CN104999181A - 一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，它涉及一种焊接方法。它的操作步骤为：一、对待焊工件的进行坡口加工打磨并清洗，装夹；二、调节激光束与InFocus电弧焊枪位置；三、设置焊接工艺参数:光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率500～5000W；电弧电流为50～1000A，焊接速度为50～900mm/min，保护气采用Ar气，保护气流量为10～30L/min；四、通过控制机器人使激光工作头和InFocus焊枪共同运动。InFocus可实现高速焊接，既解决了激光-TIG复合焊接时，激光与TIG焊接速度不匹配的问题，也极大的提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，属于材料加工工程领域。
背景技术
自从上世纪七十年代提出激光-电弧复合焊接方法以后，激光-电弧复合焊接方法得到了广泛的应用，其主要思想是充分利用电弧能量，在较小的激光功率条件下获得较大的焊接熔深，同时提高激光焊接对接焊缝间隙适应性，实现效率高、质量高的焊接过程。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。激光-TIG电弧复合焊接作为一种典型的复合焊接方式，具有很多优点：①降低激光能量输入，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。虽然激光-TIG电弧复合焊接最早开始研究，传统激光-TIG电弧复合焊接一般主要用于薄板高速焊接或者不等厚板焊接，但在应用方面一直没有实质性的进展。
目前，主要是因为激光-TIG电弧焊接存在以下一些问题：
(1)传统的TIG电弧等离子体体积较大，能量密度低，使得焊缝熔深较浅；
(2)当TIG电弧电流较大时，容易导致InFocus焊枪阴极烧损；
(3)相对于激光焊接，激光-TIG电弧复合焊接速度可以到达其两倍以上，但在高速焊接过程中，TIG电弧稳定性较差，焊接质量不易保证；
(4)在薄板焊接时，由于TIG电弧的特性使得进一步提高焊接速度受到限制。
发明内容
本发明的目的是针对激光-TIG复合焊接存在的问题，提出一种新方法—激光-InFocus电弧双焦点复合焊接新技术。
本发明的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
一、焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨并清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
二、利用夹具将激光头与InFocus焊枪固定，若焊接对象为对焊接激光无反射的材料，则将激光头垂直于焊接对象，调节InFocus焊枪与焊接对象角度至45～60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～3mm，两热源作用点相距1～2mm；若焊接对象为对焊接激光有反射的材料，则将InFocus焊枪垂直于焊接对象，调节激光束与水平面的夹角至45～60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～6mm，两热源作用点相距1～2mm；
三、设置焊接工艺参数:光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率500～5000W；电弧电流为50～1000A，焊接速度为50～900mm/min，保护气采用Ar气，保护气流量为10～30L/min；
四、采用机器人集成系统控制步骤三设置的焊接工艺参数，首先采用InFocus电弧起弧，在电弧稳定1～2S后，向激光束和电弧相互作用的熔池区域送给焊丝，通过控制机器人使激光工作头和InFocus焊枪共同运动完成焊接过程，即完成所述的激光-InFocus电弧双焦点复合焊接。
激光-InFocus电弧双焦点复合焊接是指将激光与InFocus电弧两种热源互成一定角度共同作用于一个焊接熔池的新方法，如图1所示。激光-InFocus电弧双焦点复合焊接有两种复合方式：复合方式一，激光垂直作用于母材，InFocus电弧与竖直方向呈一定角度作用于母材；复合方式二，电弧垂直作用与母材，而激光与竖直方向呈一定角度作用于母材。
InFocus技术是一种利用特殊材料设计制成的阴极，并且对阴极充分冷却，使电弧高度聚集于电极尖端，极大的提高了能量密度，电弧稳定性和电弧压力。InFocus技术具有传统的TIG焊的优点，尤其在于：(1)低投入，相比等离子弧焊、激光焊接，其设备成本大幅降低；(2)对装配要求低；(3)应用广泛，可适用于各种材料焊接，焊接参数可识别性好；(3)焊接烟尘小，飞溅小；(4)保护需求与TIG一致；(5)加工稳定性和可重复性好。
InFocus电弧受到机械压缩并优化了阴极冷却设计，使其具有一下优点：(1)电弧能量高度集中，能量利用率提高，电流峰值高达1000A，可进行匙孔焊接，焊接熔深显著增加，深宽比加大，显著提高了生产效率；(2)电弧等离子体体积减小，气体保护效果更好；(3)无磁偏吹(4)InFocus焊枪设计科学，经久耐用，耗材更换简单，且更易实现机械化和自动化。
基于此，本发明提出了一种新的激光-TIG电弧复合焊接方法——激光-InFocus电弧双焦点复合焊接。
激光-InFocus电弧双焦点复合焊接相比于激光-TIG复合焊的有益效果表现为以下几点：
1、InFocus电弧能量密度集中，电弧电流峰值可以高达1000A，相对于传统的TIG电弧400A的峰值提高了能量利用率，从而可以降低激光能量，降低生产成本。激光-InFocus电弧双焦点复合焊接可焊接中厚板，弥补了激光-TIG电弧复合焊接主要应用在薄板焊接的不足；
2、InFocus可实现高速焊接，既解决了激光-TIG复合焊接时，激光与TIG焊接速度不匹配的问题，也极大的提高了生产效率；
3、由于InFocus电弧重新设计了阴极位置，电弧受到外部约束压缩，在复合焊接过程中，等离子体受到保护气的效果更好，提高焊接质量；InFocus电弧更易实现机械化和自动化，激光-InFocus电弧双焦点复合焊接也相应地更易实现自动化，可以提高焊接效率，降低焊接成本。
附图说明
图1为激光-InFocus电弧双焦点复合焊接针对焊接激光无反射的材料的焊接示意图；
图2为激光-InFocus电弧双焦点复合焊接针对焊接激光有反射的材料的焊接示意图；
图3为采用激光-InFocus电弧双焦点复合焊接的焊缝表面成型图；
图4为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min的焊缝表面成型图；
