CN104907696B - 一种考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法 - Google Patents

一种考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种考虑焊接电流值的激光‑电弧复合焊接方法，其步骤是：1）依据待焊工件的厚度，对待焊工件开I型坡口或Y型坡口；2）依据使用的熔化极焊接设备的焊接电流值，确定激光器的激光束与熔化极焊接设备的焊接电弧之间的前后位置关系以及输入能量比值；3）确定使用的焊丝规格；4）设定焊接速度以及激光束与焊丝之间的距离后进行焊接。本发明通过采用激光与电弧旁轴复合焊接的方式，能够针对不同厚度的待焊工件，依据焊接电流的大小，合理确定激光束与焊接电弧在焊接时的前后位置以及两种热源的输入能量比值等参数来实现高质量的激光‑电弧复合焊接，既有效地减少了金属蒸汽的产生，又有效地增大了熔深，从而极大地提高了焊接接头质量。

Description

一种考虑焊接电流值的激光 - 电弧复合焊接方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体是涉及一种考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法。
背景技术
激光-电弧复合焊接方法是将激光与电弧两种热源有机结合起来，通过激光与电弧的相互作用改善激光能量的吸收与电弧的稳定性。目前，激光与熔化极电弧复合方式主要为旁轴复合，焊丝以一定角度送入电弧与激光形成的共熔池进行焊接。激光束与焊丝之间距离一般不超过15mm，为了提高焊接效率，这个距离应控制在较小的范围内，这样可提高电弧燃烧的稳定性，将电弧能量与激光能量较大程度结合在一起，提高熔深。
虽然激光-电弧复合焊接方法能够改善激光能量的吸收与电弧的稳定性，但其本身也存在着一些不足之处，在焊接过程中，激光、电弧与金属材料相互作用产生大量的金属蒸汽、烟尘，使得焊缝成型条件恶化，同时焊接烟尘会污染焊接头中的光学元器件。目前较多的复合焊接方法都是采用连续的电弧及连续激光，采用这种方法在复合焊接过程中，焊接电流提高时，熔化的金属更容易蒸发，产生的蒸汽在熔池中形成气流，将熔融金属排开或带到熔池尾部结晶，使得熔池内部热量被带走，导致熔深较小。美国专利US2011/0089149公开了一种复合焊接方法，即焊丝垂直母材表面进入熔池，激光分为聚焦条件一致的两部分从焊丝两边以一定角度入射，在母材表面形成共熔池，能够在一定程度上减少焊接过程中产生的金属蒸汽及烟尘。但是，采用此种方式需要对激光进行分束，对两束激光与焊丝之间的距离要精确控制，给工艺增大了难度。另外，俄罗斯专利RU2440221公开了一种铝和铝合金激光-电弧复合焊方法，焊接过程中，电弧位于激光前面，激光以与垂直面夹角10-20°入射，焊丝与焊接表面30-40°夹角进入，焊丝延伸点与激光在母材表面聚焦点重合。结果表明，通过此种方式改善了激光吸收，并且金属蒸汽形成的气流不会带走熔融金属，可提高焊接接头质量。但是，此种方法只是单纯针对铝合金而言，且采用焊接的电流也较小，无法形成更深的熔池，同时要求焊丝延伸点与激光束在焊件表面的聚焦点重合，难度较大并不合乎工艺要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种工艺简单、实施容易、使用效果好，能够采用大电流及较高焊接速度进行焊接并获得较大的熔深和高质量的焊接接头的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特点是包括以下步骤：
1）依据待焊工件的厚度，对待焊工件开I型坡口或Y型坡口；
2）依据使用的熔化极焊接设备的焊接电流值，确定激光器的激光束与熔化极焊接设备的焊接电弧之间的前后位置关系以及输入能量比值，即当焊接电流值为200～300A时，在焊接过程中焊接电弧是位于激光束之后，且激光束与焊接电弧的输入能量比值为1：2；当焊接电流值大于300A时，在焊接过程中焊接电弧是位于激光束之前，且激光束与电弧的输入能量比值为2：1；
3）确定使用的焊丝规格；
4）设定焊接速度以及激光束与焊丝之间的距离后进行焊接，且在焊接过程中，通入Ar、He、CO2或其混合气体对熔池进行保护。
为了确保在焊接过程中，激光与电弧的复合效果好，从而获得较大的熔深，提高焊接质量，上述激光束与焊丝的间距为1～10mm。
为了进一步提高焊接质量，上述激光束的中心线与垂直待焊工件表面的垂直线之间的夹角为0～100。且上述激光束的中心线与熔化极焊接设备的电弧焊炬轴线之间的夹角为30～600。
为了有效地确保不同厚度的待焊工件的焊接质量，当上述待焊工件为厚度2～10mm的钢和厚度2～8mm的铝合金时，开I型坡口，单道焊完成；当上述待焊工件为大厚度板时，即当待焊工件为厚度大于10mm的钢或厚度大于8mm的铝合金时，开10～300的Y型坡口，多道焊完成。
