CN104014933A - 一种激光-toptig复合焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，它涉及一种激光-TOPTIG复合焊接的方法。本发明的方法如下：步骤一：将待焊工件表面进行打磨或清洗，装夹具；步骤二：设置几何参数；步骤三：设置激光-TOPTIG复合焊接的焊接参数；步骤四：启动控制开关，先通入保护气，再引燃电弧1.0～2.0s后，发射激光，在激光束和电弧相互作用的温度最高的区域送给焊丝，然后使激光器和焊枪沿焊缝一起移动，进行激光-TIG电弧焊焊接。采用本发明的焊接方法，简化了操作程序，提高效率，保证焊接精度和稳定性，提高焊缝质量。

Description

一种激光-TOPTIG复合焊接的方法
技术领域
本发明涉及一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，属于材料加工工程领域。
背景技术
众所周知，激光-电弧复合焊接作为一种新的现代激光焊接新方法，具有独特的优势：①高效节能；②增加焊缝熔深，稳定焊接电弧；③提高了焊接适应性，可进行高速焊接；④通过调节两种热源能量的匹配，改善焊缝成型。复合焊接过程中，激光热源主要有CO2激光，YAG激光，光纤激光等，复合的对象可以是TIG，MIG或者等离子弧等；其复合方式有同轴复合，旁轴复合，甚至是多电极与单激光复合。目前，激光电弧复合焊接已经应用于造船、汽车，石油化工等领域，表现出了很好的应用潜力。在复合焊接过程中，一般对于中厚板焊接，主要应用激光-GMA电弧复合焊接；对于薄板，一般应用激光-TIG电弧复合焊接。但是，在激光-TIG电弧复合焊接过程中，由于装配不可避免的存在间隙、错边等问题，一般采用激光-TIG电弧复合填丝的焊接方法进行焊接，尤其是随着板厚增加，都必须采用激光-TIG电弧复合填丝的焊接方法。
在激光-TIG电弧复合填丝焊接过程中，存在以下问题：
1、TIG焊枪和送丝装置通过夹具固定在激光头上，不能严格保证送丝的精确度，从而不能保证焊缝质量；
2、钨极和送丝嘴的位置十分敏感，使得焊丝的送给角度和位置对熔滴的形成、长大、和过渡等过程影响较大，从而影响焊件过程的稳定性；
3、TIG焊枪和送丝装置固定在激光头上，使得激光工作头体积增大，限制了机器人的灵活性和可达性；
4、由于需人工调节钨极、激光束和焊丝三者保持一条直线，调节优化的工艺变量较多，提高了操作难度，降低了焊接精确性；
5、当焊接方向改变时，焊枪方向需要借助机器人的第六轴来控制，对于复杂的工件，还得增加一个转胎(第七轴)。
这些缺点都限制了激光-TIG复合填丝焊接方法的普及和应用。
发明内容
本发明针对现有激光-TIG电弧复合填丝焊接存在的上述问题，而提供了一种激光-TOPTIG复合焊接的方法。
本发明的一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，具体操作如下：
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：将激光和TOPTIG焊接共同作用在被焊区域，设置几何参数：光斑直径为0.1～0.5mm，离焦量为﹣3～﹢3mm；
步骤三：设置激光-TOPTIG复合焊接的焊接参数：电弧电流为50～400A，焊枪与竖直方向夹角为25°～55°，焊接速度为50～500mm/min，送丝速度为50～600mm/min，焊丝与钨极延长线的夹角为15°～30°，保护气为惰性气体；
步骤四：启动控制开关，先通入保护气，再引燃电弧1.0～2.0s后，发射激光，在激光束和电弧相互作用的温度最高的区域送给焊丝，然后使激光器和焊枪沿焊缝一起移动，进行激光-TIG电弧焊焊接。
本发明的激光-TOPTIG复合焊接技术是利用激光焊接和TOPTIG焊接技术两种不同热源共同作用在同一区域形成熔池的新的焊接方法，如图2所示。其中，TOPTIG焊的核心特点是送丝嘴和焊枪一体化集成设计并固定在激光工作头上，焊丝以20°通过气体喷嘴送入到钨极端部的下方，焊丝的轴线方向和钨极端部的锥面平行，焊丝端部可以十分靠近钨极端部。激光束、钨极端部和焊丝端部延长线相交于一点，共同作用形成一个匙孔。
