CN109759709A - 一种激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法，其包括如下步骤：1）将待焊工件固定于焊接平台上，调整等离子弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域；2）设定等离子弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式；3）设定激光束作用模式；4）启动焊接程序；5）焊接过程结束时，先关停激光束出射，再熄灭等离子弧，停止送粉，并延迟停止保护气，结束全部焊接流程。其能够提高焊缝熔凝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。

Description

一种激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法

技术领域

本发明涉及高效焊接制造，具体涉及一种激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法。

背景技术

随着科技的高速发展，焊接制造对生产效率、制造精度和制造质量提出了越来越高的要求。同时，高效率、低能耗的现代制造技术已经成为制造领域一个重要的发展方向。等离子弧焊接技术是一种成熟的焊接制造技术，广泛的应用于工业生产制造的各行各业。

等离子电弧比GTAW电弧具有更高的能量密度、温度和等离子流速度以及更大的熔透能力。等离子弧焊接具有很多优点：

1、电弧温度高、能量密度大、等离子流力大的等离子弧在熔池产生小孔效应，适合于高效率深熔焊接和单面焊双面成形。

2、等离子弧焊缝热影响区小，焊缝形状非常理想。焊缝两侧的熔合线边缘接近平行，降低了角变形。

3、能量密度大、流速快的等离子弧具有很好的稳定性和挺直性，能量利用率高，可进行高速焊接，相对于激光焊接对工件的装配精度要求显著降低。因此，其焊接生产率显著提高。

等离子弧焊接技术具有制造成本低、生产效率高用等优点，可用于厚大构件深熔焊接制造。结合高稳定送丝或填粉系统，在用于堆焊、喷焊或者焊修等场合具有突出优势。但相对于激光等高能束热源，等离子弧焊接生产制造容易出现气孔缺陷，并且热输入高，容易造成焊缝结构内部组织晶粒粗大。脉冲激光热源具有单脉冲功率高、平均热输入低、能量密度大等特点。将这两种热源结合用于焊接制造，为实现降低制造成本、提升制造效率、保证制造质量带来了新的可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法，其能够提高焊缝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。

本发明所述的激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法，利用等离子弧热源提供焊接成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光冲击熔池并激励产生熔池超声能场，使熔池熔凝过程形成致密且细晶的焊缝组织结构，其包括如下步骤：

1）将待焊工件固定于焊接平台上，调整等离子弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得出射等离子弧倾斜作用于待焊工件表面，出射激光束垂直于待焊工件表面，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，等离子弧热源作用点在前，使得激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域；

2）设定等离子弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式：当等离子弧电流为非脉冲模式时，激光脉冲能量与等离子弧能量为任意匹配；当等离子弧电流为脉冲模式时，激光脉冲与等离子弧电流脉冲的能量匹配包括：当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；需要说明的是，所述的峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲为峰值时，等离子弧电流脉冲也为峰值；当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲，激光脉冲频率至少2倍于等离子弧电流脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配，需要说明的是，所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲为峰值时，等离子弧电流脉冲为基值；

3）设定激光束作用模式；

4）启动焊接程序，等离子弧的引燃弧工作，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流，然后引弧使等离子弧的主弧开始工作，同时启动激光器工作，出射激光束，焊接开始，激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW；

5）焊接过程结束时，先关停激光束出射，再熄灭等离子弧，停止送粉，并延迟停止保护气，结束全部焊接流程。

进一步，所述等离子弧电流为非脉冲模式或脉冲模式，当等离子弧电流为脉冲模式时，其与激光脉冲为异步脉冲。

进一步，所述激光束的作用模式包括定点作用模式或微动扫描作用模式；定点作用模式为脉冲激光束定点作用于等离子弧熔池区域，定点作用区域为等离子弧熔池尾部，且脉冲激光束的运动速率与等离子弧热源运动速率相同；微动扫描作用模式为脉冲激光束以圆形轨迹、椭圆形轨迹、三角形轨迹、月形轨迹、直线往复轨迹等，作用于熔池区域，微动扫描区域为等离子弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3等离子弧熔池表面积，微动扫描频率与等离子弧热源运动速率成正比。

进一步，所述等离子弧主弧电流范围为80~180A，其电流为连续输出的直流电弧电流或交流电弧电流，送粉方式为同轴送粉。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明利用等离子弧热源作为焊接成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光冲击作用于等离子弧熔池区域，使等离子弧熔池受激产生超声能场。超声能场诱发超声流加速了熔池中气体溢出，减少了宏、微观孔隙，显著提高了熔凝结构致密度。同时，超声能场诱发超声脉动冲击波以及声空化效应，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化，提高了熔池中的异质形核率，促进均匀形核，得到的焊缝内部结构致密，焊缝组织均匀且晶粒细小。

