CN110170746B - 一种同轴双焦点激光-tig电弧复合焊接方法 - Google Patents

一种同轴双焦点激光-tig电弧复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同轴双焦点激光‑TIG电弧复合焊接方法，包括：将激光器设置在待焊接工件上方，将TIG电弧焊枪设置在焊接工件一侧；调整所述双焦点镜头的透镜间距离，调整所述TIG电弧焊枪的位置，使所述TIG电弧焊枪的钨极端点距离焊接平面的高度为1～4mm，所述激光器出射光束轴线与所述电弧焊枪的钨极尖端水平间距为1～4mm；同时开启所述激光器和所述TIG电弧焊枪进行焊接；其中，所述激光器功率设定为1000～5000W，所述TIG电弧焊枪的电弧电流设定为80～400A，本发明将焊枪电弧与同轴双焦点热源组合排布在焊接方向上，通过改变激光功率和焊枪系统的电流实现不同热量输出，从而可以避免由于块状凸起引起的小孔坍塌、残留性气孔、焊接飞溅，改善焊接质量，稳定焊接过程。

Description

一种同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法。
背景技术
激光-电弧复合焊接技术是将物理性质、能量传输机制截然不同的激光与电弧两种热源复合在一起，共同作用于工件表面，从而实现对工件进行加热完成焊接的过程。激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊接过程中，激光与电弧相互作用，即充分发挥了各自的优势，又互为补充。激光对电弧具有吸引、压缩作用，并可增强电弧放电。同时，电弧稀释激光等离子体，并提高金属表面温度从而增加激光吸收率。激光-电弧复合焊接技术克服了电弧热源较低的能量密度、高速移动时放电稳定性差以及金属材料对激光的高反射率造成的激光能量损失、激光设备高的设备成本、低的电-光转化效率、高的装配精度要求等缺点，使之成为具有极大应用前景的新型焊接热源。随着汽车、船舶、航空和航天、石油化工等生产领域对产品焊接质量、焊接生产效率、新材料焊接技术的需求不断提高，较单一热源具有更大综合优势的激光电弧复合热源焊接技术逐渐成为了各国焊接技术研究者的研究热点。
复合焊接过程中，激光辐照熔池形成小孔，小孔喷射出的金属蒸汽在电弧热作用下而大量电离，并参与电弧放电。但是焊接过程是非稳态的热力耦合过程，熔池流动剧烈。焊接过程中小孔并不能持续稳定存在，期间不断发生张开、坍塌、闭合等随机变化过程。如，小孔前壁的液态金属在蒸发反冲力的作用下向下流动，小孔内金属蒸汽压力与液态金属自身重力保持平衡，一旦某一时刻平衡发生偏离，侧壁液态金属会出现一个或多个块状凸起；在激光作用下凸起会发生快速烧损、高速变形，甚至继续长大等不稳定变化。导致侧壁液态金属的可能发生坍塌，封闭小孔通道，形成残留性气孔；同时，激光辐照在大块凸起上时，容易导致液态金属过热沸腾，引起焊接飞溅；这些干扰也会进一步影响小孔喷射的光致等离子体与电弧等离子体的耦合，使电弧放电稳定性变差，进而导致焊接过程不稳定。因此，焊接过程中小孔侧壁液态金属凸起这一现象通常会造成焊缝成型不稳定、气孔、飞溅等焊接缺陷，影响焊接质量。而如何抑制和控制小孔出口处侧壁液态金属形成凸起，则是提高激光-电弧复合焊接质量的关键。
发明内容
本发明设计开发了一种同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，将焊枪电弧与同轴双焦点热源组合排布在焊接方向上，通过改变激光功率和焊枪系统的电流实现不同热量输出，从而可以避免由于块状凸起引起的小孔坍塌、残留性气孔、焊接飞溅，改善焊接质量，稳定焊接过程。
本发明提供的技术方案为：
一种同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，包括：
将激光器设置在待焊接工件上方，将TIG电弧焊枪设置在所述焊接工件一侧；
其中，所述激光器具有轴向的双焦点镜头，所述激光器发出的平行光束从所述双焦点镜头一侧入射后能够在其另一侧形成同轴的第一会聚光束和第二会聚光束，所述第一会聚光束的焦距小于所述第二会聚光束的焦距；
调整所述双焦点镜头的透镜间距离，使第一会聚光束的焦平面位于待焊接工件上表面下方，所述第二会聚光束的焦平面处于待焊接工件下表面下方；
调整所述TIG电弧焊枪的位置，使所述TIG电弧焊枪的钨极端点距离焊接平面的高度为1～4mm，所述激光器出射光束轴线与所述电弧焊枪的钨极尖端水平间距为1～4mm；
同时开启所述激光器和所述TIG电弧焊枪进行焊接；
其中，所述激光器功率设定为1000～5000W，所述TIG电弧焊枪的电弧电流设定为80～400A。
优选的是，所述激光器出射光线与所述TIG电弧焊枪轴线的夹角为40°～45°。
