CN103753024B - 激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法 - Google Patents

Abstract

激光‑双丝间接旁路电弧复合的焊接方法，属于焊接技术领域。该方法不同于传统激光电弧复合方式，采用激光轰击熔滴促使熔滴过渡，同时也可以对焊缝进行加热，调整焊缝的热输入，控制焊缝成形。两根焊丝在激光两侧由两个送丝机送进并位于工件的上方，两根焊丝与交流焊接电源的两个电极相连并建立间接电弧；换向开关使两焊丝和被焊工件之间依次交替建立主电弧，换向开关交替换向工作调整焊丝上的电流方向，可以实现双丝间接电弧交替旁路的焊接方法，又可以实现激光与双丝间接电弧复合的焊接方法，还可以实现激光与双丝间接旁路电弧复合的焊接方法。

Description

激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法

技术领域

本发明涉及一种激光与双丝间接旁路电弧复合的焊接方法，是一种复合电弧焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

在现代加工制造业和工业生产过程中，焊接技术已经成为一种重要的加工工艺。随着新材料的应用，对焊接技术提出了更高的要求，现代焊接技术向高效、优质、低耗方向发展，对焊接方法的生产率和热输入控制提出了越来越高的要求。高效化焊接的主要途径：一是提高焊接速度；二是提高熔敷速度，但是这两方面的提高最终要归结为焊接电流的大幅提高。传统的焊接工艺中，焊丝熔敷速度和热输入存在固有的局限，焊丝熔敷速度和热输入是不可解耦的，随着焊接电流的增大必然会增大焊接的热输入，造成焊接质量的下降。提高焊接生产效率和焊接质量，减少热输入减少缺陷是现代焊接界的研究热点。

随着国际焊接技术的发展,特别是以高能束流焊接技术为代表的焊接热源发展更加迅速，而激光这种高能束流热源具有其他焊接方法不具备的优势，主要体现在：能量密度高，加工速度快，焊后变形和残余应力小，焊接热影响区窄，能实现单面焊双面成形，无需后续处理工序，深熔焊焊缝深宽比大。但，激光焊也有许多缺点，这些缺点制约着激光焊接应用的推广,主要表现在：激光器造价高，能量转化效率低，高反射率材料的激光焊接性差，对工件坡口装配要求高，焊接过程中容易生成气孔疏松和裂纹，冷却凝固快接头硬度高而韧性降低等缺点。

激光电弧复合热源焊接技术是一种新兴的特种加工技术，它是将物理性质和能量传输机制截然不同的激光和电弧两种热源复合在一起，同时作用于同一个熔池，既充分发挥了两种热源各自的优势，又相互弥补了各自的不足，从而形成一种全新高效的热源，其主要优点表现在以下几个方面：

(1)增加焊接速度和焊缝熔深：激光与电弧发生一系列的相互作用，两种热源相互影响和支持，由于激光束对电弧的压缩和引导作用，提高了焊接过程的稳定性，是传统电弧焊速度的5-10倍，增加了焊缝熔深。

(2)提高焊接接头的适应性：激光焊接由于热作用区域小，对工件装配要求非常高，而电弧的热作用范围大，可以降低对工件装配精度的要求，特别是在激光与MIG/MAG的复合焊接中，焊丝金属熔化进入熔池，利用熔化金属的搭桥作用，可以在较大的接口间隙下实现焊接。

(3)改善焊缝微观组织，减少焊接缺陷：激光焊接峰值温度高，温度梯度大，冷却凝固速度快，容易产生裂纹和气孔，电弧的热作用范围较大，温度梯度减小，从而降低了冷却速度，使得凝固过程变得缓慢，减少或消除气孔和裂纹的生成。

复合热源焊接将激光焊和电弧焊的优点很好地结合在一起，与传统电弧焊相比，不但可以提高焊接速度，而且可以显著地增加焊缝熔深，同时降低焊接变形量；与激光填丝焊相比，复合热源焊接可提高对接口间隙的适应性，尽管激光填丝焊对接口间隙的适应性有了一定的改善。激光与双丝间接旁路电弧复合的焊接方法不同于传统的复合方式，激光主要作用到焊丝上，实现了在不增加电流和热输入的情况下很好的实现熔滴过渡，实现了焊接热输入和熔滴过渡的解耦。

本发明专利是一种利用激光和电弧新型复合方式，利用激光轰击熔滴促使熔滴过渡，同时可以调整激光对熔池的热输入，间接电弧熔化焊丝，旁路电弧调整熔池热输入的新型激光-熔化极复合焊接方法，实现焊接过程热输入和熔敷速度的自由调节。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电弧模式中提高焊丝熔敷速度和减少热输入二者之间的矛盾关系，提出一种增加焊接熔敷速度和减少电弧热输入的焊接方法，同时加入激光控制熔滴过渡模式，促使熔滴顺利过渡到熔池中。