2、本发明通过限定激光束参数，结合等离子弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式和能量匹配方式，保证了等离子弧作为热源使用，高频脉冲激光束起到激励熔池产生超声能场的作用。当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为同步脉冲时，脉冲能量峰值-峰值匹配将使激光脉冲在等离子弧电流脉冲作用产生熔池的同时，在熔池中激励产生超声能场，并在熔池中诱发产生超声流、超声脉动冲击波等物理效应，影响熔池对流和固液界面晶粒形核，使熔池中气相加速逸出以及提高晶核形核率。当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲时，除了脉冲能量峰值-峰值匹配时产生熔池超声能场，能量峰值-基值匹配同样在熔池中激励产生超声能场，使上述对熔池的作用效果得以强化。

3、本发明等离子弧热源稳定性好，能够采用小电流实现低热输入制造，能量消耗和制造成本低。

附图说明

图1是激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的等离子弧电流脉冲与激光脉冲的波形示意图；

图3是本发明实施例一中激光束的扫描轨迹示意图；

图4是本发明实施例二的等离子弧电流脉冲与激光脉冲的波形示意图；

图5是本发明实施例二中激光束的扫描轨迹示意图；

图中，1—激光器，2—等离子弧焊枪，3—等离子弧电源，4—送粉器，5—激光束，6—等离子弧，7—待焊工件，8—热源行走方向，9—等离子弧电流脉冲，10—激光脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

参见图1，实现本发明方法的激光超声能场辅助等离子弧填粉焊接系统包括激光器1、等离子弧焊枪2、等离子弧电源3和送粉器4，等离子弧焊枪2与等离子弧电源3连接，送粉器4输出端与等离子弧焊枪2连接，实现同轴送粉，由激光器1射出激光束4，在焊接平台上固定有待焊工件7。

实施例一，一种激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法，其包括如下步骤：

1、待焊工件7为4mm厚的304不锈钢平板结构，其表面有深度1mm～2mm不等的待修复区域。送粉器4内的粉末材料粒度为100~300目的奥氏体不锈钢粉末，成形过程中使用的保护气体和离子气体均为纯氩气。调整等离子弧焊枪2，使等离子弧焊枪2出射粉末流方向与铅垂面成25°夹角，调整激光器1，使其垂直于待焊工件7表面。将待焊工件7水平固定于焊接平台上，且待焊工件7接等离子弧电源3正极，等离子弧焊枪2接等离子弧电源3负极。校准激光器1和等离子弧焊枪2的相对位置，以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，等离子弧热源作用点在前，使得激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域。

2、设定等离子弧电流脉冲9与激光脉冲10的协同工作模式，等离子弧电流脉冲频率为1kHz，主弧电流设定为100A；激光器1为Q调制Nd:YAG激光器，激光脉冲频率为1kHz，脉冲激光峰值功率为20kW，脉冲宽度为200ns。在脉冲同步控制器的同步功能设置中设置脉冲协同工作模式，使等离子弧电流脉冲9与激光脉冲10为同步脉冲能量匹配。参见图2，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，所述峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲10为峰值时，等离子弧电流脉冲9也为峰值。

3、设定激光束作用模式，参见图3，激光束5的微动扫描轨迹为月形轨迹，其与热源行走方向8同向运动，微动扫描区域为等离子弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3等离子弧熔池8表面积，微动扫描频率与等离子弧热源运动速率成正比。

4、启动焊接程序，等离子弧6的引燃弧工作，同时启动送粉器4，使送粉喷嘴喷射粉末流，送粉量为30g/min，然后引弧使等离子弧6的主弧开始工作，同时启动激光器1工作，出射激光束5，焊接开始。焊接过程中，等离子弧热源行走速度为15mm/s，离子气流量为5L/min，保护气体的流量为20L/min。

5、焊接过程结束时，先关停激光束5出射，再熄灭等离子弧6，并停止送粉器4，延迟停止保护气，完成待焊工件7的焊接制造流程。

该实施例焊接完成后，焊缝表面均匀平整，无表面缺陷，适合有损构件的高效率快速焊接修复。

实施例二，一种激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法，其包括如下步骤：

1、待焊工件7为5mm厚的304不锈钢板，需要在其表面堆焊一层2mm厚的强化层。送粉器4内的粉末材料粒度为100~300目的马氏体不锈钢粉末，成形过程中使用的保护气体和离子气体均为纯氩气。调整等离子弧焊枪2，使等离子弧焊枪2出射粉末流方向与铅垂面成15°夹角，调整激光器1，使其垂直于待焊工件7表面。将待焊工件7水平固定于焊接平台上，且待焊工件7接等离子弧电源3正极，等离子弧焊枪2接等离子弧电源3负极。校准激光器1和等离子弧焊枪2的相对位置，以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，等离子弧热源作用点在前，使得激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域。

