CN110587137A - 铝合金的复合焊接方法以及焊接头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，公开了铝合金的复合焊接方法，包括：利用复合焊接的方式对对接好的铝合金工件的连接缝处进行焊接，焊接方式为激光和等离子弧复合焊接，等离子弧为两个异极性的电极交替起弧，焊接过程中，任一极性的电极起弧形成的电弧均与激光形成共熔池。还公开了铝合金的复合焊接头，将该焊接头与激光发出机构以及两个异极性的电极装配好后可实施上述方法。本发明提供的焊接方法等离子弧和激光束协同作用，使得焊接时熔深得到有效提高，采用两个异极性电极交替起弧，可清理铝合金表面的氧化物，两个电极交替起弧相较于一个电极交替通入正、负电起弧不会损伤电极。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及铝合金的复合焊接方法以及焊接头。
背景技术
焊接技术是工程制造过程中关键技术之一，激光焊接技术因其具有能量密度高，焊接速度快，焊缝深宽比大，接头性能好，焊接结构变形小等突出优点广泛应用于航空航天、高速列车、汽车等工业生产中。然而激光焊接反射率较高的有色金属比如铝合金时上述优势将大打折扣。铝合金由于化学性质活泼，表面覆盖一层密实、难熔的氧化膜，容易造成焊接缺陷。因为铝合金的高反射率，单独使用激光作为热源难以焊接较厚铝合金结构件，同时由于焊接冷却速度过大造成焊接缺陷。常用焊接铝合金方法除了TIG焊接，等离子焊接和激光焊接外，常采用复合热源进行焊接，比如等离子-MIG复合焊接，激光-TIG复合焊接和激光-等离子复合焊接，由于等离子弧的作用，铝板对激光的吸收作用显著提高，熔深得到大提升。
现有的复合热源焊接也存在诸多问题，例如焊接过程复杂、焊接效率低、起弧电极寿命短，电弧不稳定等。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明提供的铝合金的复合焊接方法以及焊接头，旨在改善现有铝合金工件焊接时存在的背景技术中提到的至少一种问题。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种铝合金的复合焊接方法，包括：
利用复合焊接的方式对对接好的铝合金工件的连接缝处进行焊接，焊接方式为激光和等离子弧复合焊接，等离子弧为两个异极性的电极交替起弧，焊接过程中，任一极性的电极起弧形成的电弧均与激光形成共熔池。
在可选的实施方式中，复合焊接的激光束功率为1-5kw，两个异极性的电极中的一个直流正接，电流为30-200A，交替起弧时每次通电时间为15-25ms；两个异极性电极中的另一个直流反接，电流为50-220A，交替起弧时每次通电时间为3-8ms。
在可选的实施方式中，激光束和等离子弧从同一压缩喷嘴发出形成激光-交替异极性等离子复合电弧作用在铝合金工件上，压缩喷嘴与铝合金工件的距离为2.5-3.5mm。
在可选的实施方式中，压缩喷嘴具有供激光束和等离子弧喷出的复合电弧出口，压缩喷嘴的侧壁沿其周向上设置有保护气喷出通道，保护气喷出通道的一端与压缩喷嘴的内部连通，另一端朝向靠近复合电弧出口的方向延伸并与外界连通，以使得保护气从保护气喷出通道喷出后形成保护气罩，将激光束和等离子弧保护于保护气罩内。
在可选的实施方式中，连接缝宽度为0-0.5mm。
在可选的实施方式中，两个异极性的电极分别位于激光束的两侧，焊接时，沿焊接方向，直流反接电极在前，直流正接电极在后。
在可选的实施方式中，每个电极的起弧端呈锥形，该锥形的尖端部位朝向连接缝。
