CN107803593A - 一种高频‑激光填丝复合焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频焊与激光填丝焊的复合焊接方法及装置，该方法结合高频焊和激光填丝焊，被焊工件预留一定间隙，激光填丝焊接同时对母材馈入高频电流，利用高频电流强烈的趋肤效应和邻近效应，使熔池及熔池前沿的焊缝两侧母材产生高频电阻热，将一部分焊接能量直接馈入母材待焊面，可在较低热输入下显著改善激光填丝焊的反面成型，增加激光填丝焊的焊透深度，提高焊接效率（焊接速度）。所述的复合焊接装置包括焊接平台，高频馈电接触电极，激光焊接头，待焊工件，高频电源，焊丝。该焊接方法及其装置亦可用于异种金属对接熔钎焊，高频的预热作用有助于钎剂熔化并去除工件表面氧化膜，有利于焊接成形以及减少焊接缺陷。

Description

一种高频-激光填丝复合焊接装置及方法

技术领域

本发明属于技术材料加工焊接技术领域，具体涉及一种高频-激光填丝复合焊接装置及方法。

背景技术

激光焊是20世纪70年代兴起的一种高效焊接技术。它利用高能量密度的激光作为热源，对焊件进行熔化形成焊接接头，是一种高效精密的焊接方法。传统的激光焊采用无间隙焊接，对待焊件的表面处理要求高，工件装配要求严格。同时，激光焊的热输入较低，焊缝金属冷却速度大，高强度合金接头容易在焊后产生较大的残余应力，甚至在焊缝中产生冷却裂纹。再者，由于大功率激光器造价昂贵，因此通常工业生产的激光焊接能力有限，厚板焊接往往出现未焊透等缺陷。为改善这些问题，在焊接厚度较大的板材以及高强度钢、铝等材料时，往往采用激光填丝焊，甚至采用多道焊的形式焊接厚板，避免焊接缺陷，同时通过调整填充金属的成分改善焊缝组织，降低焊缝硬度，提高接头性能。

然而，激光填丝焊由于一大部分激光能量要用于熔化焊丝，在焊接中形成小孔深熔焊的难度大大增加。相较于直接激光焊，激光填丝焊不得不采用更大的激光功率以保证焊丝的稳定熔化和焊缝的良好熔合，对激光器功率的要求大幅增加，相同激光功率条件下，只能牺牲焊接速度来保证足够的熔深和焊缝质量，失去了激光焊固有的诸如高速、高效、能量密度高等优势。

专利（CN103464909A）提出了利用高频感应加热辅助激光焊接的方法焊接管材。该发明利用激光焊接头前后的两个感应线圈分别对焊接管件进行焊前预热以及激光焊后加热减缓冷却速度，降低直接使用激光焊接造成的气孔以及裂纹等缺陷，其中两个感应线圈分别在激光焊接头前后的工件内部形成感应电流，利用感应电流产生的电阻热加热线圈范围内的整段管件。该方法实质为高频加热辅助激光非填丝焊接精密管件，焊接过程需要挤压辊的辅助，且该方法不能应用于平板对接。同时，该发明中所述的激光焊为激光非填丝焊，被焊管件不能预留间隙，加热区域为线圈范围内的整段管材，对母材热影响范围大，更重要的是，该发明并未利用传统高频焊中高频电流的趋肤效应和邻近效应的原理使感应电流集中于工件的待焊面，不属于激光焊与高频焊的复合焊接方法。针对平板对接，专利（CN1554510A）提出了一种利用高频感应加热辅助激光焊接的装置及方法。利用焊缝上方的感应线圈对线圈范围内的焊缝及焊缝附近的母材进行加热，用以提高激光焊接的生产效率和焊接质量。该发明中，感应线圈的轴心垂直于工件，高频感应涡流产生于感应线圈下方的母材内部，电流分布范围为整个线圈投影面，板材热影响区大，未利用传统高频焊中高频电流的趋肤效应和邻近效应的原理使感应电流集中于焊缝母材端面，也不属于激光填丝焊与高频焊的复合焊接方法。上述发明专利在原理上均未利用高频电流的邻近效应和趋肤效应，加热范围涉及整个母材而不是限于熔池和焊缝侧壁，对母材热影响大，加热效率较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种高频-激光填丝复合焊接装置，所述装置包括包括焊接平台、激光焊接头、焊丝和两块待焊工件，所述焊接平台中部设有空槽，所述两块待焊工件平行焊接平台的空槽，并置于空槽对称两侧，所述两块待焊工件之间预留焊接间隙，所述的激光焊接头和焊丝均位于焊接间隙正上方；