本发明的激光-TOPTIG复合焊接技术相比于激光-TIG复合填丝焊的优点表现为以下几点：
1、熔滴的生成、长大和过渡过程稳定，复合热源形成的等离子体降低了送丝精度，简化了操作程序；
2、相对TOPTIG焊单电弧能量，熔丝熔化来自于激光与电弧两种热源的作用，使得焊丝熔化速度加快，提高效率；
3、焊枪和送丝嘴的一体化集成设计减少了焊枪端部体积尺寸，减少了定位变量，可以提高定位精确度和稳定性，保证焊接精度和稳定性，提高焊缝质量；
4、由于这种特殊的送丝形式使得焊接过程中无需考虑焊丝的送进方向，提高了焊接机器人的灵活性和可达性，甚至可和激光-MIG复合焊接灵活性相媲美；
5、由于焊丝端部可以十分接近钨极端部，激光束和电弧的能量能够较多的使焊丝迅速熔化，获得较高的熔覆率和焊接速度，在焊接薄板时，焊接速度可以接近甚至优于激光-MIG复合焊；
6、钨极到焊件的距离不再敏感，送丝嘴固定在焊枪上，无需调整焊丝位置和角度等特点使得焊接操作变得简单。
附图说明
图1为激光-TIG复合填丝焊接示意图；
图2为本发明的激光-TOPTIG复合焊接示意图；
图3为激光-TIG复合填丝焊接铝合金的焊缝表面成形图；
图4为激光-TIG复合填丝焊接铝合金的焊缝纵截面金相图；
图5为激光-TIG复合填丝焊接铝合金的焊缝X光检测结果图；
图6为实施例1的激光-TOPTIG复合焊接铝合金的焊缝表面成形图；
图7为实施例1的激光-TOPTIG复合焊接铝合金的焊缝纵截面金相镜图；
图8为实施例1的激光-TOPTIG复合焊接铝合金的焊缝X光检测结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，具体操作如下：
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：将激光和TOPTIG焊接共同作用在被焊区域，设置几何参数：光斑直径为0.1～0.5mm，离焦量为﹣3～﹢3mm；
步骤三：设置激光-TOPTIG复合焊接的焊接参数：电弧电流为50～400A，焊枪与竖直方向夹角为25°～55°，焊接速度为50～500mm/min，送丝速度为50～600mm/min，焊丝与钨极延长线的夹角为15°～30°，保护气为惰性气体；
步骤四：启动控制开关，先通入保护气，再引燃电弧1.0～2.0s后，发射激光，在激光束和电弧相互作用的温度最高的区域送给焊丝，然后使激光器和焊枪沿焊缝一起移动，进行激光-TIG电弧焊焊接。
本实施方式的激光-TOPTIG复合焊接技术相比于激光-TIG复合填丝焊的优点表现为以下几点：
3、熔滴的生成和长大的过渡过程稳定，复合热源形成的等离子体降低了送丝精度，简化了操作程序；
4、相对TOPTIG焊单电弧能量，熔丝熔化来自于激光与电弧两种热源的作用，使得焊丝熔化速度加快，提高效率；
3.焊枪和送丝嘴的一体化集成设计减少了焊枪端部体积尺寸，减少了定位变量，可以提高定位精确度和稳定性，保证焊接精度和稳定性，提高焊缝质量；
4、由于这种特殊的送丝形式使得焊接过程中无需考虑焊丝的送进方向，提高了焊接机器人的灵活性和可达性，甚至可和激光-MIG复合焊接灵活性相媲美；
5、由于焊丝端部可以十分接近钨极端部，激光束和电弧的能量能够较多的使焊丝迅速熔化，获得较高的熔覆率和焊接速度，在焊接薄板时，焊接速度可以接近甚至优于激光-MIG复合焊；
6、钨极到焊件的距离不再敏感，送丝嘴固定在焊枪上，无需调整焊丝位置和角度等特点使得焊接操作变得简单。
本实施方式根据TOPTIG焊的焊丝熔化的熔滴过渡形式分为连续接触过渡和滴状过渡两种形式，激光-TOPTIG复合焊接的熔滴过渡形式也可以根据送丝速度不同分为如下两种：
1、送丝速度较大时的连续接触过渡，这是送丝速度和熔化速度达到平衡时在焊丝熔化的金属盒熔池之间形成的连续接触的熔滴过渡形式。其过程为，在电弧引燃稳定和激光束共同作用下焊丝端部的熔化金属盒熔池接触，持续接触建立起金属桥，熔化的金属以金属桥的形式持续过渡，当送丝速度减小时，液态金属桥形成颈缩，当停止送丝时，液态金属桥发生断裂。此种过渡形式下，焊丝过程稳定，熔覆率高，焊接速度快且焊缝成形均匀一致，适合于所有的普通熔焊和钎焊焊丝的高速焊接。