优选的是，所述第一会聚光束照射在所述待焊接工件上表面形成的第一光斑直径为0.1～0.5mm。
优选的是，所述第二会聚光束照射在所述待焊接工件下表面形成的第二光斑直径为0.5～1.5mm。
优选的是，所述激光器采用光纤激光器。
优选的是，还包括：根据所述激光器功率和焊接工件板材厚度设定焊接速度，其计算公式为：
Figure BDA0002114872980000031
其中，vh为焊接速度，Ph为激光器功率，v0为激光器焊接平均速度，Γ为自定义函数，
Figure BDA0002114872980000032
γ为热熔系数，P0为平均输出功率，Dh为待焊接工件厚度，D0为平均板厚。
优选的是，通过调整第一会聚光束焦平面和待焊接工件上表面的间距调节所述第一光斑的直径，其计算公式为：
Figure BDA0002114872980000033
其中，
Figure BDA0002114872980000034
为第一会聚光束焦平面和待焊接工件上表面的间距，G1为第一光斑直径，
Figure BDA0002114872980000035
为第一会聚光束的焦点光斑直径，G0为光纤激光器发射的平行光光斑大小，f1为第一会聚光束的焦距，δ为光纤激光器的发散角，β为双焦点镜头的发散角，n0为空气折射率，ng为双焦点镜头的折射率。
优选的是，通过调整第二会聚光束焦平面和待焊接工件下表面的间距调节所述第二光斑的直径，其计算公式为：
Figure BDA0002114872980000036
其中，
Figure BDA0002114872980000037
为第二会聚光束焦平面和待焊接工件上表面的间距，G2为第二光斑直径，
Figure BDA0002114872980000038
为第二会聚光束的焦点光斑直径，G0为光纤激光器发射的平行光光斑大小，f2为第二会聚光束的焦距，δ为光纤激光器的发散角，β为双焦点镜头的发散角，n0为空气折射率，ng为双焦点镜头的折射率。
优选的是，焊接过程中采用氩气保护，所述氩气流量为12L/min。
本发明的有益效果
本发明提供了一种同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，将焊枪电弧与同轴双焦点热源串列排布在焊接方向上，可改变激光功率和焊枪系统的电流来实现不同热量输出。本发明采用同轴双焦点激光，由单束激光经一组由两个不同曲率的透镜光学系统分成同轴双焦点激光束，通过调整两个透镜之间的距离，可以调整长焦与短焦焦点之间的距离，以适应不同厚度材料的焊接。
本发明在焊接过程中形成激光形成匙孔时，第二会聚光束形成长焦激光可直接作用于匙孔底部，第一会聚光束形成的短焦激光处于负离焦状态，光斑能量作用于匙孔内壁，避免内壁液态金属由于偏离平衡状态而出现一个或多个块状凸起，从而可以避免由于块状凸起引起的小孔坍塌、残留性气孔、焊接飞溅及电弧放电稳定性变差等问题。该发明方法的使用，可以改善焊接质量，稳定焊接过程。
附图说明
图1为本发明所述的同轴双焦点激光镜头的结构示意图。
图2为本发明所述的透镜与凸透镜的结构示意图。
图3为本发明所述的双焦点激光-TIG电弧复合方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明将焊枪电弧与同轴双焦点热源串列排布在焊接方向上，其中，同轴双焦点热源由激光器照射获得，在激光器出射端加装同轴双焦点镜头。
如图1所示，同轴双焦点镜头由一个曲率不同的透镜103与一个凸透镜105组成一组光学镜组，透镜103与凸透镜105分别安放在镜架102上，镜架上设置安装凸台104，安装凸台104能够带动透镜沿滑道106上下运动，从而改变透镜103与透镜105之间的距离。
其中，透镜103的中心部位为平镜，平行光入射到透镜103后仍为平行光出射，透镜103的边缘区域为变曲率透镜，平行光经透镜103边缘后改变传输方向，形成会聚光束。
透镜105为凸透镜，平行光入射到透镜105后形成会聚光束。
如图2、3所示，激光器出射的平行光经透镜103后，入射到透镜103中心部位的光束出射后仍为平行光束，再经过透镜105后形成第一会聚光束。
入射到透镜103边缘部位的光束，出射后为会聚光束，再经过透镜105后形成第二会聚光束。透镜103和透镜105同轴安装，形成的第一会聚光束和第二会聚光束与光学镜组同轴。
其中，第一会聚光束会聚形成的第一焦点为F1，焦距为f1；第二会聚光束会聚形成的第二焦点为F2，焦距为f2，其中，f1＜f2。
焊枪采用-TIG电弧焊枪，使用时，钨极112经喷嘴111在工件110上形成电弧113。