进一步地，所述装置还包括高频馈电接触电极和高频电源，所述高频馈电接触电极为两个接触电极，所述两个接触电极均与高频电源连接；

进一步地，所述两个接触电极为滑块式或滚轮式，所述两个接触电极的材质为铜或导电性能优异的金属或合金，所述两个接触电极在焊接方向上位于电弧焊枪之前，在焊接过程中与激光焊接头同步运行；

进一步地，所述装置在焊接直缝管材时，管材焊缝需预留待焊间隙，高频电流的馈入形式可以通过高频感应线圈进行感应式馈入，通过高频感应的形式在工件内部形成高频感应电流，利用高频电流的邻近效应和趋肤效应使电流聚集在焊点及焊点前沿的一段焊缝侧壁上，对熔池及熔池前沿焊缝进行集中加热，所述高频感应线圈为中空铜管，通水冷却，其与被焊管件同轴，在焊接方向上位于激光焊接头之前，在焊接过程中与激光焊接头同步运行；

进一步地，所述高频电源的频率范围为50~1000kHz；

进一步地，所述激光焊接头相反于焊丝另一端连有激光发生器，所述激光发生器种类包括固体激光器和气体激光器；

进一步地，高频电流可通过两个接触电极从工件正面或反面馈入，两个接触电极的对称中心与激光焊接头中心的距离为1~30cm；

进一步地，一种高频-激光填丝复合焊接方法，所述方法结合高频焊和激光填丝焊，激光填丝焊接同时对母材馈入高频电流，利用高频电流强烈的趋肤效应和邻近效应，使熔池及熔池前沿的焊缝两侧母材内部产生高频电阻热，将一部分焊接能量直接馈入母材待焊面，从而增加激光填丝焊接的熔深，加强侧壁的熔合，提高焊接效率；

进一步地，所述方法包括以下步骤：

（1）将被焊工件安置于工作台上，保留0.5-0.8mm的焊缝间隙，使激光焊接头处于焊缝间隙正上方，同时焊缝平行于焊接平台的空槽；

（2）激光焊接头置于焊缝间隙中心上方，将两个接触电极分别压紧至两块被焊工件上形成良好接触并与激光焊接头保持相同距离；

（3）焊接开始时，首先送进焊丝，打开激光焊接头，形成焊点导通两块工件；此时开起高频电源将高频电馈入工件，保持激光焊接头与接触电极空间同步运行；

（4）当接触电极运行至工件端部时，切断高频电源，保持激光焊接头继续运行；

（5）当激光焊接头运行至工件端部时，切断激光器电源，完成焊接过程；

本发明的有益效果如下：

1）本发明通过高频电流的趋肤效应和邻近效应，在两块工件的待焊侧面产生集中于表面的电阻热，相较于感应加热辅助的激光焊接，本发明中高频电流的热量可以集中产生于焊缝侧壁以及熔池，并且更加直接迅速，可降低激光填丝焊对激光功率的要求，增强激光填丝焊的焊接能力，提高焊接效率（焊接速度）；

2）相较于传统高频焊，本发明为熔化焊接而非固相焊接，焊接接头缺陷较少且更为可靠，焊接过程中无需顶锻压力的辅助便可实现连接，因此可以被应用于平板、管件等多种形式工件的焊接；

3）在不破坏激光焊高能量密度特点的前提下，高频接触加热集中于焊缝侧壁，可以减小熔深方向上的温度梯度（高频电流从反面馈入时作用更为明显），与激光焊接小孔相辅相成，有利于小孔的激光束与小孔侧壁的“侧壁聚焦效应”，可提高焊缝深宽比，可进一步增强焊接能力；

4）本发明可应用于金属材料、复合材料、非金属导电材料等领域的同种材料熔化焊、钎焊以及异种材料熔钎焊连接中；

5）高频电流加热的区域包含了焊接熔池前方一定范围，对于异种金属熔钎焊尤其是使用钎剂的焊接过程有一个预热作用，通过高频电流的高效高速预热，可以让熔池前方的母材温度又一个明显的温升，同时钎剂得以在激光经过之前熔化，对母材表面去膜，从而有利于钎料金属在母材上的润湿铺展。同时，高频电流加热集中于焊缝侧壁和熔池，加热速率极高，可保证高速焊接下钎剂充分地熔化和钎料的润湿铺展，大幅度提高熔钎焊的稳定性和焊接效率；

6）在异种金属熔钎焊中，产生的高频电阻热与两种母材的电阻率相关，往往有很大区别，将不同的高频功率与激光功率进行组合可以获得两种母材各种不等比例的热输入，从而满足异种金属熔钎焊时两种母材对热输入的不同要求。