在可选的实施方式中，两个异极性的电极的起弧端之间的距离小于或等于4mm。
在可选的实施方式中，选用氮气或惰性气体作为等离子弧焊接的离子气和保护气。
在可选的实施方式中，气体流量为15-20L/min。
在可选的实施方式中，铝合金工件靠近焊接缝处的厚度为2-10mm。
在可选的实施方式中，焊接前对铝合金工件表面进行清洗以去除油污，然后干燥。
第二方面，本发明实施例提供了一种铝合金的复合焊接头，包括焊接头本体，焊接头本体设置有压缩喷嘴，焊接头本体内设置有激光束通道和用于分别容纳两个异极性的电极的两个电极容纳腔，激光束通道具有激光束出口，每个电极容纳腔具有电极出口，激光束出口和每个电极出口均朝向压缩喷嘴。
在可选的实施方式中，激光束通道位于两个电极容纳腔之间。
在可选的实施方式中，压缩喷嘴具有供激光束和等离子弧喷出的复合电弧出口，压缩喷嘴的侧壁上设置有保护气喷出通道，激光束通道还用于供保护气和离子气通过，保护气喷出通道的一端与激光束通道连通，另一端朝向靠近复合电弧出口的方向延伸并与外界连通，以使得保护气从保护气喷出通道喷出后形成保护气罩，将激光束和等离子弧保护于保护气罩内。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过上述设计得到的铝合金的复合焊接方法，由于采用激光和等离子弧复合焊接方法，等离子热源增加了合金对激光的吸收，同时减低对激光功率要求和装配要求，且两者配合能够使得焊接时熔深得到大的提升，而且，采用正反极性电极交替焊接，焊接时使直流反接电极在前，直流正接电极在后，既可以在焊接过程中有效清理铝合金表面氧化层又可以实现大厚度合金的焊接，减少焊前通过酸碱洗、机械去除铝合金氧化层等准备工作。更重要的，采用两个异极性的电极分别作为正极和负极交替起弧，相比于仅使用一个电极交替通入正电和负电起弧，本申请对于电源的设计要求更低，而且所使用的电极不需要频繁发生极性变化也能减少电极烧损，极大增长电极的使用寿命；而焊接过程保证激光和等离子弧共熔池使得本发明提供的复合焊接方法焊接效果好，适合大厚度的工件焊接。
本发明通过上述设计得到的铝合金的复合焊接头，通过合理设计，在焊接时，将激光器和电极与该焊接头装配好后能够实施本发明提供的焊接方法，实现对铝合金工件的焊接，压缩喷嘴的侧壁上设置有保护气喷出通道多种作用，一部分气体用于形成等离子弧，另一部分气体通过通道进入压缩喷嘴既起冷却作用又作为保护气体。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为铝合金的复合焊接时反极性模式示意图；
图2为铝合金的复合焊接时正极性模式示意图；
图3为激光-异极性双等离子弧复合焊接头与激光束及电极配合工作时的剖视图；
图4为异极性双等离子弧电流模式图；
图5为铝合金件焊接好后接头示意图。
图标：10-铝合金的复合焊接头；101-焊接头本体；13-压缩喷嘴；131-复合电弧出口；14-固定机构；15-绝缘套；16-保护气喷出通道；111-激光束通道；112-电极容纳腔；1-激光束轴线；2-激光束；3-等离子弧；4-第一铝合金工件；5-第二铝合金工件；6-保护气罩；11-第一电极；12-第二电极；21-离子气和保护气。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下对本发明实施例提供的铝合金的复合焊接方法、喷嘴及机构进行具体描述。
本发明实施例提供的铝合金的复合焊接方法，包括：
