CN105618933B - 一种高效高质的激光‑微弧等离子复合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种高效高质的激光‑微弧等离子复合焊接方法，其特点是：选取厚度为1‑4mm的轻金属结构材料作为待焊工件；然后将激光束和等离子电弧结合并集成于同一把焊枪中；然后将聚焦的激光束和等离子电弧共同作用在同一点并直接作用于待焊工件上形成同一熔池；并将氩气作为等离子发生气体和焊接保护气体。本发明由于采用了将激光和微弧等离子复合进行焊接，通过激光和等离子的共同作用可改善激光吸收条件，增加了金属对热源的吸收效率，提高整个过程的有效作用，可以有效地提高焊接速度，减小焊缝和热影响区，从而提高接头的强度和冲击韧性，还降低了焊接零件的残余应力，而且节约了设备成本，同时能够增加等离子放电的稳定性，改善焊接接头质量并保持接头质量稳定。

Description

一种高效高质的激光-微弧等离子复合焊接方法
技术领域
本发明涉及材料加工工程技术领域，具体是涉及一种可用于焊接如铁路车厢零件、汽车车身、火箭外壳等各种轻质金属结构件的高效高质的激光-微弧等离子复合焊接方法。
背景技术
等离子焊接方法是将气体通过电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧，将其作为焊接热源的一种焊接方法。通过气动力压缩效应，提高等离子反极性直流中反极性电弧的熔化能力，增加喷嘴和零件间电弧的燃烧。同等条件下采用异极脉冲等离子焊接可以获得质量更好的焊缝，主弧正极性脉冲电流作用可以增加电弧的熔化能力，而主弧反极性脉冲电流作用则可破坏金属表面氧化膜（如Al2O3）。等离子焊接在焊接效率和焊接质量上都优于传统的TIG焊接。然而，激光焊接具有更高的焊接效率，同时焊缝和热影响区宽度较小，焊接结构件的残余应力较小。不过，激光焊接不仅对工件装配要求高，在焊接铝合金这种高热导材料时，由于工件表面的高反射率，导致激光熔透率较低，造成焊接效率低。高热导材料焊接时需要更高的激光功率，这将提高材料加工成本，不利于工业化生产。
现有技术中，申请号为201210357600.4名称为“一种激光-等离子弧双面复合焊接方法”的中国专利申请，也采用了激光-等离子弧进行复合焊接，该法是分别将激光和等离子弧置于工件上下方同时进行焊接。但是，该法只是将两种电源单纯叠加，只能达到“1+1”效果，没有利用激光和等离子弧互相影响的复合效应，达到“>1+1”的效果，并不是真正的复合焊接。另一申请号为200910165663.8 名称为“微束等离子弧和激光复合焊接方法”的中国专利申请，是将15-30A等离子弧焊枪和激光焊枪平行垂直于待焊工件固定，采用工件移动的方式进行复合焊接。该法两热源平行，两束热源之间存在距离，虽简化控制工艺，但减弱了复合焊效果。另一申请号为201510412092.9名称为“一种中厚度镁合金的激光-变极性等离子复合焊接方法” 的中国专利申请，是针对中厚（10mm-50mm）镁合金板，采用激光焊枪垂直，等离子枪倾斜的组合进行复合焊接，但是两束热源之间也存在距离，无法实现真正的复合效应。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种能够适应不同领域的金属材料焊接需求的高效高质的激光-微弧等离子复合焊接方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高效高质的激光-微弧等离子复合焊接方法，其特点是：包括以下步骤：
1）选取厚度为1-4mm的轻金属结构材料作为待焊工件；
2）将激光束和等离子电弧结合并集成于同一把焊枪中；
3）将聚焦的激光束和等离子电弧共同作用在同一点并直接作用于待焊工件上形成同一熔池；
4）设置焊接速度为30-300m/h；
5）将氩气作为等离子发生气体和焊接保护气体。
其中，所述激光束采用由功率为1000W的连续或碟片或光纤或CO2或Nd:YAG激光器产生的激光脉冲光束。
所述等离子电弧采用10-100A正极性和5-80A反极性的异极脉冲电流电源。
所述等离子电弧的中轴线位于焊炬中轴线的一侧，所述激光束的中轴线位于焊炬中轴线的另一侧；且在焊接的过程中，等离子电弧位于前面，激光束位于后面。
