CN109202291B - 一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，根据所需的焊接对象，将脉冲激光与电弧焊接电源连接的焊枪，采用电弧焊接在前、脉冲激光在后的方式复合在一起，且脉冲激光的入射位置与电弧电极尖端之间的水平距离以及电弧电极的高度连续可调。本发明主要利用脉冲激光对电弧周期性的诱导、增强效果，强、弱电弧交替作用熔池，使得熔池中热源热量重新分配，在保证熔透的情况下，降低热输入，减小熔池金属体积及重力，增加熔池底部表面张力的作用，抑制薄板焊接容易产生的烧穿缺陷，从而有利于实现稳定高效焊接。本发明可以大幅提高薄板焊接稳定成形，显著提高加工制造效率，提高加工成形精度。

Description

一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，涉及一种薄板焊接中烧穿缺陷的抑制方法，具体而言，尤其涉及一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法。

背景技术

为适应高效生产的发展理念，自动电弧焊接技术由于其具有效率高、参数固定以及操作方便等特点，已广泛应用于各种结构件及产品的加工制造领域。然而，在采用单电弧热源对厚度小于3mm薄板对接焊时，极易产生焊接缺陷，影响了薄板自动焊接生产效率和成本。近年来研究表明，电弧熔化焊时焊缝底部的熔池行为主要受到电弧压力、熔池金属重力和表面张力的影响，只有当三力相互协调平衡时，熔池才可以保持稳定。

然而，电弧焊自身所具有的极大焊接熔池引起熔池重力加大，使得熔池底部的稳定性对受力的敏感程度提升。而作为一个动态过程的焊接，受环境影响很严重，此外，自动化焊接时参数调整的灵活性较差，因此，薄板自动焊接过程中，焊接工艺参数区间较窄，焊接环境稍许变化，很容易引起熔池受力不平衡、失稳，产生烧穿缺陷。

因此，在电弧自动化焊接过程中保证焊接熔透情况下，采用减小熔池体积和重力，对提高熔化焊接稳定性、抑制烧穿缺陷、拓宽参数选择范围对薄板高效焊接中实现烧穿抑制的目的具有重要意义。

目前，针对薄板电弧焊接过程中的熔池不稳定和烧穿现象，所采取的有效抑制方法主要有以下三种：

第一种措施：采用有间隙装配，结合薄板焊接受热易变形的特点，利用焊接时试件本身的收缩位移，使熔池前方接缝间隙始终保持在一个合理的范围内，在保证焊缝熔池液态金属桥接的同时避免薄板焊接时由于热变形引起熔池前方接缝间隙挤压产生的局部翘曲，错边，改变电弧的放电位置，造成局部过热，熔池金属重力增加，导致的烧穿。此方法局限性在于要精确控制对接间隙尺寸，实际操作工序繁琐。

第二种措施：手工或机械的电弧摆动，利用薄板焊接散热较快且对热源能量分布敏感的特点，通过电弧热源的适当摆动，降低焊接熔池液态金属的温度梯度。根据熔池温度梯度引起的剪切力以及电弧等离子体对液态金属的剪切力的共同作用下，使得熔池液态金属在竖直方向的流动性能降低，且有一定的可调节性。此方法的局限性在于其实现自动化焊接方面有很大困难，同时焊接效率较低。

第三种措施：焊接电源的脉冲波形控制，利用薄板焊接散热较快的特点，通过脉冲型焊接电源，实现了电弧等离子体对熔池液态金属的可调控式加热，同时实现了焊接低平均电流和高峰值电流的焊接过程，适当降低熔池液态金属的温度及其梯度，使得熔池液态金属的流动性降低，增加了焊接熔池的整体稳定性，但是其调节能力和范围有一定的局限性。

由此可见，单电弧热源焊接在熔池稳定性调节方面还存在着自身固有缺陷，导致制造效率低、甚至难以实现大批量自动化焊接。因此，薄板电弧自动化焊接过程中烧穿缺陷的抑制仍是制约其广泛应用的难题。

发明内容

根据上述提出的单电弧热源焊接在熔池稳定性调节方面还存在的制造效率低或难以实现自动化的技术问题，而提供一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法。本发明主要利用脉冲激光对电弧周期性的诱导、增强效果，强、弱电弧交替作用熔池，使得熔池中热源热量重新分配，在保证熔透的情况下，降低热输入，减小熔池金属体积及重力，增加熔池底部表面张力的作用。由此实现焊接熔池稳定性调控，抑制薄板焊接容易产生的烧穿缺陷，从而有利于实现稳定高效焊接，以及获得更加精确的焊接接头成形。本发明提出的熔池稳定性控制方法可以大幅提高薄板焊接稳定成形的工艺窗口，显著提高加工制造效率，提高加工成形精度。

