CN109773339A - 一种基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法，所述方法利用电弧热源提供焊接成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量振荡熔池，激发熔池高频振荡使熔凝过程形成致密且细晶的熔凝组织结构，其包括如下步骤：1）调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置；2）设定电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）开启激光器和电弧电源，出射特定参数的激光束，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝；5）焊接过程结束时，先关停激光束出射，再熄灭电弧，停止送丝，延迟停止保护气，结束全部焊接流程。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。

Description

一种基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法

技术领域

本发明涉及复合焊接技术，具体涉及一种基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法。

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。电弧焊接技术是一种成熟的焊接制造技术，是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊丝或焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。

电弧焊接技术具有制造成本低、生产效率高用等优点，能够用于大型机械的高效焊接，但相对于激光等高能束热源，电弧的热输入较高，容易造成金属结构内部晶粒组织粗大。电弧作用空间为气体保护下的开放空间，容易形成气孔缺陷。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。

CN1943959公开了一种复合热源材料加工方法，在激光-电弧复合热源加工过程中，激光功率输出脉冲与交流电弧在同步脉冲触发信号的控制下，协调控制输出，即激光脉冲峰值功率始终出现在交流电弧负半波区间(ACEN)。该方法的复合方式为：激光与电弧同轴或旁轴；电弧类型为非熔化极惰性气体保护电弧、熔化极气体保护电弧、等离子弧；激光束类型为YAG固体激光束、CO2激光束或二级管激光束等。其有益效果是：能够减少激光能量的损耗，保证激光能量的充分利用，增强交流电弧负半波区间放电，减少加工参数及环境因素对加工稳定性的影响。提高电弧稳定性，改善加工区域的表面成型，增加熔深1-2倍。

CN103056533B一种振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法及系统，激光束和电弧一起在大范围空间内沿拼缝运动；与此同时，激光束围绕电弧作用点在局部微小区域内做振荡扫描运动，实际焊接轨迹为两种运动叠加而成的曲线。激光束振荡扫描位移的最优范围为X轴方向-2-3mm，Y轴方向范围为-5-5mm，Z轴方向-2-2mm，振荡频率20-500Hz。在焊接过程中，振荡扫描激光束在焊缝宽度方向的振荡扫描行为将增宽焊缝下部，并通过搅拌效应增强熔池对流，将电弧热量引入下部，进一步增宽焊缝下部，提高整个焊接熔池热量分布的均匀性；振荡激光束进行周期性规则扫描运动，使焊缝下半部分发生重熔，以延长该区域的熔池凝固时间，有利于气泡的逸出。其激光束的作用点为焊缝下部，激光束通过延长熔池处于液相的时间促使气泡逸出，激光振荡频率设置的较低，相应地激光束对整个熔池振荡产生的附加效应有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法，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。

本发明所述的基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法，利用电弧热源提供焊接成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量振荡熔池，激发熔池产生高频振荡，使其熔凝过程形成致密且细晶的焊缝组织结构，所述焊接方法包括如下步骤：

1）将待焊工件固定于焊接平台上，调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得激光出射方向与电弧出射方向沿铅锤线对称分布，两者之间的夹角为5~10°，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，电弧热源作用点在前，使得激光能量作用于电弧熔池尾部区域；

2）设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式：当电弧电流为非脉冲模式时，激光脉冲能量与电弧能量为任意匹配；当电弧电流为脉冲模式时，激光脉冲与电弧电流脉冲的能量匹配包括：当电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；当电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲，激光脉冲频率至少2倍于电弧电流脉冲频率，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为微动扫描模式，脉冲激光束以圆形轨迹、椭圆形轨迹、三角形轨迹、月形轨迹或直线往复轨迹作用于熔池区域，微动扫描区域为电弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3熔池表面积，微动扫描频率与电弧热源运动速率成正比；

4）开启激光器和电弧电源，出射激光束，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，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，焊接开始；

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

进一步，所述电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲。

进一步，所述电弧平均脉冲电流范围为80~180A，且其电流为连续输出的直流电弧电流或交流电弧电流，送丝方式为同轴送丝或旁轴送丝。

进一步，所述电弧为金属熔化极气体保护电弧、钨极气体保护电弧或等离子弧。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明利用电弧热源提供焊接成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量作用于电弧熔池区域，使电弧熔池产生声频或超声频振荡，加速熔池中气体逸出，减少宏、微观孔隙，显著提高熔凝结构致密度。同时，高频脉冲激光振荡熔池产生的高频振荡波以及声空化效应，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，结合电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式和能量匹配方式，保证了电弧作为热源使用，激光束起到振荡熔池的作用，且单脉冲激光能量低，基本不增加熔池热输入。当电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电弧电流脉冲作用产生熔池的同时，在熔池中激发产生辅助振动能场，并在熔池中诱发产生脉动冲击波，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。当电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲时，除了脉冲能量峰值-峰值匹配时产生的熔池辅助振动能场，能量峰值-基值匹配同样在熔池中激发产生辅助振动能场，使上述对熔池的作用效果得以强化。

3、本发明电弧热源稳定性好，能够实现低热输入制造，能量消耗和制造成本低。

附图说明

图1是基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝焊接系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的电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电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图中，1—激光器，2—电弧焊枪，3—电弧电源，4—激光束，5—电弧，6—待焊工件，7—熔池，8—热源行走方向，9—电弧电流脉冲，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，实现本发明方法的基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造系统包括激光器1、电弧焊枪2、电弧电源3，电弧焊枪2与电弧电源3连接，由激光器1射出激光束4，待焊工件6固定于焊接平台上。