利用复合焊接的方式对对接好的铝合金工件的连接缝处进行焊接，焊接方式为激光和等离子弧复合焊接，等离子弧为两个异极性的电极交替起弧，焊接过程中，任一极性的电极起弧形成电弧均与激光形成共熔池。
采用激光和等离子弧复合焊接，能够使得焊接时熔深得到大的提升，更重要的，采用两个异极性的电极分别作为正极和负极交替起弧，相比于仅使用一个电极交替通入正电和负电起弧，本申请对于电源的设计要求更低，而且所使用的电极不需要频繁发生极性变化也能极大增长电极的使用寿命。
铝合金工件激光焊接反射率较高，采用本发明提供的方法焊接时可明显改善激光吸收量少，焊接效果不佳的问题，将铝合金工件进行焊接前不需要通过酸碱洗去除铝合金氧化层，当开始进行焊接时，直流反接电极在前，直流正接电极在后，初始焊接时，电流大时间短，可快速清除铝合金表面高熔点氧化层，同时提高材料对激光的吸收率。去除完铝合金氧化层后开始焊接。因此，当焊接工件为铝合金工件时，不需要在焊接前额外处理表面的氧化层。需要特别说明的是，本发明提供的方法特别适合靠近焊接缝处厚度为2-10mm的铝合金工件，本发明提供的焊接方法对于此厚度的铝合金工件的焊接效果最好。
如图1-图3所示，具体焊接方法为：
首先将待焊接的铝合金工件的表面清洗干净以去除表面油污，避免油污对焊接造成不良影响。清洗干净后将铝合金工件干燥。
将干燥后的两个或多个铝合金工件对接安装夹紧，在本发明的实施例中是将第一铝合金工件4和第二铝合金工件5对接，相邻铝合金工件的对接处的间隙为连接缝，在本申请中对于待焊工件的装配要求不高，连接缝的宽度0-0.5mm即可。
铝合金工件对接好后，开始沿着连接缝进行焊接，焊接方式为激光和等离子弧复合焊接，等离子弧为两个异极性的电极交替起弧，焊接时保证激光与任一极性的电极起弧形成的电弧共熔池。
优选地，为使得焊接效果更好，复合焊接的激光束功率为1-5kw，两个异极性的电极中的一个直流正接，电流为30-200A，交替起弧时每次通电时间为15-25ms；两个异极性电极中的另一个直流反接，电流为50-220A，交替起弧时每次通电时间为3-8ms。电极直流正接是为负极起弧，直流反接时为正极起弧。电极电流通电规律如图4所示。
优选地，为保证激光与等离子弧共熔池，且进一步保证熔深，激光发生器发出的激光束2和等离子电极发出的等离子弧3从同一压缩喷嘴13喷出，压缩喷嘴13与铝合金工件的距离为2.5-3.5mm。激光束2和等离子弧3从同一压缩喷嘴发出，在压缩喷嘴13内时等离子弧3是通过电极和激光共同作用将气体电离，气体电离程度更高，焊接效果更好。
优选地，两个异极性的电极分别位于激光束的两侧，焊接时，沿焊接方向，直流反接电极在前，直流正接电极在后。直流反接电极在前使得焊接一开始阴极雾化，破除铝合金表面氧化膜。
优选地，选用氮气或惰性气体作为等离子弧焊接的离子气和保护气21，这些气体为等离子弧焊接常用气体，在本发明中惰性气体主要指氩气。优选地，为保证焊接效果更好气体流量为15-20L/min。
优选地，在本发明提供的实施例中，压缩喷嘴13具有供激光束2和等离子弧3喷出的复合电弧出口131，压缩喷嘴13的侧壁沿其周向上设置有保护气喷出通道16，保护气喷出通道16的一端与压缩喷嘴13的内部连通，另一端朝向靠近复合电弧出口131的方向延伸并与外界连通，以使得保护气从保护气喷出通道16喷出后形成保护气罩6，将激光束2和等离子弧3保护于保护气罩6内。
这种结构的压缩喷嘴的设计，等离子弧挺度高，等离子弧与激光束共同穿过复合电弧出口进行焊接，可实现焊枪内双热源复合，实现共熔池焊接。
电极高频振荡放电后一部分气体电离形成等离子弧3，另一部分气体既起冷却气又起保护气的作用。