本发明采用的技术手段如下：

一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，根据所需的焊接对象，将脉冲激光与电弧焊接电源连接的焊枪，采用电弧焊接在前、脉冲激光在后的方式复合在一起，且脉冲激光的入射位置与电弧电极尖端之间的水平距离(Dla)以及电弧电极的高度(是指电弧电极尖端到母材的垂直距离)连续可调；具体如下：

—根据实际焊接成形尺寸的需要对电弧能量与激光能量进行选择，通过对激光入射位置与电弧电极尖端水平距离(Dla)的调节，实现在选用电弧能量(是指电弧焊接时，所产生电弧热源所具有的能量)与激光能量条件下的脉冲激光对电弧焊接的增强效果；

—具有脉冲特性的激光与电弧焊接相互作用可以分为有脉冲激光作用时的强电弧焊接间段与无激光作用时的弱电弧焊接间段，通过调节脉冲频率实现对强、弱电弧焊接出现频率的周期性控制；

—当有脉冲激光作用时，通过对脉冲能量(是指平均功率与脉冲频率的商值)与脉冲宽度的调节，实现对一个周期内强电弧焊接的占空比以及强电弧焊接作用时的热输入进行控制，利用脉冲激光对电弧的周期性诱导、增强特点，构建出一个强、弱电弧交替作用熔池，且交替作用的频率及“匙孔”开口与闭合的周期和熔池后排及回填时序均可控的热源形式，熔池中热源热量重新分配，达到降低热输入，减小熔池金属体积及重力，增加熔池底部表面张力，从而抑制薄板焊接烧穿缺陷的目的。

进一步地，根据所需的焊接成形尺寸来确定电弧能量、激光能量及焊接速度，然后定热源间距，以及脉冲调控参数(脉冲宽度和脉冲频率)。电弧能量的选择应与焊接速度相匹配，原则上在所选用电弧能量与焊接速度焊接时，熔深应为母材金属板厚的1/2～2/3之间。在选用激光能量时，应保证剩余的母材金属板厚，在加入激光能量复合后，要实现板材整体熔透。

进一步地，热源间距根据复合焊接两热源的输出参数等焊接参数进行选择，具体如下：

(2.0-d_a)-(±d_v)-d_al/2≤d≤(2.0-d_a)±d_v+d_al/2 (1)

d_al＝1.4067×10^-4P²/(2.0525×10^-5P²+2.3992×10^-6I_a ³+2.3515) (2)

d_v＝(2.0101×v_w ²)/(v_w ²+519055.1188) (4)

其中：d_al为激光对电弧可以发生诱导增强作用的距离，mm；

P为激光功率，W；

I_a为电弧电流，A；

v_w为焊接速度，mm/min；

d_v为电弧放电偏离距离，mm；

d_a为电弧电流强度引起的放电位置偏移量，mm；

如果设置公式(1)中的左右两个部分分别为d₁和d₂，则满足：

d₁＝(2.0-d_a)-(±d_v)-d_al/2 (5)

d₂＝(2.0-d_a)±d_v+d_al/2 (6)

则：

d₁＜d＜d₂ (7)

如果出现d₂＜d₁，则取：d₂＜d＜d₁。

从上面分析可知，在不同的给定参数下，会出现不同的d₁和d₂的值，在对d进行优化时，只需在d₁和d₂之间取值即可。

进一步地，脉冲激光的平均功率的调节范围为200～700W，脉冲频率的调节范围为20～90Hz，脉冲宽度的调节范围为1～6ms；其中，脉冲频率与脉冲宽度决定的脉冲重叠率根据焊接速度调整，其范围为-80％～0％。

进一步地，设定强、弱电弧焊接交替作用熔池一次为电弧变化的一个周期，那么其变化的频率与脉冲激光的频率相等，强电弧焊接持续的时间比脉冲激光脉宽增加3～8ms；当脉冲激光消失后，受脉冲激光作用时后排的熔池金属需要及时的回填，且“匙孔”闭合。

进一步地，热源热量重新分配的原则为利用脉冲激光的诱导作用，确保每个周期内两热源总热输入的15.6％～20％，需要在脉冲激光作用时，以强电弧焊接状态传导给母材金属板材。

进一步地，脉冲激光与电弧焊接以旁轴方式复合在一起，两者之间用带有螺旋测微仪的滑块连接，可以实现电极高度与热源间距准确可调。为了避免焊接过程中电极与受脉冲激光作用产生波动的熔池直接接触，则电弧电极高度以电弧电极最低端高于熔池最高处1.5mm为最小值；同时，脉冲激光与垂直方向夹角为0°～20°，且焊枪与垂直方向夹角的调节范围为20°～80°。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出的利用脉冲激光对单电弧焊接时的电弧行为进行调控的方法有效抑制薄板焊接中的烧穿现象且接头成形尺寸均匀，尺寸精确性可控制在±0.3mm范围内；本发明可以保证焊接质量，降低焊接应力，提高焊接速度，显著提高焊接制造效率。