如图3所示，激光器与TIG电弧焊枪共同作用的原理为：工件110在电弧113与激光107的共同作用下形成熔池114。长焦激光109照射在熔池上，对液态金属形成反冲压力，形成焊接“匙孔”115。长焦激光109不断作用在匙孔115的底部，加深匙孔并维持匙孔的稳定存在。小孔内壁并不一直处于平衡状态，某些偏离平衡状态时，液态金属在内壁形成凸起，会对焊接过程稳定性造成影响。短焦点用于照射在小孔内壁，保证小孔内壁的金属凸起被融化，维持焊接过程的稳定性。
激光与电弧两种热源复合在一起，共同作用于工件表面，从而实现对工件进行加热完成焊接的过程。激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊接过程中，激光与电弧相互作用，即充分发挥了各自的优势，又互为补充。激光对电弧具有吸引、压缩作用，并可增强电弧放电。同时，电弧稀释激光等离子体，并提高金属表面温度从而增加激光吸收率。
一种同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，包括：
将激光器设置在待焊接工件上方，将TIG电弧焊枪设置在焊接工件一侧；
其中，激光器功率设定为1000～5000W，TIG电弧焊枪的电弧电流设定为80～400A。
调整双焦点镜头的透镜间距离，使第一会聚光束的焦平面位于待焊接工件上表面下方，第二会聚光束的焦平面处于待焊接工件下表面下方；
通过调整第一会聚光束焦平面和待焊接工件上表面的间距调节第一光斑的直径，使第一会聚光束照射在待焊接工件上表面形成的第一光斑直径为0.1～0.5mm，其计算公式为：
Figure BDA0002114872980000061
其中，
Figure BDA0002114872980000062
为第一会聚光束焦平面和待焊接工件上表面的间距，G1为第一光斑直径，
Figure BDA0002114872980000063
为第一会聚光束的焦点光斑直径，G0为光纤激光器发射的平行光光斑大小，f1为第一会聚光束的焦距，δ为光纤激光器的发散角，β为双焦点镜头的发散角，n0为空气折射率，ng为双焦点镜头的折射率。
通过调整第二会聚光束焦平面和待焊接工件下表面的间距调节第二光斑的直径，第二会聚光束照射在待焊接工件下表面形成的第二光斑直径为0.5～1.5mm，其计算公式为：
Figure BDA0002114872980000064
其中，
Figure BDA0002114872980000065
为第二会聚光束焦平面和待焊接工件上表面的间距，G2为第二光斑直径，
Figure BDA0002114872980000066
为第二会聚光束的焦点光斑直径，G0为光纤激光器发射的平行光光斑大小，f2为第二会聚光束的焦距，δ为光纤激光器的发散角，β为双焦点镜头的发散角，n0为空气折射率，ng为双焦点镜头的折射率。
调整TIG电弧焊枪的位置，激光器出射光线与TIG电弧焊枪轴线的夹角为40°～45°，使TIG电弧焊枪的钨极端点距离焊接平面的高度为1～4mm，激光器出射光束轴线与电弧焊枪的钨极尖端水平间距为1～4mm；
同时开启激光器和TIG电弧焊枪进行焊接；
作为一种优选，激光器采用光纤激光器。
根据激光器功率和焊接工件板材厚度设定焊接速度，其计算公式为：
Figure BDA0002114872980000067
其中，vh为焊接速度，Ph为激光器功率，v0为激光器焊接平均速度，取值为：100～2000mm/min，Γ为自定义函数，
Figure BDA0002114872980000071
γ为热熔系数，其数值为0.825，P0为平均输出功率，取值为3200W，Dh为待焊接工件厚度，D0为平均板厚，取值为20～40mm。
实施以同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接6mm厚316L不锈钢钢板的工作过程为例，做进一步说明：
将两块300mm×200mm×6mm不锈钢焊接试板进行坡口加工、打磨和清洗，并将处理好的工件固定在工装夹具上。焊接方式为I型坡口对接，单面焊，背面无强制成型，预制反变形量。
调整透镜103与透镜105之间距离，使第一会聚光束形成的第一焦点位于工件上表面偏下，使第一会聚光束照射在待焊接工件上表面形成的第一光斑直径为0.4mm。
Figure BDA0002114872980000072
使第二会聚光束形成的第二焦点位于工件下表面，
Figure BDA0002114872980000073
调整复合焊枪位置,将激光束和TIG电弧焊枪沿焊缝方向设置,激光束垂直照射板材，TIG电弧焊枪轴线与激光束轴线夹角设置为45°,TIG焊枪钨极尖端距板材表面垂直高度3mm，与激光作用点水平距离3mm。
采用光纤激光进行焊接，设置激光功率为4kW，TIG电弧电流为直流350A，钨极直径3.2mm，尖端角度45°焊接速度设定为：
Figure BDA0002114872980000074
高纯氩气保护，氩气流量为12L/min。