所述激光束的中轴线与焊炬中轴线之间的夹角为5-20°，所述等离子电弧的中轴线与焊炬中轴线之间的夹角为30-40°。
所述激光束焦点离焦量为0-1mm。
本发明由于采用了将激光和微弧等离子复合进行焊接，采用能量密度高、指向性好的等离子弧作为第二热源与激光复合可以实现薄板的高速、精密焊接，且在焊接过程中无熔滴过渡过程、无飞溅，因此在焊接薄板时具有优势，虽然本发明技术原理与现有的激光-电弧复合焊接接近，但本发明的效果更好，两者具有本质的区别，因为激光和等离子复合焊接不是对两种热源的简单叠加，而是产生复合效应，即激光束作用导致焊接材料蒸发可改善电击穿条件（蒸发金属并形成离子蒸气），等离子弧在同一位置形成，将施加压力压缩工件表面的电弧尺寸，使其大小接近激光束直径，从而在其作用区域会形成小孔，优化了激光束的吸收条件，由于大部分激光束被吸收，小孔深度加大，可改善等离子作用。由于激光和等离子共同作用可改善激光吸收条件，增加金属对热源的吸收效率，提高整个过程的有效作用，因此通过本发明可以有效地提高焊接速度，减小焊缝和热影响区，从而提高接头的强度和冲击韧性，还降低了焊接零件的残余应力，而且节约了设备成本，同时本发明能够增加等离子放电的稳定性，改善焊接接头质量并保持接头质量稳定。由于本发明是将激光束和等离子电弧集成于同一焊枪上，这样既提高了焊接效率，又提高了焊接精度和灵活性。
而且，本发明中，激光束的中轴线与焊炬中轴线成5-20°角，这样既可以避免发射的激光束影响激光器，又可以避免焊接过程中产生的飞溅物污染激光器。同时，等离子电弧的中轴线与焊炬中轴线成30-40°角，这样可以避免反射的激光束影响用于产生等离子电弧的钨电极。
并且，本发明与单独激光焊相比，可显著提高焊接速度和大间隙适应能力，能有效地减少气孔和热裂纹，改善焊缝成形质量，可应用于剪裁拼板焊、涂层钢的搭接焊、填丝焊、薄板高速焊及表面合金化，而且适合于低碳钢、不锈钢及铝合金等材料的焊接，并且能用于立焊。而且采用本发明，假如维持激光功率不变，激光与金属相互作用效果将会显著增加，假如维持单独激光焊接效果，则需要的激光功率密度为原来的一半。因此，从成本角度考虑，在获得相同效果的条件下，本发明焊接耗电量降低15%-20%，运行成本降低至少30%；复合焊接设备相对于单独激光焊接设备，成本降低20%。因此，本发明可以在大幅降低成本的基础上，又能获得高质量的焊缝，而且可适用于不同领域例如：铁路车厢、汽车车身、火箭外壳等各种轻金属薄板结构的焊接。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明所述焊枪的结构示意图。
图2 为1.4mm铝合金采用微弧等离子焊接与本发明所述复合焊接的效果对比图。
图3 为1.4mm铝合金采用激光焊接与本发明所述复合焊接的效果对比图。
图4为采用本发明焊接的力学性能对比图。
具体实施方式
本发明所述的高效高质的激光-微弧等离子复合焊接方法，包括以下步骤：
1）选取厚度为1-4mm的轻金属结构材料作为待焊工件；
2）将激光束和等离子电弧结合并集成于同一把焊枪中，该焊枪的结构如图1所示；其中，激光束采用由功率为1000W的连续或碟片或光纤或CO2或Nd:YAG激光器产生的激光脉冲光束；同时，等离子电弧的电源采用10-100A正极性和5-80A反极性的异极脉冲电流电源。而且，如图1所示，等离子电弧的中轴线2位于焊炬中轴线3的一侧，激光束的中轴线1位于焊炬中轴线3的另一侧；且在焊接的过程中，等离子电弧位于前面，激光束位于后面；同时，激光束的中轴线1与焊炬中轴线3之间的夹角α为5-20°，等离子电弧的中轴线2与焊炬中轴线3之间的夹角β为30-40°；
3）将聚焦的激光束和等离子电弧共同作用在同一点并直接作用于待焊工件上形成同一熔池；而且，激光束焦点离焦量为0-1mm；
4）设置焊接速度为30-300m/h；
5）将氩气作为等离子发生气体和焊接保护气体。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例一：
厚度δ=1.4mm 的Al合金（АМг6）板材对接焊对比试验