2、送丝速度较小时的滴状过渡，这是与MIG焊接过程中的短弧长亚射流过渡类似。焊丝熔化形成熔滴，随着焊丝送进熔滴长大并与熔池接触，形成液态金属小桥颈缩，当颈缩断开焊丝继续熔化，形成一个个熔滴，当焊接过程结束后，熔滴停留在焊丝端部。此种过渡形式下的熔滴对熔池产生持续的冲击力使得熔池产生振荡，可以减少气孔的缺陷，焊缝较宽且均匀一致，可用于小电流和低送丝速度的焊接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的TOPTIG焊的焊丝熔化的熔滴过渡形式分为连续接触过渡和滴状过渡。其它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：所述的连续接触过渡形式的焊丝送丝速度大于滴状过渡的焊丝送丝速度。其它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至三之一不同的是：所述的激光的发生的激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。其它与具体实施方式一至三之一相同。
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：所述的TIG电弧采用交流进行焊接。其它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：所述的惰性气体为Ar气。其它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：所述的惰性气体为惰性气体的流量为10～30L/min。其它与具体实施方式一至六之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将3mmLF6铝合金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：将激光和TOPTIG复合焊共同作用在被焊区域，设置焊接参数：激光功率为2500W，离焦量为+2mm，激光束与竖直方向夹角为3°，电弧电流为60A，焊枪与竖直方向夹角为45°，钨极端部延长线和激光束焦点的距离为2mm，焊丝与竖直方向夹角为20°，焊接速度为2.5m/min，送丝速度为200mm/min；
步骤三：启动控制开关，先通入保护气，再引燃电弧1.0～2.0s后，发射激光，采用前进式送丝方式，在激光束和电弧相互作用的温度最高的区域送给焊丝，然后使激光器和焊枪沿焊缝一起移动，进行激光-TIG电弧焊焊接。
激光-TOPTIG复合焊时，由于铝合金激光焊接性较差，故本实施方式所述的TOPTIG焊的焊丝熔化的熔滴过渡形式为滴状过渡形式保证焊接质量。
图3至图5为采用激光-TIG复合填丝焊焊接3mmLF6铝合金焊缝表面成形、宏观金相和X光检测结果。由图中可知看出，其焊缝表面成形粗糙不平，鱼鳞状花纹紊乱，说明在焊接过程中焊枪和送丝嘴的稳定性和精确度不能得到保证，导致焊接稳定性较差，纵截面表面其含有气孔缺陷，焊缝的X光检测结果进一步验证了这个现象，焊缝中沿焊接方向气孔率为6％，其对焊缝力学性能存在较大影响。
图6至图8为采用本实施例的激光-TOPTIG复合焊方法焊接3mmLF6铝合金焊缝表面成形、宏观金相和X光检测结果。由图可知看出，采用本实施例的方法，焊缝表面成形平整美观、均匀一致，说明其焊接过程中TOPTIG焊枪的稳定性和精度得到了保证，从而使得焊接过程稳定，焊缝纵截面的金相结果表面不存在气孔，X光检测结果表明焊缝气孔率有所下降，为3％，可以提高焊缝力学性能。
综上所述，激光-TOPTIG复合焊新方法能够在激光-TIG复合填丝焊接的基础上提高焊接稳定性和精度，改善焊缝成形和减少气孔率，且提高焊接速度，是一个具有实际应用价值的新的复合焊接新方法。
实施例2