图5为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为200mm/min的焊缝表面成型图；
图6为采用激光-InFocus电弧双焦点复合焊接焊缝宏观金相图；
图7为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min的焊缝宏观金相图；
图8为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为200mm/min的焊缝宏观金相图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
一、焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨并清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
二、利用夹具将激光头与InFocus焊枪固定，若焊接对象为对焊接激光无反射的材料，则将激光头垂直于焊接对象，调节InFocus焊枪与焊接对象角度至45～60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～3mm，两热源作用点相距1～2mm；若焊接对象为对焊接激光有反射的材料，则将InFocus焊枪垂直于焊接对象，调节激光束与水平面的夹角至45～60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～6mm，两热源作用点相距1～2mm；
三、设置焊接工艺参数:光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率500～5000W；电弧电流为50～1000A，焊接速度为50～900mm/min，保护气采用Ar气，保护气流量为10～30L/min；
四、采用机器人集成系统控制步骤三设置的焊接工艺参数，首先采用InFocus电弧起弧，在电弧稳定1～2S后，向激光束和电弧相互作用的熔池区域送给焊丝，通过控制机器人使激光工作头和InFocus焊枪共同运动完成焊接过程，即完成所述的激光-InFocus电弧双焦点复合焊接。
本实施方式的InFocus焊接采用Kjellberg公司生产的InFocus 1000A型号的焊机。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的坡口加工是指加工成双V型坡口、双U型坡口、双Y型坡口或带钝边双U型坡口。其他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不同的是：步骤二中所述的对焊接激光无反射的材料为普通碳钢、低合金钢、TC4钛合金或铜基铁基金属基复合材料。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离均为5mm，两热源作用点相距1～2mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率1000～5000W；电弧电流为200～1000A，焊接速度为100～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为15～30L/min。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率2000～5000W；电弧电流为500～1000A，焊接速度为300～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率3000～5000W；电弧电流为700～1000A，焊接速度为500～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为25～30L/min。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率4000～5000W；电弧电流为800～1000A，焊接速度为700～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为28～30L/min。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率4500～5000W；电弧电流为900～1000A，焊接速度为800～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为28～30L/min。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：对焊接激光有反射的材料为铝合金。其他与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
分别采用激光-InFocus电弧双焦点复合焊接与激光-TIG复合焊接方法来焊接5mm厚的2219铝合金。
实施例1
本实施例激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法操作如下：
步骤一：焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口，钝边厚度为4mm，并对加工后的坡口及两侧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:采用激光-InFocus电弧双焦点复合焊接5mm厚2219铝合金，利用夹具将激光头与InFocus焊枪刚性固定，由于铝合金表面反射率较大，为避免激光被熔池近距离反射经光路系统返回激光器内部损坏激光器，采用复合方式二，此时，将InFocus焊枪垂直于母材，激光束与水平面的夹角约为60°，保证InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离约为5mm，两热源作用点相距1～2mm，离焦量设定为0mm，激光功率1500W，电弧电流在700A左右，焊接速度在500mm/min，保护气采用Ar气，流量在25L/min，在焊接中，首先InFocus电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，在激光束和电弧相互作用的温度最高的区域送给焊丝，使得焊丝能够迅速熔化，最后控制机器人使得激光工作头和InFocus焊枪共同运动完成焊接过程；
步骤三:采用激光-TIG电弧复合焊接5mm厚2219铝合金，其焊接系统的组装与激光-InFocus电弧双焦点复合焊接类似，焊接过程参见步骤二，焊接中，离焦量设定为0mm，激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min和200mm/min，保护气采用Ar气，流量在25L/min。