2、本发明提出的利用脉冲激光对单电弧焊接时的电弧行为进行调控的方法在焊接时一方面减少了熔池前端高温液态金属，另一方面显著增加了熔池长度，增加了熔池比表面积，有利于焊接熔池稳定。因此，既能保证焊接时熔透均匀，又能实现熔池液态金属稳定、焊接成形尺寸精确控制与调节。

3、本发明提出的利用脉冲激光对单电弧焊接时的电弧行为进行调控的方法，可采用大参数条件下电弧热源高速度的稳定焊接，可实现稳定的自动化焊接，较传统的薄板电弧焊接工艺提高焊接生产效率5倍以上。

基于上述理由本发明可在薄板自动化焊接以及中厚板打底焊接领域进行广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施案例脉冲激光―TIG复合热源焊接示意图。

图2为本发明实施案例脉冲激光―TIG复合热源焊接电弧与熔池行为示意图。

图3为本发明实施案例中脉冲激光―TIG复合热源焊接电弧行为时序图。

图中：1、熔池前方工件/母材金属；2、电弧电极；3、激光束；4、激光作用时电弧；5、无激光作用时电弧；6、已凝固焊缝金属；7、无激光作用时熔池；8、有激光作用时熔池。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

一种薄板焊接中烧穿缺陷抑制的脉冲激光调控电弧焊接方法，步骤如下：根据所需的焊接成形对象，将脉冲激光与非熔化极气体保护焊电源相连接的焊枪以一定的角度和一定的距离复合在一起后，对待焊母材金属板材进行施焊。

如图1所示，本发明根据所需的焊接成形尺寸来确定电弧焊接(电弧电极2)电流以及焊接速度，然后再确定脉冲激光束3与热源间的距离，焊枪夹角及激光的脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率等。后方激光束3采用具有脉冲特性的激光发生器。由于激光作用产生光致等离子体，光致等离子体可以与前方电弧之间产生相互吸引的电磁效应最终产生成一个强电弧(激光作用时电弧4)，同时利用激光的脉冲特性，通过调整脉冲控制参数(脉冲频率和脉冲宽度)，强电弧与弱电弧(无激光作用时电弧5)可以按照实际所需交替出现。

如图2所示，当有激光束3作用在母材金属1上时，原弱电弧被压缩吸引到激光作用点处生成强电弧，此时，能量集中作用到前方有激光作用时熔池8处，热源坚直方向的温度梯度增加，促使热量向焊缝深处传递；而当无激光束3作用时，弱电弧作用在整个无激光作用时熔池7，电弧与熔池接触面积增大，能量密度减小，热量穿透性减弱，焊缝底部金属(已凝固焊缝金属6)没有足够的热量来源出现凝固。

如图3所示，脉冲激光作用一个周期内的电弧行为时序图。以从第一排第一个图为图(1)，依次类推，图(1)-(2)为脉冲激光作用前弱电弧状态。当有激光作用时，如图(3)-(6)，此时强电弧作用熔池，激光消失后，图(7)-(22)，强电弧仍可延迟存在。图(23)-(24)为恢复后的弱电弧。强电弧的延迟效应，可以实现更多的热源能量向熔深方向传递，达到高熔化效率的效果。

实施例1：镁合金2mm结构件脉冲激光诱导电弧复合焊

2mm镁合金对接焊，脉冲激光束垂直板材表面，其中电弧与垂直方向之间的夹角β＝45°，电弧电流180A，激光采用脉冲输出模式，脉冲能量E＝9.4J，脉冲频率f＝80Hz，脉冲宽度t＝1.5ms，非熔化极保护气体焊(TIG)采用交流模式，激光作用点与电弧热源中心点之间的距离Dla＝2.0mm，焊接速度6000mm/min，采用上述工艺能够实现镁合金对接结构件成型美观、高效率、无缺陷焊接制造。

参数选择步骤：

经过初步实验，确定了激光和电弧的参数：激光参数约为脉冲能量9.4J，脉冲频率80Hz，脉冲宽度1.5ms，电弧电流约为230A。将焊接参数代入上述各式(1)～(4)中，可得d_a＝0.04mm，d_v＝0.61mm，d_al＝1.66mm。计算结果为1.74mm≤Dla≤2.18mm。因此，本实验拟将Dla＝2.0mm作为最佳热源间距。