本实施例的一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将3mmLF6铝合金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：将激光和TOPTIG复合焊共同作用在被焊区域，设置焊接参数：激光功率为2500W，离焦量为+2mm，激光束与竖直方向夹角为3°，电弧电流为60A，焊枪与竖直方向夹角为45°，钨极端部延长线和激光束焦点的距离为2mm，焊丝与竖直方向夹角为20°，焊接速度为2.5m/min，送丝速度为200mm/min；
步骤三：启动控制开关，先通入保护气，再引燃电弧1.0～2.0s后，发射激光，采用前进式送丝方式，在激光束和电弧相互作用的温度最高的区域送给焊丝，然后使激光器和焊枪沿焊缝一起移动，进行激光-TIG电弧焊焊接。
激光-TOPTIG复合焊时，由于铝合金激光焊接性较差，故本实施方式所述的TOPTIG焊的焊丝熔化的熔滴过渡形式为连续接触过渡形式保证焊接质量。
本实施例的激光-TOPTIG复合焊接技术优点为：
1、熔滴的生成和长大的过渡过程稳定，复合热源形成的等离子体降低了送丝精度，简化了操作程序；
2、相对TOPTIG焊单电弧能量，熔丝熔化来自于激光与电弧两种热源的作用，使得焊丝熔化速度加快，提高效率；
3、焊枪和送丝嘴的一体化集成设计减少了焊枪端部体积尺寸，减少了定位变量，可以提高定位精确度和稳定性，保证焊接精度和稳定性，提高焊缝质量；
4、由于这种特殊的送丝形式使得焊接过程中无需考虑焊丝的送进方向，提高了焊接机器人的灵活性和可达性，甚至可和激光-MIG复合焊接灵活性相媲美；
5、由于焊丝端部可以十分接近钨极端部，激光束和电弧的能量能够较多的使焊丝迅速熔化，获得较高的熔覆率和焊接速度，在焊接薄板时，焊接速度可以接近甚至优于激光-MIG复合焊；
6、钨极到焊件的距离不再敏感，送丝嘴固定在焊枪上，无需调整焊丝位置和角度等特点使得焊接操作变得简单。

Claims (7)

1.一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，其特征在于它的具体操作如下：
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：将激光和TOPTIG焊接共同作用在被焊区域，设置几何参数：光斑直径为0.1～0.5mm，离焦量为﹣3～﹢3mm；
步骤三：设置激光-TOPTIG复合焊接的焊接参数：电弧电流为50～400A，焊枪与竖直方向夹角为25°～55°，焊接速度为50～500mm/min，送丝速度为50～600mm/min，焊丝与钨极延长线的夹角为15°～30°，保护气为惰性气体；
步骤四：启动控制开关，先通入保护气，再引燃电弧1.0～2.0s后，发射激光，在激光束和电弧相互作用的温度最高的区域送给焊丝，然后使激光器和焊枪沿焊缝一起移动，进行激光-TIG电弧焊焊接。
2.根据权利要求1一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，其特征在于所述的TOPTIG焊的焊丝熔化的熔滴过渡形式分为连续接触过渡和滴状过渡。
3.根据权利要求2一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，其特征在于所述的连续接触过渡形式的焊丝送丝速度大于滴状过渡的焊丝送丝速度。
4.根据权利要求1一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，其特征在于所述的激光的发生的激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
5.根据权利要求1一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，其特征在于所述的TIG电弧采用交流进行焊接。
6.根据权利要求1一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，其特征在于所述的惰性气体为Ar气。
7.根据权利要求1或6一种激光-TOPTIG复合焊接的方法，其特征在于所述的惰性气体为惰性气体的流量为10～30L/min。
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