优选地，每个电极的起弧端呈锥形，该锥形的尖端部位朝向连接缝。起弧端的尖端状的结构设计相对于球形的蓄热体式结构设计能够保证电弧更稳定，且这种结构简单，大规模生产成本也更低。
优选地，为进一步保证焊接效果更好，两个异极性的电极的起弧端之间的距离小于或等同于4mm。
如图1-图3所示，本发明实施例提供的一种铝合金的复合焊接头10，包括焊接头本体101，焊接头本体101设置有压缩喷嘴13，焊接头本体101内设置有激光束通道111和用于分别容纳两个异极性的电极的两个电极容纳腔112，激光束通道111具有激光束出口，每个电极容纳腔112具有电极出口，激光束出口和每个电极出口均朝向压缩喷嘴13。
焊接时，将两个异极性电极：第一电极11和第二电极12分别安装在铝合金的复合焊接头10的两个电极容纳腔112内，使得产生的等离子弧3可通过压缩喷嘴13；激光器设置在激光束通道111上方，使得激光束2能够穿过激光束通道111从压缩喷嘴13喷出，等离子弧3和激光束2均通过压缩喷嘴13喷出用于焊接，激光束出口和每个电极出口均朝向压缩喷嘴13可保证激光和等离子弧共熔池。焊接好后接头处示意图如图5所示。
优选地，激光束通道111位于两个电极容纳腔112之间。如此设置可保证在焊接时，能沿焊接方向将直流反接电极设置在前，以去除铝合金工件表面的氧化膜，直流正接电极设置在后，可以实现大厚度铝合金的焊接。
具体地，在本发明优选的实施例中，压缩喷嘴13上方设置有两个绝缘套15，两个电极容纳腔112分别开设于两个绝缘套15内。当电极安装在电极容纳腔112内后，绝缘套15起到绝缘的作用，提高焊接过程的安全性和稳定性。
优选地，在本申请实施例中，绝缘套15和压缩喷嘴13之间设置有固定机构14，用于将绝缘套15和压缩喷嘴13固定。
优选地，压缩喷嘴13具有供激光束2和等离子弧3喷出的复合电弧出口131，压缩喷嘴13的侧壁上设置有个保护气喷出通道16，保护气喷出通道16和激光束通道111连通，激光束通道111还用于供离子气和保护气通过，保护气喷出通道16的一端与激光束通道111连通，另一端朝向靠近复合电弧出口131的方向延伸并与外界连通，以使得保护气从保护气喷出通道16喷出后形成保护气罩6，将激光束2和等离子弧3保护于保护气罩6内。
焊接时，保护气和离子气为同一种气体，这种气体通过激光束通过111通入至压缩喷嘴13中，一部分气体作为离子气在激光和电极的作用下电离为等离子弧3，等离子弧3和激光束2一起从复合电弧出口131喷出，另一部分气体作为保护气，从保护气喷出通道16喷出，这部分保护气一方面起到保护激光束和等离子弧的作用，另一方面还作为冷却气。
本发明实施例还提供了铝合金的复合焊接枪，包括激光束发射机构和两个异极性的电极：第一电极11和第二电极12，以及本发明实施例提供的铝合金的复合焊接头10，激光束发射机构发出的激光束2穿过激光束通道111以使得激光束2从压缩喷嘴131发射出，两个异极性的电极分别设置于两个电极容纳腔112内以使得等离子弧3从压缩喷嘴131发射出。
优选地，每个电极的起弧端呈锥形，该锥形的尖端部位朝向复合电弧出口131。起弧端的结构设计相对于球形的蓄热体式结构设计能够保证电弧更稳定，且这种结构简单，大规模生产成本也更低。
使用时，铝合金的复合焊接枪接通电源，保护气从激光束通道111进入压缩喷嘴13内，激光束2按激光束轴线1的方向和等离子弧3从复合电弧出口131喷出，即作为保护气又作为离子气的气体从激光束通道111进入压缩喷嘴13内，一部分气体在激光束2和电极的作用下电离为等离子弧3，等离子弧3与激光束2一同从复合电弧出口131喷射出，另一部分气体作为保护气从保护气喷出通道16喷出在等离子弧3和激光束2周围形成保护气罩6起保护气的作用，这部分保护气同时还与熔池接触，也能起到冷却气的作用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的铝合金的复合焊接方法，包括以下步骤：