附图说明

图1为本发明所述的高频接触-激光填丝复合焊接装置的结构示意图；

其中，焊接平台1、高频馈电接触电极2、激光焊接头3、 被焊工件4、 工件待焊间隙5、高频电源6、 焊接平台空槽7、焊丝8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1所示，本发明提供一种高频-激光填丝复合焊接装置，所述装置包括包括焊接平台、激光焊接头、焊丝和两块待焊工件，所述焊接平台中部设有空槽，所述两块待焊工件平行焊接平台的空槽，并置于空槽对称两侧，所述两块待焊工件之间预留焊接间隙，所述的激光焊接头和焊丝均位于焊接间隙正上方，所述装置还包括高频馈电接触电极和高频电源，所述高频馈电接触电极为两个接触电极，所述两个接触电极均与高频电源连接，所述两个接触电极为滑块式或滚轮式，所述两个接触电极的材质为铜或导电性能优异的金属或合金，所述两个接触电极在焊接方向上位于电弧焊枪之前，在焊接过程中与激光焊接头同步运行，所述装置还包括高频感应线圈，在焊接直缝管材时，管材焊缝需预留待焊间隙，高频电流的馈入形式为感应式馈入，通过高频感应的形式在工件内部形成高频感应电流，利用高频电流的邻近效应和趋肤效应使电流聚集在焊点及焊点前沿的一段焊缝侧壁上，对熔池及熔池前沿焊缝进行集中加热，所述高频感应线圈为中空铜管，通水冷却，其与被焊管件同轴，在焊接方向上位于激光焊接头之前，在焊接过程中与激光焊接头同步运行，所述高频电源的频率范围为50~1000kHz，所述激光焊接头相反于焊丝另一端连有激光发生器，所述激光发生器种类包括固体激光器和气体激光器，高频电流可通过两个接触电极从工件正面或反面馈入，两个接触电极的对称中心与激光焊接头中心的距离为1~30cm。

一种高频-激光填丝复合焊接方法，所述方法结合高频焊和激光填丝焊，激光填丝焊接同时对母材馈入高频电流，利用高频电流强烈的趋肤效应和邻近效应，使熔池及熔池前沿的焊缝两侧母材内部产生高频电阻热，将一部分焊接能量直接馈入母材待焊面，从而增加激光填丝焊接的熔深，加强侧壁的熔合，提高焊接效率，所述方法具体包括以下步骤：

（1）将被焊工件安置于工作台上，保留0.5-0.8mm的焊缝间隙，使激光焊接头处于焊缝间隙正上方，同时焊缝平行于焊接平台的空槽；

（2）激光焊接头置于焊缝间隙中心上方，将两个接触电极分别压紧至两块被焊工件上形成良好接触并与激光焊接头保持相同距离；

（3）焊接开始时，首先送进焊丝，打开激光焊接头，形成焊点导通两块工件；此时开起高频电源将高频电馈入工件，保持激光焊接头与接触电极空间同步运行；

（4）当接触电极运行至工件端部时，切断高频电源，保持激光焊接头继续运行；

（5）当激光焊接头运行至工件端部时，切断激光器电源，完成焊接过程。

如图1所示，本发明利用激光熔化焊丝形成熔池，使高频电流在两块工件中导通形成回路。形成回路时，任意时刻被焊工件的待焊面两侧电流方向相反，在高频电流趋肤效应和邻近效应的作用下，高频电流仅沿着待焊表面流动，并流经焊接熔池，产生高频电阻热集中于这些区域。对于不同材质的被焊工件，可以通过调节接触电极与激光焊接头之间的距离调整预热范围。对于异种金属的熔钎焊，高频电流在母材内部产生的高频电阻热与两种母材的电阻率相关，往往有很大区别，将不同的高频功率与激光功率进行组合可以获得两种母材各种不等比例的热输入，从而满足异种金属熔钎焊时两种母材对热输入的不同要求。

高频馈电接触电极2可由铜或其他导电性能优异的金属或合金制造，与传统高频接触焊电极相似，接触面积取决于使用电流的大小，一般在50mm²以上，大电流馈入应适当增大接触面积，减小接触电阻。高频电源的输出电流频率范围100KHz-1MHz，频率越高，趋肤效应和邻近效应越明显。对于较厚的工件，可以适当降低频率，使厚度方向上加热更加均匀。对于不同材质的工件，若热导率都较好，则应增大频率，减小热量的扩散；若热导率均较差，则可以降低频率，保证均匀性；若异种母材的热导率相差较大，则以板厚情况选择频率进行焊接。一般情况下，热导率较差的金属，电阻率也相应较大，产生的高频电阻热较多，在两种母材热导率相差较大的情况下，大部分的热量产生于热导率差的母材上，与热传导性质的电弧焊接形成有效互补。

