CN108817670B - 一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，属于材料加工领域。该方法：复合焊中电弧电流恒定，激光输出恒定功率时间t1内，电弧与激光产生协同效应并清除羽辉；激光输出调制功率时间t2内电弧维持小孔存在，激光调制功率在零与P间(P为t1内的恒定功率，大于3kW)。t1和t2的选取与小孔形成时间有关，其交替频率为10～500Hz；复合方式为：激光与电弧同轴或旁轴；电弧为非熔化极惰性气体保护电弧、熔化极气体保护电弧或等离子弧；激光束为Nd:YAG激光、光纤激光或碟片式激光。该方法可大幅度的减少能量输入，焊接过程更稳定，焊缝成形更好，且几乎不影响焊接熔深；由于大幅度的降低了制造能耗，使得焊接制造过程更绿色环保。

Description

一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法
技术领域
本发明属于材料工程技术领域，涉及一种材料加工方法，尤其涉及一种复合热源能量调制材料加工方法。
背景技术
近年来，得益于工业激光技术的突破，特别是光纤激光技术的突破，其最大稳定输出功率已可达100kW。将电弧与此类高功率激光复合焊接，一方面，通过激光与电弧的相互作用产生1+1>2的协同增强特性，可获得更大的焊接熔深或更高的焊接效率。另一方面，电弧的引入可克服焊接中光斑较小的缺点，从而提高桥联性和降低装配精度要求等。另外，这类高功率激光焊接中产生的羽辉对焊接过程存在严重的负面影响，电弧的引入可烧除激光光路通道中的羽辉，故而能够显著提高焊接熔深和过程稳定性，并改善焊缝成形。
尽管高功率激光电弧复合焊技术具有上述优点，然而此类高功率激光焊接中存在能量输入过大导致熔池过热的问题，从而诱发焊接过程剧烈蒸发和飞溅、焊件变形等缺陷。将电弧与此类高功率激光复合焊接，电弧能量的引入将使焊接能量输入过大的问题更突显。因此，在这类以激光为主型的高功率激光电弧复合焊接中，需要对输入的总能量实行调制，达到即不影响焊接深度，又抑制熔池因能量过高而引入的熔池过热的问题。
研究表明深熔小孔快速形成至缓慢形成的拐点时间Tg小于焊接特征时间Tc(光斑直径除以焊接速度)。复合焊中设定：电弧电流不变、前t1(取值范围Tg～Tc)时间内激光功率恒定，激光与电弧相互作用产生协同增强效应并清除孔外羽辉，可基本不影响焊接熔深；t2(取值范围为Tc-t1～Tc)时间内降低激光功率(该时间内激光对熔深几乎没有贡献，反而导致熔池处于过热状态)，而电弧压力则可延迟小孔的闭合时间。通过降低激光的输入能量达到降低熔池中输入总能量的目的。如此周而复始的进行能量调制焊接，可明显降低激光输入能量，几乎不影响熔深，显著降低焊件变形。另外，由于高功率激光电弧复合焊接中，激光能量在总能量中占主要部分，故而该方法还可使生产过程更绿色环保。
相较于单高功率激光能量调制焊接方法，高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法除了具备激光-电弧协同增强效应、提高间隙容忍性、清除羽辉负面效应等激光电弧复合焊的固有优势外，电弧的引入还具备延长调制功率阶段小孔的闭合时间。此外，单高功率激光能量调制焊接中，功率的周期变化势必对熔池存在一定的力学冲击效应。复合焊中电弧压力的存在对稳定熔池具有明显的正面作用。
本方法在复合焊接过程中周期性地调制输入的激光能量(激光能量在高功率激光电弧复合焊中占主要部分)，在几乎不影响熔深的情况下，通过降低输入熔池中的能量，降低高功率激光电弧复合焊接中由于能量输入过大而引入的蒸发和飞溅剧烈、焊件变形严重等负面影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，适用于金属材料和非金属材料的高功率激光电弧复合焊接。
所述的高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，其特征在于：复合焊接时，激光光斑与电弧同时作用于工件表面，电弧电流不变。激光输出恒定功率时间t1与激光输出调制功率时间t2交替出现。t1时间内电弧与激光束产生协同增强效应并烧除羽辉。t2时间内电弧压力维持小孔存在。复合焊接中电弧压力降低因激光功率调制对熔池产生力学冲击效应而引入的熔池波动，稳定调制焊接过程。
所述的高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，其具体工艺参数为：电弧电流30A～300A；钨极尖端到工件的距离为1mm～5mm，保护气流量在5～50L/min。激光束与电弧的复合模式为同轴或旁轴。在旁轴模式中，光束与电弧电极之间的夹角为10°～60°；光斑作用点与电弧熔池中心之间的距离(DLA)为0.1mm～10mm。t1和t2的交替频率为10Hz～500Hz；t1取值为Tg～Tc，激光在该时间内输出恒定功率的范围3kW～100kW。t2为Tc-t1～5Tc，该时间内激光的功率为零瓦至P(P为t1时间段的恒定功率)。Tg为深熔小孔快速形成至缓慢形成的拐点时间，Tc为作用于板面的光斑直径除以焊接速度。