焊接完成后正反面成型良好，焊接过程中无飞溅，匙孔出口状态稳定。焊缝无气孔残留。
本发明在焊接过程中形成激光形成匙孔时，第二会聚光束形成长焦激光可直接作用于匙孔底部，第一会聚光束形成的短焦激光处于负离焦状态，光斑能量作用于匙孔内壁，避免内壁液态金属由于偏离平衡状态而出现一个或多个块状凸起，从而可以避免由于块状凸起引起的小孔坍塌、残留性气孔、焊接飞溅及电弧放电稳定性变差等问题。该发明方法的使用，可以改善焊接质量，稳定焊接过程。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于，包括：
将激光器设置在待焊接工件上方，将TIG电弧焊枪设置在所述待焊接工件一侧；
其中，所述激光器具有轴向的双焦点镜头，所述激光器发出的平行光束从所述双焦点镜头一侧入射后能够在其另一侧形成同轴的第一会聚光束和第二会聚光束，所述第一会聚光束的焦距小于所述第二会聚光束的焦距；
调整所述双焦点镜头的透镜间距离，使第一会聚光束的焦平面位于钥孔内壁，所述第二会聚光束的焦平面处于待焊接工件下表面下方；
调整所述TIG电弧焊枪的位置，使所述TIG电弧焊枪的钨极端点距离焊接平面的高度为1～4mm，所述激光器出射光束轴线与所述电弧焊枪的钨极尖端水平间距为1～4mm；
同时开启所述激光器和所述TIG电弧焊枪进行焊接；
其中，所述激光器功率设定为1000～5000W，所述TIG电弧焊枪的电弧电流设定为80～400A。
2.根据权利要求1所述的同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光器出射光线与所述TIG电弧焊枪轴线的夹角为40°～45°。
3.根据权利要求2所述的同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于，所述第一会聚光束照射在所述待焊接工件上表面形成的第一光斑直径为0.1～0.5mm。
4.根据权利要求3所述的同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于，所述第二会聚光束照射在所述待焊接工件下表面形成的第二光斑直径为0.5～1.5mm。
5.根据权利要求4所述的同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光器采用光纤激光器。
6.根据权利要求4所述的同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于，还包括：根据所述激光器功率和待焊接工件板材厚度设定焊接速度，其计算公式为：
Figure FDA0002658218310000021
其中，vh为焊接速度，Ph为激光器功率，v0为激光器焊接平均速度，Γ为自定义函数，
Figure FDA0002658218310000022
γ为热熔系数，P0为平均输出功率，Dh为待焊接工件厚度，D0为平均板厚。
7.根据权利要求6所述的同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于，通过调整第一会聚光束焦平面和待焊接工件上表面的间距调节所述第一光斑的直径，其计算公式为：
Figure FDA0002658218310000023
其中，
Figure FDA0002658218310000024
为第一会聚光束焦平面和待焊接工件上表面的间距，G1为第一光斑直径，
Figure FDA0002658218310000025
为第一会聚光束的焦点光斑直径，G0为光纤激光器发射的平行光光斑大小，f1为第一会聚光束的焦距，δ为光纤激光器的发散角，β为双焦点镜头的发散角，n0为空气折射率，ng为双焦点镜头的折射率。
8.根据权利要求7所述的同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于，通过调整第二会聚光束焦平面和待焊接工件下表面的间距调节所述第二光斑的直径，其计算公式为：
Figure FDA0002658218310000026
其中，
Figure FDA0002658218310000027
为第二会聚光束焦平面和待焊接工件上表面的间距，G2为第二光斑直径，
Figure FDA0002658218310000028
为第二会聚光束的焦点光斑直径，G0为光纤激光器发射的平行光光斑大小，f2为第二会聚光束的焦距，δ为光纤激光器的发散角，β为双焦点镜头的发散角，n0为空气折射率，ng为双焦点镜头的折射率。
9.根据权利要求8所述的同轴双焦点激光-TIG电弧复合焊接方法，其特征在于，焊接过程中采用氩气保护，所述氩气流量为12L/min。
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