2、设定等离子弧电流脉冲9与激光脉冲10的协同工作模式，等离子弧电流脉冲频率为1kHz，主弧电流设定为120A；激光器1为Q调制Nd:YAG激光器，激光脉冲频率为40kHz，脉冲激光峰值功率为25kW，脉冲宽度为200ns。在脉冲同步控制器的同步功能设置中设置脉冲协同工作模式，使等离子弧电流脉冲10与激光脉冲9为异步脉冲能量匹配。参见图4，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配，需要说明的是，所述的峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲10为峰值时，等离子弧电流脉冲9也为峰值；所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当激光脉冲10为峰值时，等离子弧电流脉冲9为基值。

3、设定激光束作用模式，参见图5，激光束5的微动扫描轨迹为三角形轨迹，其与热源行走方向8同向运动，微动扫描区域为等离子弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3等离子弧熔池8表面积，微动扫描频率与等离子弧热源运动速率成正比。

4、启动焊接程序，等离子弧6的引燃弧工作，同时启动送粉器4，使送粉喷嘴喷射粉末流，送粉量为35g/min，然后引弧使等离子弧6的主弧开始工作，同时启动激光器1工作，出射激光束5，焊接开始。焊接过程中，等离子弧热源行走速度为15mm/s，离子气流量为5L/min，保护气体的流量为20L/min。

5、焊接过程结束时，先关停激光束5出射，再熄灭等离子弧6，并停止送粉器4，延迟停止保护气，完成待焊工件7的焊接制造流程。

该实施例焊接完成后，平行排列焊道成形美观，表面均匀平整，无表面缺陷，适合金属构件表面强化层堆焊制造。

Claims (4)

1.一种激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法，其特征在于：所述方法利用等离子弧热源提供焊接成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光冲击熔池并激励产生熔池超声能场，使熔池熔凝过程形成致密且细晶的焊缝组织结构，其包括如下步骤：

1）将待焊工件固定于焊接平台上，调整等离子弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得出射等离子弧倾斜作用于待焊工件表面，出射激光束垂直于待焊工件表面，且以工作台前进方向为参照，等离子弧热源作用点在前，激光出射作用点在后，使得激光能量作用于等离子弧熔池尾部区域；

2）设定等离子弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式：

当等离子弧电流为非脉冲模式时，激光脉冲能量与等离子弧能量为任意匹配；

当等离子弧电流为脉冲模式时，激光脉冲与等离子弧电流脉冲的能量匹配包括：

当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；

当等离子弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲，激光脉冲频率至少2倍于等离子弧电流脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；

3）设定激光束作用模式；

4）启动焊接程序，等离子弧的引燃弧工作，同时启动送粉器，使送粉喷嘴喷射粉末流，然后引弧使等离子弧的主弧开始工作，同时启动激光器工作，出射激光束，焊接开始，激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW；

5）焊接过程结束时，先关停激光束出射，再熄灭等离子弧，停止送粉，并延迟停止保护气，结束全部焊接流程。

2.根据权利要求1所述的激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法，其特征在于：所述等离子弧电流为非脉冲模式或脉冲模式，当等离子弧电流为脉冲模式时，其与激光脉冲为异步脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法，其特征在于：所述激光束的作用模式选择定点作用模式或微动扫描作用模式；

定点作用模式为脉冲激光束定点作用于等离子弧熔池区域，定点作用区域为等离子弧熔池尾部，且脉冲激光束的运动速率与等离子弧热源运动速率相同；

微动扫描作用模式为脉冲激光束以圆形轨迹、椭圆形轨迹、三角形轨迹、月形轨迹、直线往复轨迹等，作用于熔池区域，微动扫描区域为等离子弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3等离子弧熔池表面积，微动扫描频率与等离子弧热源运动速率成正比。

4.根据权利要求1或2所述的激光激励超声能场辅助等离子弧填粉焊接方法，其特征在于：所述等离子弧主弧电流范围为80~180A，其电流为连续输出的直流电弧电流或交流电弧电流，送粉方式为同轴送粉。