下面以3mm厚碳钢Q235-b对接焊为例，进一步说明本发明的具体实施方法以及详细参数：工件待焊面间距控制在0.5mm，焊接速度20mm/s（1200mm/min），高频电源输出电流频率600kHz，阳极电压5kV（高频电流从反面馈入时，阳极电压4kv），阳极电流1.5A（高频电流从反面馈入时，阳极电流1.3A），激光器输出功率3000W，离焦量+1mm，送丝速度3m/min，焊丝为直径1.0mm的ER50-6焊丝。依据上述方法可以获得结合优良成形美观的3mm碳钢对接接头。具体焊接流程如下：

（1）对被焊工件的待焊面以及上表面电极接触位置进行打磨，去除氧化皮，油污严重的工件应进行相应的酸洗和碱洗，清洗后用酒精擦拭晾干待用。

（2）调整被焊工件4待焊面间距5至0.5mm，并使焊缝平行于激光焊接头3和高频接触电极2的焊接行程，利用工装压紧待焊工件于焊接平台1上。激光焊接头3置于焊缝中心上方，两个高频馈电接触电极2分别由气体压紧装置压紧至两块被焊工件4上形成良好接触并与激光焊接头3保持相同距离。

（3）焊接开始时，首先开启激光焊接头3，利用激光熔化焊丝8形成焊点导通两块工件。此时开起高频电源6将高频电馈入工件，同时开动工作台保持激光焊接系统和高频馈电接触电极2相对待焊工件同步运动。

（4）当高频接触电极2运行至工件端部时，切断高频电源，但保持激光焊接系统和高频接触电极与工件继续相对运动。

（5）当激光焊接头3运行至工件端部时，切断激光电源，完成焊接过程。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高频-激光填丝复合焊接装置，其特征在于，所述装置包括包括焊接平台、激光焊接头、焊丝和两块待焊工件，所述焊接平台中部设有空槽，所述两块待焊工件平行焊接平台的空槽，并置于空槽对称两侧，所述两块待焊工件之间预留焊接间隙，所述的激光焊接头和焊丝均位于焊接间隙正上方。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括高频馈电接触电极和高频电源，所述高频馈电接触电极为两个接触电极，所述两个接触电极均与高频电源连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述两个接触电极为滑块式或滚轮式，所述两个接触电极的材质为铜或导电性能优异的金属或合金，所述两个接触电极在焊接方向上位于电弧焊枪之前，在焊接过程中与激光焊接头同步运行。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置在焊接直缝管材时，管材焊缝需预留待焊间隙，高频电流的馈入形式可以通过高频感应线圈进行感应式馈入，通过高频感应的形式在工件内部形成高频感应电流，利用高频电流的邻近效应和趋肤效应使电流聚集在焊点及焊点前沿的一段焊缝侧壁上，对熔池及熔池前沿焊缝进行集中加热，所述高频感应线圈为中空铜管，通水冷却，其与被焊管件同轴，在焊接方向上位于激光焊接头之前，在焊接过程中与激光焊接头同步运行。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述高频电源的频率范围为50~1000kHz。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光焊接头相反于焊丝另一端连有激光发生器，所述激光发生器种类包括固体激光器和气体激光器。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，高频电流可通过两个接触电极从工件正面或反面馈入，两个接触电极的对称中心与激光焊接头中心的距离为1~30cm。

8.一种高频-激光填丝复合焊接方法，基于上述权利要求1-7之一所述的装置，其特征在于，所述方法结合高频焊和激光填丝焊，激光填丝焊接同时对母材馈入高频电流，利用高频电流强烈的趋肤效应和邻近效应，使熔池及熔池前沿的焊缝两侧母材内部产生高频电阻热，将一部分焊接能量直接馈入母材待焊面，从而增加激光填丝焊接的熔深，加强侧壁的熔合，提高焊接效率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）将被焊工件安置于工作台上，保留0.5-0.8mm的焊缝间隙，使激光焊接头处于焊缝间隙正上方，同时焊缝平行于焊接平台的空槽；

（2）激光焊接头置于焊缝间隙中心上方，将两个接触电极分别压紧至两块被焊工件上形成良好接触并与激光焊接头保持相同距离；

（3）焊接开始时，首先送进焊丝，打开激光焊接头，形成焊点导通两块工件；此时开起高频电源将高频电馈入工件，保持激光焊接头与接触电极空间同步运行；

（4）当接触电极运行至工件端部时，切断高频电源，保持激光焊接头继续运行；

（5）当激光焊接头运行至工件端部时，切断激光器电源，完成焊接过程。