图3，图6为采用激光-InFocus焊接方式，在激光功率为1500W，电弧电流为700A，焊接速度为500mm/min时焊缝表面成型和宏观金相。图4，图7为采用激光-TIG电弧复合焊接方式，在激光功率为3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min焊缝表面成型和宏观金相。图5，图8为采用激光-TIG电弧复合焊接方式，在激光功率为3500W，电弧电流为250A，焊接速度为200mm/min焊缝表面成型和宏观金相。
可以看出，当采用激光-InFocus焊接方法时，电弧电流峰值可以高达700A，InFocus电弧能量密度集中，可以实现匙孔焊接，与激光复合后可以实现双焦点焊接，从而可以降低激光能量，降低生产成本。从图3，图6看出，表面成形平整美观、均匀一致，宏观金相检查也没有明显的缺陷，在焊接5mm厚2219铝合金时焊接效果较好。
传统的TIG电弧等离子体体积较大，能量密度低，使得焊缝熔深较浅，在焊接较厚板时则需要激光功率较大。图4，图7为采用激光-TIG电弧复合焊接方式，在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min的焊缝表面成型和宏观金相。可以看出，当焊接速度为500mm/min时，焊缝表面鱼鳞状花纹紊乱，说明在焊接过程中激光与电弧复合过程稳定性不能得到保证，导致焊接稳定性较差，纵截面表面表明其未能焊透，说明焊接线能量不足不能使焊缝完全熔透。较低焊接速度，其效果如图5，图8所示，此时，焊接效果与激光-InFocus焊接类似，但焊缝正面宽度较大，这是由于速度减小后，焊缝上部热输入较大，使金属大量熔化。在降低了焊接速度后，相比于激光-InFocus复合双焦点焊接，其焊接效率较低。
综上所述，激光-InFocus复合双焦点焊接方法是一种成本较低高效的中厚板焊接方法。
Claims (10)
1.一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨并清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
二、利用夹具将激光头与InFocus焊枪固定，若焊接对象为对焊接激光无反射的材料，则将激光头垂直于焊接对象，调节InFocus焊枪与焊接对象角度至45～60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～3mm，两热源作用点相距1～2mm；若焊接对象为对焊接激光有反射的材料，则将InFocus焊枪垂直于焊接对象，调节激光束与水平面的夹角至45～60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～6mm，两热源作用点相距1～2mm；
三、设置焊接工艺参数:光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率500～5000W；电弧电流为50～1000A，焊接速度为50～900mm/min，保护气采用Ar气，保护气流量为10～30L/min；
四、采用机器人集成系统控制步骤三设置的焊接工艺参数，首先采用InFocus电弧起弧，在电弧稳定1～2S后，向激光束和电弧相互作用的熔池区域送给焊丝，通过控制机器人使激光工作头和InFocus焊枪共同运动完成焊接过程，即完成所述的激光-InFocus电弧双焦点复合焊接。
2.根据权利要求1所述的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于步骤一中所述的坡口加工是指加工成双V型坡口、双U型坡口、双Y型坡口或带钝边双U型坡口。
3.根据权利要求1所述的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于步骤二中所述的对焊接激光无反射的材料为普通碳钢、低合金钢、TC4钛合金或铜基铁基金属基复合材料。
4.根据权利要求1所述的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。
5.根据权利要求1所述的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于步骤二中所述的InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离均为5mm，两热源作用点相距1～2mm。
6.根据权利要求1所述的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率1000～5000W；电弧电流为200～1000A，焊接速度为100～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为15～30L/min。
7.根据权利要求6所述的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率2000～5000W；电弧电流为500～1000A，焊接速度为300～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min。
8.根据权利要求7所述的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率3000～5000W；电弧电流为700～1000A，焊接速度为500～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为25～30L/min。
9.根据权利要求8所述的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率4000～5000W；电弧电流为800～1000A，焊接速度为700～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为28～30L/min。
10.根据权利要求9所述的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，其特征在于步骤三中所述的光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率4500～5000W；电弧电流为900～1000A，焊接速度为800～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为28～30L/min。
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