本发明中采用直流焊接电源交替在两根焊丝和工件之间建立主电弧，主电弧交替出现在两根焊丝和工件之间，主电弧一方面加热焊丝和工件，控制热输入；交流焊接电源在两根焊丝之间建立一个间接电弧，间接电弧作用是熔化焊丝，也可以单独调节熔敷速度；激光与焊接电弧复合，激光主要作用是轰击焊丝熔化形成的熔滴，提高熔滴过渡能力，同时激光也可以实现在熔滴过渡后直接对工件进行加热，调整工件的热输入。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：相同的两根焊丝在激光两侧由两台送丝机分别送进，两根焊丝与激光位于被焊工件的上方，交流焊接电源的两电极分别与两根焊丝的导电嘴相连，并在两根焊丝之间建立电弧，形成间接电弧，利用间接电弧的能量熔化送进的焊丝；直流焊接电源正极与换向开关连接，换向开关的另两端分别与两根焊丝连接，直流焊接电源负极连接被焊工件，通过换向开关使两焊丝和被焊工件之间依次交替建立主电弧，换向开关交替换向工作调整焊丝上的电流方向，换向开关的换向频率和交流焊接电源的输出电流频率一致，并保证直流焊接电源和交流焊接电源同时在同一焊丝上的电流流向相同。

激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法有三种工作模式，工作模式一为实现双丝间接电弧交替旁路焊接方法，间接电弧形成旁路电弧，间接电弧和主电弧共同工作；工作模式二为激光与双丝间接电弧复合焊接，激光和间接电弧共同工作；工作模式三为激光与双丝间接旁路电弧复合焊接，间接电弧形成旁路电弧，激光、间接电弧和主电弧共同工作。

激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法可以调整激光的工作时间来调整焊接过程中焊缝的形成，当焊缝热输入充足时，激光仅仅作用的熔滴上，主要作用是轰击熔滴促使熔滴过渡；当焊缝热输入不足时，可以延长激光的脉冲工作时间，激光既轰击熔滴促使熔滴过渡，又对焊缝进行加热，调整焊缝的热输入，控制焊缝成形。

激光、主电弧和间接电弧三者的能量可以单独调节，实现了焊丝熔敷速度和工件热输入的分开调节。利用间接电弧的能量熔化送进的焊丝，通过调节间接电弧的电流和焊丝的送进速度来完成焊丝的熔敷速度的调节；主电弧不仅可以控制焊接热输入，同时还可以增大焊丝的等离子流力促使熔滴过渡到熔池中。激光的加入是促使焊丝和熔滴的分离，实现熔滴的顺利过渡。换向开关交替换向工作调整焊丝上的电流方向，保证两根焊丝熔敷速度适当。

本发明可以获得如下有益效果：

本发明所述的焊接方法区别于可以实现三种焊接工作模式的转化，可以实现双丝间接电弧交替旁路的焊接方法，又可以实现激光与双丝间接电弧复合的焊接方法，还可以实现激光与双丝间接旁路电弧复合的焊接方法。与传统电弧焊接方法最显著的特征就是打破传统电弧熔敷速度和热输入固有的搭配，利用激光轰击熔滴，促使熔滴过渡，实现焊丝熔敷速度和工件的热输入分开调节，可以灵活的调整焊接过程中的传热和传质，这是一个对现有弧焊技术进行革新的发明，该方法可以实现高效率、高质量的焊接。

附图说明：

图1本发明的原理示意图；

图2双丝间接电弧交替旁路的焊接方法工作示意图一；

图3双丝间接电弧交替旁路的焊接方法工作示意图二；

图4激光与双丝间接电弧交叉复合的焊接方法工作示意图一；

图5激光与双丝间接电弧交叉复合的焊接方法工作示意图二；

图6激光与双丝间接旁路电弧复合的焊接方法工作示意图一；

图7激光与双丝间接旁路电弧复合的焊接方法工作示意图二；

图中1为直流焊接电源，2为交流焊接电源，3为被焊工件，4为换向开关，5为焊丝Ⅰ，6为焊丝Ⅱ，7为间接电弧，8为电弧Ⅰ，9为电弧Ⅱ，10为送丝机Ⅰ，11为送丝机Ⅱ，12为激光电源，13为激光光束。

具体实施方式：

以下具体地说明本发明的实施方式，附图中只是说明性质，只说明了该焊接方法有关电回路方面的连接方式，焊枪所必须的气路和水路接法都是使用常规接法，所以不再进行说明。

下面对该焊接方法的步骤进行详细说明：本发明的原理示意图见图1；双丝间接电弧交替旁路的焊接方法工作原理示意图见图2和3；激光与双丝间接电弧交叉复合的焊接方法工作原理示意图见图4和5；激光与双丝间接旁路电弧复合的焊接方法工作示意图见图6和7。