为了使采用的激光器符合使用要求，上述激光器为1～5kW的碟片或光纤或CO2或Nd:YAG激光器，且激光器的脉冲调制频率为30～400Hz。
为了达到本发明的焊接要求，上述熔化极焊接设备的最大输出焊接电流值为600A，脉冲调制频率为30～400Hz。且上述焊丝的直径为0.8～1.6mm。且上述焊接速度为30～150m/h。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明采用激光与电弧旁轴复合焊接的方式，能够针对不同厚度的待焊工件，依据焊接电流的大小，合理确定激光束与焊接电弧在焊接时的前后位置以及两种热源的输入能量比等参数来实现高质量的激光-电弧复合焊接，既有效地减少了金属蒸汽的产生，又有效地增大了熔深，从而极大地提高了焊接接头质量；
2、本发明通过合理利用电弧与激光的能量，避免了大电流焊接时熔深反而较小的缺点；
3、本发明具有适用范围广的特点，能够针对不同的材料进行焊接，包括碳钢、不锈钢、铝合金等。而且，焊接工艺简单、实施容易、使用效果好。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明焊接方式一的示意图。
图2为本发明焊接方式二的示意图。
图3为采用图1的焊接方式时不同的焊接速度及焊接电流对熔深的影响示意图。
图4为采用图2的焊接方式时不同的焊接速度及焊接电流对熔深的影响示意图。
图5为本发明待焊工件开Y型坡口的示意图。
图6为采用图1的焊接方式时17Г1C管线钢焊接试样的宏观断面图。
图7为采用图2的焊接方式时17Г1C管线钢焊接试样的宏观断面图。
图8为采用图1的焊接方式时Д16铝合金焊接试样的宏观断面图。
图9为采用图1的焊接方式时AMг6铝合金焊接试样的宏观断面图。
图10为采用图2的焊接方式时AMг6铝合金焊接试样的宏观断面图。
具体实施方式
本发明所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，包括以下步骤：
1）依据待焊工件的厚度，对待焊工件开I型坡口或Y型坡口；当待焊工件为厚度2～10mm的钢和厚度2～8mm的铝合金时，开I型坡口，且单道焊完成；当待焊工件为大厚度板时，即当待焊工件为厚度H大于10mm的钢或厚度H大于8mm的铝合金或厚度H大于8mm的其它金属板时，如图5所示，开10～300的Y型坡口，且多道焊完成；
2）依据使用的熔化极焊接设备的焊接电流值，确定激光器的激光束与熔化极焊接设备的焊接电弧之间的前后位置关系以及输入能量比值，即当焊接电流值为200～300A时，在焊接过程中焊接电弧是位于激光束之后，也就是说，在焊接过程中，焊接电弧是跟随在激光束的后面进行焊接，且激光束与焊接电弧的输入能量比值为1：2；当焊接电流值大于300A时，在焊接过程中焊接电弧是位于激光束之前，也就是说，在焊接过程中，激光束是跟随在焊接电弧的后面进行焊接，且激光束与焊接电弧的输入能量比值为2：1；其中，激光器为1～5kW的碟片或光纤或CO2或Nd:YAG激光器，且激光器的脉冲调制频率为30～400Hz；熔化极焊接设备的最大输出焊接电流值为600A，脉冲调制频率为30～400Hz；
3）确定使用的焊丝规格；在本实施例中，使用的焊丝的直径为0.8～1.6mm；
4）设定焊接速度以及激光束与焊丝之间的距离后进行焊接，且在焊接过程中，通入Ar、He、CO2或其混合气体对熔池进行保护；其中，焊接速度为30～150m/h。
如图1-图2所示，本发明是将聚焦的激光束1与电弧焊炬2产生的焊接电弧作用于待焊工件3的表面形成共熔池5，在焊接过程中形成焊缝4，激光束与焊丝的间距L为1～10mm。当焊接电流为200～300A时，如图1所示，焊接电弧位于激光束之后，沿着标号6所示方向完成焊接；当焊接电流大于300A时，如图2所示，焊接电弧位于激光束之前，沿着标号6所示方向完成焊接。当然，当焊接电流小于200A时，也应该按照图1所示焊接电弧与激光束的位置进行操作。在焊接过程中，减小激光束与焊丝的间距L对穿透深度的影响较小；而增加该距离，会导致激光和电弧的单独作用增强，复合效果减弱，从而降低穿透深度。在焊接过程中，激光束1的轴心线与熔化极焊接设备的电弧焊炬2轴线之间的夹角β可以设定为30～60°，而激光束1的中心线与垂直待焊工件3表面的垂直线之间的夹角α可设置为0-10°。
实施例1：
焊接材料：待焊工件为13Г1СУ钢，焊丝为Св-09Г2С、直径 1.6mm；采用的聚焦透镜焦距300mm，Nd:YAG激光器的功率为4kW，光丝间距L为3mm，焊接速度为60 m/h、120m/h。焊接电流分别为100A、200A、300A、400A、500A。采用图1的方式进行焊接，即激光束处于焊接电弧之前，实验结果如图3所示；采用图2的方式进行焊接，即焊接电弧处于激光束之前，实验结果如图4所示。结果表明当采用的焊接电流小于300A时，为了获得较大的焊接熔深，焊接电弧应在激光束后面适当的位置；而当采用大于300A以上的大电流进行焊接时，为了获得较大的焊接熔深，焊接电弧应处于激光束前面适当的位置。