所述电弧焊枪2出射的电弧5为金属熔化极气体保护电弧、钨极气体保护电弧或等离子弧中的一种，根据待焊工件的材质进行合理选择。

实施例一，一种基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法，其包括如下步骤：

1、待焊工件6为6mm厚的5052铝合金板，直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝作为金属丝材；电弧采用气保护MIG电弧，激光器1为Q调制Nd:YAG激光器。将待焊工件6水平固定于焊接平台上，且待焊工件6接电弧电源3负极，金属丝材接电弧电源3正极。调整电弧焊枪2，使电弧和金属丝材5出射方向与铅垂面成5°夹角，调整激光器1，使激光束4与电弧5出射方向沿铅锤线对称分布，且与电弧5出射方向成10°夹角。再校准激光器1和电弧焊枪2的相对位置，使得出射电弧5和出射激光束4位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，电弧热源作用点在前，使得激光能量作用于电弧熔池7尾部区域；

2、设定电弧电流脉冲9与激光脉冲10的加工参数，电弧电流脉冲频率为1kHz，电弧电流平均值为140A，电压平均值为18V。激光脉冲频率为1kHz，脉冲激光峰值功率为40kW，脉冲宽度为100ns。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，使电弧电流脉冲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，电弧电弧电流脉冲9也为峰值。

3、设定激光束作用模式，参见图3，激光束4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，微动扫描区域为电弧熔池7尾部，且微动扫描区域面积≥1/3熔池7表面积，微动扫描频率与电弧热源运动速率成正比。

4、开启激光器和电弧电源，出射激光束，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，焊接开始。焊接过程中电弧热源行走速度为12mm/s，使用的保护气体为纯氩气，保护气体的流量为20L/min。

5、焊接过程结束时，先关停激光束4出射，再熄灭电弧和停止送丝，并延迟停止保护气，结束全部焊接流程。

该实施例针对厚板铝合金材料施行多层多道焊，焊接得到的焊缝表面鱼鳞纹均匀，焊道成形美观，适用于高效率焊接制造。

实施例二，一种基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法，其包括如下步骤：

1、待焊工件6为2mm厚的5052铝合金板，直径为1.0mm的ER5356铝合金焊丝作为金属丝材；电弧采用气保护MIG电弧，电弧热源行走速度为10mm/s，使用的保护气体为纯氩气，保护气体的流量为15L/min；激光器1为Q调制Nd:YAG激光器。将待焊工件6水平固定于焊接平台上，且待焊工件6接电弧电源3负极，金属丝材接电弧电源3正极。调整电弧焊枪2，使电弧和金属丝材5出射方向与铅垂面成5°夹角，调整激光器1，使激光束4与电弧5出射方向沿铅锤线对称分布，且与电弧5出射方向成10°夹角。再校准激光器1和电弧焊枪2的相对位置，使得出射电弧5和出射激光束4位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，电弧热源作用点在前，使得激光能量作用于电弧熔池7尾部区域；

2、设定电弧电流脉冲9与激光脉冲10的加工参数，其中电弧电流脉冲频率为1kHz，电弧电流平均值为100A，电压平均值为16V。激光脉冲频率为50kHz，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，使电弧电流脉冲9与激光脉冲10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，电弧电流脉冲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，电弧电流脉冲9为基值。

3、设定激光束作用模式，参见图5，激光束4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，微动扫描区域为电弧熔池7尾部，且微动扫描区域面积≥1/3电弧熔池7表面积，微动扫描频率与电弧热源运动速率成正比。

4、开启激光器和电弧电源，出射激光束4，同时引弧使电弧5开始工作、金属丝材开始送丝，焊接开始。焊接过程中电弧热源行走速度为10mm/s，使用的保护气体为纯氩气，保护气体的流量为15L/min。

5、焊接过程结束时，先关停激光束4出射，再熄灭电弧和停止送丝，并延迟停止保护气，结束全部焊接流程。

该实施例针对薄板铝合金材料，单面焊双面成形，焊接得到的焊缝表面鱼鳞纹均匀，焊道成形美观，适用于高效率焊接制造。

Claims (4)

1.一种基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法，其特征在于：所述方法利用电弧热源提供焊接成形所需要的主要能量，借助高频脉冲激光能量振荡熔池，激发熔池高频振荡使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，调整电弧焊枪和激光出射头的相对位置，使得激光出射方向与电弧出射方向沿铅锤线对称分布，两者之间的夹角为5~10°，且以工作台前进方向为参照，激光出射作用点在后，电弧热源作用点在前，使得激光能量作用于电弧熔池尾部区域；

2）设定电弧电流脉冲与激光脉冲的协同工作模式：

当电弧电流为非脉冲模式时，激光脉冲能量与电弧能量为任意匹配；

当电弧电流为脉冲模式时，激光脉冲与电弧电流脉冲的能量匹配包括：

当电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；

当电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲，激光脉冲频率至少2倍于电弧电流脉冲频率，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）设定脉冲激光束作用模式为微动扫描模式，脉冲激光束以圆形轨迹、椭圆形轨迹、三角形轨迹、月形轨迹或直线往复轨迹作用于熔池区域，微动扫描区域为电弧熔池尾部，且微动扫描区域面积≥1/3熔池表面积，微动扫描频率与电弧热源运动速率成正比；

4）开启激光器和电弧电源，出射激光束，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，同时引弧使电弧开始工作、金属丝材开始送丝，焊接开始；

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

2.根据权利要求1所述的基于激光高频振荡熔池的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：所述电弧电流脉冲与激光脉冲为异步脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法，其特征在于：所述电弧平均脉冲电流范围为80~180A，且其电流为连续输出的直流电弧电流或交流电弧电流，送丝方式为同轴送丝或旁轴送丝。

4.根据权利要求1或2所述的基于激光高频振荡熔池的电弧焊接方法，其特征在于：所述电弧为金属熔化极气体保护电弧、钨极气体保护电弧或等离子弧。