相同的两根焊丝在激光两侧由两台送丝机分别送进，两根焊丝与激光位于被焊工件的上方，交流焊接电源的两电极分别与两根焊丝的导电嘴相连，并在两根焊丝之间建立间接电弧，利用间接电弧的能量熔化送进的焊丝，熔化的焊丝送进到激光正下方，激光轰击熔滴和焊丝之间的连接部位，促使熔滴和焊丝断开，顺利过渡到焊缝中。直流焊接电源正极与换向开关连接，换向开关的另两端分别与两根焊丝连接，直流焊接电源负极连接被焊工件，通过换向开关使两焊丝和被焊工件之间依次交替建立主电弧，换向开关交替换向工作调整焊丝上的电流方向；换向开关的换向频率和交流焊接电源的输出电流频率要一致，保证直流焊接电源和交流焊接电源同时在同一焊丝上的电流流向相同。

激光位于两根焊丝中间，激光可以直接对送进的焊丝加热，也可以对工件进行加热。当换向开关使焊丝Ⅰ和直流焊接电源正极相连，直流焊接电源、焊丝Ⅰ、工件形成电流回路，产生电弧Ⅰ，交流焊接电源的正极连接焊丝Ⅰ，负极连接焊丝Ⅱ，两根焊丝之间形成间接电弧。当换向开关使焊丝Ⅱ和直流焊接电源正极相连，直流焊接电源、焊丝Ⅱ、工件形成电流回路，产生电弧Ⅱ，交流焊接电源的正极连接焊丝Ⅱ，负极连接焊丝Ⅰ，两根焊丝之间形成间接电弧。主电弧的交替换向与交流焊接电源的频率要一致。

激光、主电弧和间接电弧三者共同工作完成焊接，也可以由主电弧和间接电弧两者复合完成焊接，又可以由激光和间接电弧两者复合完成焊接，该焊接方法可以实现上述三种焊接工作模式。

（1）双丝间接电弧交替旁路的焊接方法工作模式

①焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ分别在激光两侧由两台送丝机自动送进，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ分别与交流焊接电源的两个输出端连接；焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ同时与直流焊接电源的输出正极相连，在焊丝和直流焊接电源输出正极之间连有换向开关，换向开关控制两根焊丝与直流焊接电源正极导通。直流焊接电源为幅值可调的恒流或恒压电源。此时交流焊接和直流焊接电源处于工作模式，激光发生器未工作。

②焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ之间产生间接电弧(旁路电弧)，焊接过程中间接电弧(旁路电弧)始终存在。间接电弧(旁路电弧)热量主要来熔化焊丝，交流焊接电源正负半周的时间和幅值均可调的恒流或恒压电源。

③焊丝Ⅰ与直流焊接电源正极导通时，焊丝Ⅰ和工件之间形成电弧Ⅰ，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ之间产生间接电弧，电弧Ⅰ视为主电弧，焊丝Ⅱ和焊丝Ⅰ之间的间接电弧视为旁路电弧。

④焊丝Ⅱ与直流焊接电源正极导通时，焊丝Ⅱ和工件之间形成电弧Ⅱ，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ之间产生间接电弧，电弧Ⅱ视为主电弧，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ之间的间接电弧视为旁路电弧。

⑤上述两个过程交替进行，主电弧和间接电弧共同工作实现焊接。换向开关导通频率和交流焊接电源的输出频率一致，同时保证焊接电流在焊丝上的方向一致。实现双丝间接电弧交替旁路的焊接方法工作模式。

（2）激光与双丝间接电弧交叉复合的焊接方法工作模式

①焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ分别在激光两侧由两台送丝机自动送进，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ分别与交流焊接电源的两个输出端连接；焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ同时与直流焊接电源的输出正极相连，但直流焊接电源未工作。激光垂直于间接电弧的中间部位，并与间接电弧交叉。此时交流焊机电源和激光发生器处于工作模式，直流焊接电源未工作。

②焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ之间产生间接电弧，焊接过程中间接电弧始终存在。间接电弧热量主要来熔化焊丝，交流焊接电源正负半周的时间和幅值均可调的恒流或恒压电源。焊丝间的间接电弧主要作用是熔化焊丝，改变熔敷速度。

③在同一时刻，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ处于交流电源的两个不同极性，当焊丝Ⅰ接正极，焊丝Ⅱ接负极时，焊丝Ⅱ的熔化速度大于焊丝焊丝Ⅰ熔化速度，反之，则熔化速度相反。利用该规律，在焊丝接负极时刻，焊丝端产热量大，熔化大量焊丝形成熔滴，极性变换后，当检测到焊丝熔化送进到激光束前端，此时打开激光束轰击熔滴，促使熔滴从焊丝过渡到焊缝中去，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ交替过渡。