实施例2：
焊接材料：待焊工件为17Г1C管线钢、厚度16mm，焊丝为Св-08Г2С、直径1.6mm；对待焊工件开Y型坡口（如图5所示），钝边厚度h为5mm，角度为30°；采用Nd：YAG激光器，输出功率4.4KW，保护气体为（82%Ar+18%CO2）混合气，流量为14L/min，送丝速度750m/h，焊接速度30m/h，电弧电压36～38V，焊接电流400A。采用图1的方式进行焊接，即激光束在焊接电弧之前，光丝间距L为2mm，获得第一道焊缝熔深为10mm，需要进行两道焊接，焊接接头宏观断面如图6所示。采用图2所示的方式进行焊接，即焊接电弧在激光束之前，单道焊接完成，焊接接头宏观断面如图7所示。
实施例3：
焊接材料：待焊工件为Д16铝合金、厚度6mm，焊丝为Св-АМг6、直径1.2mm；激光束倾斜10°，焊接电弧与激光束的夹角为40°，采用氩气（Ar）保护，焊接速度60m/h，焊接电流210A，激光功率3KW，采用图1所示的焊接方式，即激光束在焊接电弧之前，单道焊接完成，焊接接头宏观断面如图8所示。
实施例4：
焊接材料：待焊工件为AMг6铝合金、厚度6mm，焊丝为Св-АМг6、直径1.2mm，激光、电弧脉冲调制频率为130Hz，占空比为1/3，激光输出的平均功率为3kW,最大功率为4.4kW,电弧电压为19V，平均电流强度为180A，最大电流300A，光丝间距L为2mm，二者形成的调制频率为130Hz；焊接速度60m/h，采用氩气（Ar）保护。采用图1所示的方式进行焊接，即激光束在焊接电弧之前，焊接试样宏观断面如图9所示；采用图2所示的方式进行焊接，即激光束在焊接电弧之后，焊接试样宏观断面如图10所示。此时，熔深相差2mm左右。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
1）依据待焊工件的厚度，对待焊工件开I型坡口或Y型坡口；
2）依据使用的熔化极焊接设备的焊接电流值，确定激光器的激光束与熔化极焊接设备的焊接电弧之间的前后位置关系以及输入能量比值，即当焊接电流值为200～300A时，在焊接过程中焊接电弧是位于激光束之后，且激光束与焊接电弧的输入能量比值为1：2；当焊接电流值大于300A时，在焊接过程中焊接电弧是位于激光束之前，且激光束与电弧的输入能量比值为2：1；
3）确定使用的焊丝规格；
4）设定焊接速度以及激光束与焊丝之间的距离后进行焊接，且在焊接过程中，通入Ar、He、CO2或其混合气体对熔池进行保护。
2.根据权利要求1所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于上述激光器为1～5kW的碟片或光纤或CO2或Nd:YAG激光器，且激光器的脉冲调制频率为30～400Hz。
3.根据权利要求1所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于上述熔化极焊接设备的最大输出焊接电流值为600A，脉冲调制频率为30～400Hz。
4.根据权利要求1所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于上述激光束与焊丝的间距为1～10mm。
5.根据权利要求1所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于上述焊丝的直径为0.8～1.6mm。
6.根据权利要求1所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于上述焊接速度为30～150m/h。
7.根据权利要求1所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于上述激光束的中心线与垂直待焊工件表面的垂直线之间的夹角为0～100。
8.根据权利要求1所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于上述激光束的中心线与熔化极焊接设备的电弧焊炬轴线之间的夹角为30～600。
9.根据权利要求1所述的考虑焊接电流值的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于当上述待焊工件为厚度2～10mm的钢和厚度2～8mm的铝合金时，开I型坡口，单道焊完成；当上述待焊工件为大厚度板时，即当待焊工件为厚度大于10mm的钢或厚度大于8mm的铝合金时，开10～300的Y型坡口，多道焊完成。
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