护气体，7－送丝机，8－待焊工件，9－钨极；

图3为验证试验脉动送丝激光-电弧复合点焊方法焊接得到的焊点剖面金相显微图；

图4为验证试验脉动送丝激光-电弧复合点焊方法焊接得到的焊点正面金相显微图；

图5为验证试验脉动送丝激光-电弧复合点焊方法焊接得到的焊点背面金相显微图；

图6为对比试验激光-点焊焊接得到的焊点剖面图金相显微图；

图7为对比试验激光点焊焊接得到的焊点正面图金相显微图；

具体实施方式如下：

具体实施方式一：本实施方式的一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法按如下所述进行：

步骤一：焊接前，将待焊工件表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上;

步骤二：调节激光器的激光焊接头与电弧焊的电弧焊枪的位置和角度，使激光光束垂直入射到工件表面，激光光束聚焦焦点与电弧弧根之间距离为2mm～5mm，激光光束与电弧轴向之间的夹角为30°～45°；

步骤三：设定激光-电弧复合点焊工艺参数，激光功率P为0.5kW～10kW，电弧电流I为30A～400A，点焊时间t为0.5s～10s；

步骤四：设定送丝机的送丝参数，送丝速度v为0.1m/min～2m/min，抽丝速度为0.1m/min～1m/min；

步骤五：启动控制开关，进行脉动送丝激光-电弧复合点焊焊接。

本实施方式中一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法进行点焊采用的热源为电弧与激光作为复合热源；

本实施方式中一种脉动送丝激光-电弧复合点焊过程中，电弧焊的电弧焊枪中的保护气体用于待焊工件待焊接部位，防止焊缝氧化，减少焊接气孔的产生；

本实施方式中一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法进行点焊采用的焊丝为具有抗裂纹合金元素的焊丝；

本实施方式中脉动送丝激光-电弧复合点焊就是采用电弧与激光作为复合热源进行点焊，并向高温熔池里采用脉动送丝的方式添加填充焊丝，利用电弧与激光的热量熔化焊丝进行焊点的填充；脉动送丝激光-电弧复合点焊过程中，脉动送丝依靠送丝机的脉动送丝功能实现周期性的熔滴过渡进行焊点填充，从而改善激光点焊过程中的焊接缺陷，获得成型良好的焊点。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，本实施方式与具体实施方式一至八不同的是，步骤二中所述激光器为CO₂激光器、YAG激光器、光纤激光器或半导体激光器。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1，本实施方式与具体实施方式一至三不同的是，步骤二中所述的电弧焊为熔化极气体保护焊（GMA焊）或钨极惰性气体保护焊（TIG焊）。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2，本实施方式与具体实施方式一至三不同的是，本实施方式进行脉动送丝激光-电弧复合点焊，电弧焊为GMA焊，焊丝作为熔化电极，从激光光束的前方倾斜送进，激光光束与焊丝之间的夹角为30°～45°。其它与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是，本实施方式进行脉动送丝激光-电弧复合点焊，电弧焊为TIG焊，焊丝位于送丝机的送丝嘴中，从激光光束的前方倾斜送进，激光光束与焊丝之间的夹角为60°～80°。其它与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或五不同的是，步骤四中所述送丝机的送丝是在激光和电弧同时起弧0.5s～1.0s开始，在激光与电弧同时熄弧前0.5s～1.0s抽回焊丝。其它与具体实施方式一或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是，步骤四中所述送丝机的送丝方法采用脉动送丝方法。其它与具体实施方式一或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是，步骤二中所述的电弧焊枪中的保护气体为惰性气体，所述的惰性气体为氩气（Ar气）或氩气和氦气的混合气体（Ar+He的混合气体）。其它与具体实施方式一或七相同。

用以下试验和对比试验验证本发明的有益效果：

验证试验

试验一：脉动送丝激光-电弧复合点焊新方法对2mm厚不锈钢搭接焊

步骤一：焊接前，将2mm厚不锈钢搭接接头表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的防锈铝合金搭接接头固定在焊接工装夹具上；

步骤二：调节激光器的激光焊接头与电弧焊的电弧焊枪的相互作用位置和角度，使激光光束垂直入射到工件表面，激光光束聚焦焦点与电弧弧根之间距离为2mm～5mm，激光光束与电弧轴向之间的夹角在30°～45°之间；