实施例2：合金2mm结构件脉冲激光诱导电弧复合焊

2mm钛合金对接焊，脉冲激光束3垂直母材金属1表面，其中焊枪电弧与垂直方向之间的夹角β＝45°，电弧电流380A，激光采用脉冲输出模式，脉冲能量E＝14J，脉冲频率f＝45Hz，脉冲宽度t＝2ms，非熔化极保护气体焊(TIG)采用直流正接模式，激光作用点与电弧热源中心点之间的距离Dla＝2.0mm，焊接速度2000mm/min，采用上述工艺能够实现钛合金对接结构件成型美观、高效率、无缺陷焊接制造。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，根据所需的焊接对象，将脉冲激光与电弧焊接电源连接的焊枪，采用电弧焊接在前、脉冲激光在后的方式复合在一起，且脉冲激光的入射位置与电弧电极尖端之间的水平距离以及电弧电极的高度连续可调；利用脉冲激光对电弧周期性的诱导、强、弱电弧交替作用熔池，使得熔池中热源热量重新分配，具体为：

—根据实际焊接成形尺寸的需要对电弧能量与激光能量进行选择，通过对激光入射位置与电弧电极尖端水平距离的调节，实现在选用电弧能量与激光能量条件下的脉冲激光对电弧焊接的增强效果；

—通过调节脉冲激光的脉冲频率，实现对有脉冲激光作用时的强电弧焊接和无脉冲激光作用时的弱电弧焊接出现频率的周期性控制；

—当有脉冲激光作用时，通过对脉冲能量与脉冲宽度的调节，实现对一个周期内强电弧焊接的占空比以及强电弧焊接作用时的热输入进行控制，构建出一个强、弱电弧交替作用熔池，且交替作用的频率及“匙孔”开口与闭合的周期和熔池后排及回填时序均可控的热源形式，熔池中热源热量重新分配，从而抑制在薄板焊接过程中容易产生的烧穿缺陷。

2.根据权利要求1所述的抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，所述电弧能量的选择与焊接速度相匹配，保证焊接时，熔深为母材金属板厚的1/2～2/3之间；脉冲激光能量选择满足剩余的母材金属板厚在加入激光能量复合后，实现母材金属板材整体熔透。

3.根据权利要求1所述的抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，热源间距根据复合焊接两热源的输出参数进行选择，具体如下：

(2.0-d_a)-(±d_v)-d_al/2≤d≤(2.0-d_a)±d_v+d_al/2 (1)

d_al＝1.4067×10^-4P²/(2.0525×10^-5P²+2.3992×10^-6I_a ³+2.3515) (2)

d_v＝(2.0101×v_w ²)/(v_w ²+519055.1188) (4)

其中：d_al为激光对电弧可以发生诱导增强作用的距离，mm；

P为激光功率，W；

I_a为电弧电流，A；

v_w为焊接速度，mm/min；

d_v为电弧放电偏离距离，mm；

d_a为电弧电流强度引起的放电位置偏移量，mm；

如果设置公式(1)中的左右两个部分分别为d₁和d₂，则满足：

d₁＝(2.0-d_a)-(±d_v)-d_al/2 (5)

d₂＝(2.0-d_a)±d_v+d_al/2 (6)

则：

d₁＜d＜d₂(7)

如果出现d₂＜d₁，则取：d₂＜d＜d₁。

4.根据权利要求1所述的抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，脉冲激光的平均功率的调节范围为200～700W，脉冲频率的调节范围为20～90Hz，脉冲宽度的调节范围为1～6ms；其中，脉冲频率与脉冲宽度决定的脉冲重叠率根据焊接速度调整，其范围为-80％～0％。

5.根据权利要求1所述的抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，设定强、弱电弧焊接交替作用熔池一次为电弧变化的一个周期，那么其变化的频率与脉冲激光的频率相等，强电弧焊接持续的时间比脉冲激光脉宽增加3～8ms；当脉冲激光消失后，受脉冲激光作用时后排的熔池金属需要及时的回填，且“匙孔”闭合。

6.根据权利要求1所述的抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，热源热量重新分配的原则为利用脉冲激光的诱导作用，确保每个周期内两热源总热输入的15.6％～20％，需要在脉冲激光作用时，以强电弧焊接状态传导给母材金属板材。

7.根据权利要求1所述的抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，脉冲激光与电弧焊接以旁轴方式复合在一起，两者之间用带有螺旋测微仪的滑块连接；电弧电极高度以电弧电极最低端高于熔池最高处至少1.5mm为限；同时，脉冲激光与垂直方向夹角为0°～20°，且焊枪与垂直方向夹角的调节范围为20°～80°。

Images