所述的高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，其特征在于：焊接电源为直流或者交流或者脉冲或者变极性电源；激光束光纤激光或者Nd:YAG激光或者碟片激光；电弧为非熔化极电弧(TIG电弧或者等离子体弧)或者熔化极电弧(MIG或者MAG)；焊接方法可以另外附加填充焊丝；可用于正离焦、负离焦或零离焦焊接；适用于脉冲激光焊接，但激光脉冲能量分配时间规律按如下频率变化。
复合焊接时，激光束与电弧共同作用于工件表面，电弧电流恒定，同时激光的输出功率按特定的时间比例实现调制输出；具体如下：
(a)电弧电流30A～300A，复合焊接中电流恒定；钨极尖端到工件的距离为1mm～5mm，保护气流量在5～50L/min；激光束与电弧的复合模式为同轴或旁轴；在旁轴模式中，光束与电弧电极之间的夹角为10°～60°；激光光斑作用点与电弧熔池中心之间的距离为0.1mm～10mm；
(b)激光器输出恒定功率时间t1与输出调制功率时间t2交替出现，交替频率为10Hz～500Hz；t1为Tg～Tc，该时间内恒定功率P的范围3kW～100kW；t2为Tc-t1～5Tc，该时间内激光调制功率为零瓦至P间；Tg为深熔小孔快速形成到缓慢形成的拐点时间，Tc为作用于板面的光斑直径除以焊接速度。
与现有技术相比本发明具有如下有益效果：复合焊接中，在激光功率输出恒定不变时间t1内，电弧与激光的相互作用可产生1+1>2的协同增强效应并清除激光致羽辉，明显提高能量耦合和改善焊缝成形，降低装配精度要求等；而在激光功率被调制时间t2内，电弧则可延长激光致小孔的闭合时间。此外，电弧压力的存在，可降低因功率调制而对熔池产生的力学冲击效应，稳定焊接熔池。采用能量调制焊接方法，在最佳调制的工艺参数下焊接时，可大幅度的减少熔池中输入的总能量，焊接深度几乎不变，但焊件变形大幅度减小，焊接飞溅明显减少，且焊接制造过程更绿色环保。
附图说明
图1为高功率激光电弧复合焊能量调制焊接示意图；
图2(a)为未调制激光电弧焊接焊缝表面效果图；
图2(b)为采用本发明焊接焊缝表面效果图；
图3(a)为未调制激光电弧焊接焊缝横截面图；
图3(b)为实施例得到的焊缝横截面图。
图中，1.待焊工件，2.深熔小孔，3.激光束，4.横向气帘，5.聚焦镜，6.传输光纤，7.激光器，8.数据线，9.电脑及控制软件，10.焊枪，11.焊接电源，12.熔池及焊缝。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
采用IPG YLS 6kW光纤激光(光斑直径0.33mm，零离焦)进行焊接，以2m/min速度焊接为例，根据光斑直径算得焊接特征时间Tc约为10ms。电弧电流为100A，电压为15V。针对该参数，采用8:8(t1＝8ms输出恒定激光功率6kW，t2＝8ms激光功率为零，交替频率为63Hz)激光能量调制方式，在同一块低碳钢板材上进行能量调制焊接实验。结果表明能量调制方式几乎不影响焊接熔深(见图3)。而采用8:8调制焊接时，减少了50％的激光输入能量。通过减少输入的激光能量，该工艺下在复合焊总能量中减少了40％的能量。考虑到激光的能量转换效率低于30％，且多余的热量还需额外能量支撑的水冷系统散出，采用该方法实际降低的能耗会非常高。此外，通过调制激光能量的方式降低熔池中输入的激光能量，将显著地降低熔池的过热状态，提高焊接过程的稳定性。
或者该时间内激光调制功率为零瓦至P间线性变化，或者零瓦至P间曲线变化，都能达到降低能耗的效果，并且调制激光能量的方式降低熔池中输入的激光能量，将显著地降低熔池的过热状态，提高焊接过程的稳定性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，其特征在于：复合焊接时，激光束与电弧共同作用于工件表面，电弧电流恒定，同时激光的输出功率按特定的时间比例实现周期性调制输出；具体如下：
（a）电弧电流30 A~300 A，复合焊接中电流恒定；钨极尖端到工件的距离为1 mm~5 mm，保护气流量在5 ~50 L/min；激光束与电弧的复合模式为同轴或旁轴；在旁轴模式中，光束与电弧电极之间的夹角为10°~60°；激光光斑作用点与电弧熔池中心之间的距离为0.1 mm~10 mm；
（b）激光器输出恒定功率时间t1与输出调制功率时间t2交替出现；
t1为Tg，该时间内恒定功率P的范围3 kW~100 kW；t2为Tc- t1 ~ 5 Tc，该时间内激光调制功率为零瓦；或者该时间内激光调制功率为零瓦至P间线性变化；该时间内激光调制功率为零瓦至P间任意值曲线变化；Tg为深熔小孔快速形成到缓慢形成的拐点时间，Tc为作用于板面的光斑直径除以焊接速度。
2.根据权利要求1所述的一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，其特征在于：用于复合焊接中激光束焊为正离焦、负离焦或零离焦模式。
3.根据权利要求1所述的一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，其特征在于：所述的电弧类型为TIG电弧、MIG电弧或等离子弧。
4.根据权利要求1所述的一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，其特征在于：激光类型为Nd:YAG激光、碟片式激光或光纤激光。
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