步骤三：设定激光-电弧复合点焊工艺参数，激光功率P为1.6kW，电弧电流I为60A，点焊时间t为3s之间；

步骤四：设定送丝机中的送丝参数，送丝速度v为1m/min，抽丝速度为0.5m/min；

步骤五：启动控制开关，进行搭接接头的脉动送丝激光-电弧复合点焊焊接；

本验证实验中，激光聚焦焦点与电弧弧根之间距离为2mm；

本验证实验中，步骤二中所述的激光-电弧复合点焊中的电弧为TIG电弧，置于送丝机送丝嘴中的焊丝从激光光束前方倾斜送进时，激光光束与焊丝之间的夹角为75°；

本验证实验中，所述的电弧焊枪中用于待焊工件待焊接部位表面的保护气体为Ar气；

本验证实验中，步骤二中所述的激光器为光纤激光器；

本验证实验中，步骤四中所述的送丝机的送丝方法采用脉动送丝方法；

本验证实验中，步骤四中送丝机的送丝是在激光和电弧同时起弧0.5s～1.0s开始，在激光与电弧同时熄弧前0.5s～1.0s停止。

采用金相显微镜方法对脉动送丝激光-电弧复合点焊新方法焊接得到的焊点剖面检测，得到如图3所示。

采用金相显微镜方法对脉动送丝激光-电弧复合点焊新方法焊接得到的焊点正面检测，得到如图4所示。

采用金相显微镜方法对脉动送丝激光-电弧复合点焊新方法焊接得到的焊点背面检测，得到如图5所示。

由图3可以看出，应用脉动送丝激光-电弧复合点焊新方法所焊接的焊点，其中心处的连接厚度明显基本与2mm厚不锈钢搭接接头工件的厚度相当，甚至有一定余高，形态更加饱满。

由图4和图5可以看出，应用脉动送丝激光-电弧复合点焊新方法所焊接的焊点，焊点的背面略有凸起，减小了焊点的下塌缺陷，焊点处无气孔的形成，焊点成型美观。

对比试验：

激光点焊是按以下步骤进行的：

步骤一：焊接前，将2mm厚不锈钢搭接接头表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的2mm厚不锈钢搭接接头固定在焊接工装夹具上；

步骤二：调节激光焊接头的位置，使激光垂直入射于2mm厚不锈钢搭接接头表面，激光功率P为1.6kW，点焊时间t=3s；

步骤三：启动激光器控制开关，进行搭接接头的激光点焊焊接，完成铝合金搭接接头的激光点焊焊接接头；

在对比试验中，对焊点正面及背面均采用惰性气体保护，所述的惰性气体为Ar气；

在对比试验中，激光功率P为1.6kW，焊接时间t为3s。

采用金相显微镜方法对激光点焊法焊接得到的焊点剖面检测，得到如图6所示。

采用金相显微镜方法对激光点焊法焊接得到的焊点正面检测，得到如图7所示。

由图6可以看出，应用激光点焊法所焊接得到焊点，焊点中心处的连接厚度明显小于2mm厚不锈钢搭接接头工件的厚度，经计算可得到焊点中心处的连接厚度仅为一块板的76%。

由图6和图7虽然焊点的熔合面尺寸较大，焊点正面及背面下塌严重，焊点有气孔，由于蒸发及飞溅造成材料损失，焊点成型不美观。

Claims (7)

1.一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法，其特征在于脉动送丝激光-电弧复合点焊按如下步骤进行：

步骤一：焊接前，将待焊工件表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；

步骤二：调节激光器的激光焊接头与电弧焊的电弧焊枪的相互作用位置和角度，使激光聚焦焦点与电弧弧根之间距离为2mm～5mm，激光光束与电弧轴向之间的夹角为30°～45°；

步骤三：设定激光-电弧复合点焊工艺参数，激光功率为0.5kW～10kW，电弧电流为30A～400A，点焊时间为0.5s～10s；

步骤四：设定送丝机构中的送丝参数，采用脉动送丝法，送丝速度为0.1m/min～2m/min，抽丝速度为0.1m/min～1m/min；

步骤五：启动控制开关，进行脉动送丝激光-电弧复合点焊焊接。

2.根据权利要求1所述的一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法，其特征在于步骤二中所述的激光器为CO₂激光器、YAG激光器、光纤激光器或半导体激光器。

3.根据权利要求1所述一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法，其特征在于步骤二中所述的电弧焊为熔化极气体保护焊或钨极惰性气体保护焊。

4.根据权利要求3所述一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法，其特征在于所述的熔化极气体保护焊，以焊丝作为电弧电极，激光束与焊丝之间的夹角为30°～45°。

5.根据权利要求3所述一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法，其特征在于所述的钨极惰性气体保护焊，激光束与焊丝之间的夹角为60°～80°。

6.根据权利要求1所述的一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法，其特征在于步骤二中所述的电弧焊枪中的保护气体为惰性气体；所述的惰性气体为氩气或氩气和氦气的混合气体。

7.根据权利要求1所述的一种脉动送丝激光-电弧复合点焊方法，其特征在于步骤四中所述的送丝机构的送丝是在激光和电弧同时起弧后0.5s～1.0s开始送丝，在激光与电弧同时熄弧前0.5s～1.0s抽回焊丝。

Images