④激光形成有规律的工作状态，可以调整激光的工作时间来调整焊接过程中焊缝的形成。当焊缝热输入充足时，激光仅仅作用的熔滴上，主要作用是轰击熔滴促使熔滴过渡；当焊缝热输入不足时，可以延长激光的脉冲工作时间，激光既可以轰击熔滴促使熔滴过渡，可以对焊缝进行加热，调整焊缝的热输入，控制焊缝成形。实现激光与双丝间接电弧复合的焊接方法工作模式。

（3）激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法工作模式

①焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ分别在激光两侧由两台送丝机自动送进，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ分别与交流焊接电源的两个输出端连接；焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ同时与直流焊接电源的输出正极相连，在焊丝和直流焊接电源输出正极之间连有换向开关，换向开关控制两根焊丝与直流焊接电源正极导通。直流焊接电源为幅值可调的恒流或恒压电源。此时交流焊接、直流焊接电源和激光发生器三个电源都处于工作模式。

②焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ之间产生间接电弧(旁路电弧)，焊接过程中间接电弧(旁路电弧)始终存在。间接电弧(旁路电弧)热量主要来熔化焊丝，交流焊接电源正负半周的时间和幅值均可调的恒流或恒压电源。

③焊丝Ⅰ与直流焊接电源正极导通时，焊丝Ⅰ和工件之间形成电弧Ⅰ，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ之间产生间接电弧，电弧Ⅰ视为主电弧，焊丝Ⅱ和焊丝Ⅰ之间的间接电弧视为旁路电弧。换向开关换向后，焊丝Ⅱ与直流焊接电源正极导通时，焊丝Ⅱ和工件之间形成电弧Ⅱ，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ之间产生间接电弧，电弧Ⅱ视为主电弧，焊丝Ⅱ和焊丝Ⅰ之间的间接电弧视为旁路电弧，其主要作用是熔化焊丝，改变熔敷速度，而焊丝与工件间的主电弧只要控制焊缝热输入，控制焊缝成形。

③焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ处于直流电源的两个不同极性，当焊丝Ⅰ接正极，焊丝Ⅱ接负极时，焊丝Ⅱ的熔化速度大于焊丝焊丝Ⅰ熔化速度，反之，则熔化速度相反。利用该规律，在焊丝接直流电源负极时候，焊丝端产热量大，熔化大量焊丝形成熔滴，极性变换后，当检测到焊丝熔化送进到激光束前端，此时打开激光束轰击熔滴，促使熔滴从焊丝过渡到焊缝中去，焊丝Ⅰ和焊丝Ⅱ交替过渡。

④激光形成有规律的工作状态，可以调整激光的工作时间来调整焊接过程中焊缝的形成。当焊缝热输入足够时，激光仅仅作用在熔滴上，主要作用是轰击熔滴促使熔滴过渡；当焊缝热输入不足时，可以延长激光的脉冲工作时间，激光既可以轰击熔滴促使熔滴过渡，又可以对焊缝进行加热，调整焊缝的热输入，控制焊缝成形。实现激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法工作模式。

Claims (3)

1.激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法，其特征在于：相同的两根焊丝在激光两侧由两台送丝机分别送进，两根焊丝与激光位于被焊工件的上方，交流焊接电源的两电极分别与两根焊丝的导电嘴相连，并在两根焊丝之间建立电弧，形成间接电弧，利用间接电弧的能量熔化送进的焊丝；直流焊接电源正极与换向开关连接，换向开关的另两端分别与两根焊丝连接，直流焊接电源负极连接被焊工件，通过换向开关使两焊丝和被焊工件之间依次交替建立主电弧，换向开关交替换向工作调整焊丝上的电流方向，换向开关的换向频率和交流焊接电源的输出电流频率一致，并保证直流焊接电源和交流焊接电源同时在同一焊丝上的电流流向相同。

2.根据权利要求1所述激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法，其特征在于：有三种工作模式，工作模式一为双丝间接电弧交替旁路焊接方法，间接电弧形成旁路电弧，间接电弧和主电弧共同工作；工作模式二为激光与双丝间接电弧复合焊接，激光和间接电弧共同工作；工作模式三为激光与双丝间接旁路电弧复合焊接，间接电弧形成旁路电弧，激光、间接电弧和主电弧共同工作。

3.根据权利要求1所述的激光-双丝间接旁路电弧复合的焊接方法，其特征在于：激光的主要作用是轰击熔滴，促使熔滴过渡，当焊缝热输入不足时，可以延长激光的脉冲工作时间，激光既轰击熔滴促使熔滴过渡，又对焊缝进行加热，调整焊缝的热输入，控制焊缝成形。