1） 激光焊接：连续光纤激光束P=400W，焊接速度为30m/h，熔深是0.1-0.3mm；
2）微弧等离子焊接：脉冲模式，正极脉冲可熔化金属，而反极脉冲则可阴极清洗铝合金表面氧化膜。正极电流І正极=30 А，反极电流І反极=10 А，正极脉冲持续时间τ正极=20 ms，反极脉冲持续时间τ反极=10 ms，电弧电压U=19 V，焊接速度为30m/h ，氩气作为等离子发生气体用量为3 l/min，作为保护气用量为9 l/min。焊接效果，如图2中的a所示；
3）激光-微弧等离子复合焊接：结合了以上激光和微弧等离子焊接的工艺参数，焊接速度提高到150m/h（原来效率的5倍）。焊接效果，如图2中的b所示。
试验结果对比：微弧等离子焊所得的对接焊缝上表面宽度约2.7mm，下表面宽度约0.7mm，热影响区大小约0.27mm。复合焊接所得的对接焊缝上表面宽度约1.9mm，下表面宽度约0.46mm，热影响区大小约0.08mm。实验证明，将两种热源进行复合后进行焊接，不是简单的叠加效果，而是能大幅提高焊接速度，同时减少焊缝宽度和热影响区。
实施例二：
厚度δ=1.4mm 的Al合金（АМг6）板材对接焊对比试验
1）激光焊接：连续光纤激光束P=400W，焊接速度为110m/h。焊接效果，如图3中的a所示；
2）激光-微弧等离子复合焊接：脉冲模式，正极电流І正极=12 А，反极电流І反极=7А，正极脉冲持续时间τ正极=30 ms，反极脉冲持续时间τ反极=10 ms，电弧电压U=16 V，氩气作为等离子发生气体用量为3 l/min，作为保护气用量为9 l/min，焊接速度为170m/h ，P=400W，焦点出现在样品表面。焊接效果，如图3中的b所示。
试验结果对比：激光焊焊缝尺寸很小，速度太快，成型不好。复合焊焊缝上表面宽度为1.14mm，下表面宽度为0.39mm，热影响区宽度为0.05mm。实验证明，激光复合微弧等离子进行焊接能提高速度的同时，得到焊缝成型良好且焊缝宽度小的接头。
实施例三：
厚度δ=3 mm 的Al合金（АМг3 和 АМг6）板材性能试验
激光-微弧等离子复合焊接：脉冲模式，正极电流І正极=50-60 А，反极电流І反极20-30 А，正极脉冲持续时间τ正极=20 ms，反极脉冲持续时间τ反极=10 ms，电弧电压U=20V，氩气作为等离子发生气体用量为3 l/min，作为保护气用量为9 l/min，焊接速度为50m/h ，P=1000W，焦点出现在样品表面下0.5mm。
两种材料的拉伸试样根据标准切样测试拉伸强度σв。结果表面，与母材金属相比，АМг3合金接头强度超过母材金属的80%，而АМг6合金则超过90%。
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 (4)

1.一种高效高质的激光-微弧等离子复合焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）选取厚度为1-4mm的轻金属结构材料作为待焊工件；
2）将激光束和等离子电弧结合并集成于同一把焊枪中，所述等离子电弧的中轴线位于焊炬中轴线的一侧，所述激光束的中轴线位于焊炬中轴线的另一侧；且在焊接的过程中，等离子电弧位于前面，激光束位于后面，所述等离子电弧采用10-100A正极性和5-80A反极性的异极脉冲电流电源；
3）将聚焦的激光束和等离子电弧共同作用在同一点并直接作用于待焊工件上形成同一熔池；
4）设置焊接速度为30-300m/h；
5）将氩气作为等离子发生气体和焊接保护气体。
2.根据权利要求1所述的高效高质的激光-微弧等离子复合焊接方法，其特征在于：所述激光束由功率为1000W的碟片或光纤或CO2或Nd:YAG激光器产生。
3.根据权利要求1所述的高效高质的激光-微弧等离子复合焊接方法，其特征在于：所述激光束的中轴线与焊炬中轴线之间的夹角为5-20°，所述等离子电弧的中轴线与焊炬中轴线之间的夹角为30-40°。
4.根据权利要求1所述的高效高质的激光-微弧等离子复合焊接方法，其特征在于：所述激光束焦点离焦量为0-1mm。
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