(1)采用3mm厚铝合金板作为焊接试验件，长度100mm，清洗去除工件表面油污并干燥；
(2)将两个铝合金工件对接安装夹紧，连接缝间隙在0-0.5mm内；
(3)调节激光束轴线1与连接缝重合，设定焊接参数，激光束2功率1kW，等离子弧第一电极11直流反接，电流-80A，时间4ms，等离子弧第二电极12直流正接，电流+80A，时间16ms，喷嘴离工件距离3mm，气体流量20L/min，焊接速度20mm/s，进行激光-双电极等离子复合焊接。
实施例2
本实施例提供的铝合金的复合焊接方法，包括以下步骤：
(1)采用8mm厚铝合金板作为焊接试验件，长度100mm，清洗去除工件表面油污并干燥；
(2)将两个铝合金工件对接安装夹紧，连接缝间隙在0-0.5mm内；
(3)调节激光束轴线1与连接缝重合，设定焊接参数，激光束2功率3kW，等离子弧第一电极11直流反接，电流-155A，时间4ms，等离子弧第二电极12直流正接，电流+125A，时间21ms，喷嘴离工件距离3mm，气体流量20L/min，焊接速度15mm/s，进行铝合金的复合焊接。
实施例3
本实施例提供的铝合金的复合焊接方法，包括以下步骤：
(1)采用10mm厚铝合金板作为焊接试验件，长度100mm，清洗去除工件表面油污并干燥；
(2)将两个铝合金工件对接安装夹紧，连接缝间隙在0-0.5mm内；
(3)调节激光束轴线1与连接缝重合，设定焊接参数，激光束2功率4.5kW，等离子弧第一电极11直流反接，电流-200A，时间3ms，等离子弧电极12直流正接，电流+140A，时间18ms，喷嘴离工件距离2.5mm，气体流量15L/min，焊接速度20mm/s，进行铝合金的复合焊接。
实施例4
本实施例提供的铝合金的复合焊接方法，包括以下步骤：
(1)采用8mm厚铝合金板作为焊接试验件，长度100mm，清洗去除工件表面油污并干燥；
(2)将两个铝合金工件对接安装夹紧，连接缝间隙在0-0.5mm内；
(3)调节激光束轴线1与连接缝重合，设定焊接参数，激光束2功率3kW，等离子弧第一电极11直流反接，电流-220A，时间3ms，等离子弧电极12直流正接，电流+200A，时间20ms，喷嘴离工件距离3mm，气体流量15L/min，焊接速度25mm/s，进行铝合金的复合焊接。
综上，本发明提供的铝合金的复合焊接方法，由于采用激光和等离子弧复合焊接，等离子热源增加了合金对激光的吸收，同时减低对激光功率要求和装配要求，且两者配合能够使得焊接时熔深得到大的提升；而且，采用正反极性电极交替焊接，焊接时使负极在前正极在后既可以在焊接过程中清理铝合金表面氧化物又可以实现大厚度合金的焊接，减少焊前准备工作。更重要的，采用两个异极性的电极分别作为正极和负极交替起弧，相比于仅使用一个电极交替通入正电和负电起弧，本申请对于电源的设计要求更低，而且所使用的电极不需要频繁发生极性变化也能减少电极烧损极大增长电极的使用寿命；而焊接过程保证激光和等离子弧共熔池使得本发明提供的复合焊接方法焊接效果好，适合大厚度的工件焊接。
进一步地，在本发明提供的焊接方法中，电极的起弧端设计为锥形，相较于球状末端电极，增加了电弧稳定性。
进一步地，在本发明提供的焊接方法中，通过对压缩喷嘴的设计，使得生成的等离子弧挺度高，与激光束同时穿过压缩喷嘴孔共同作用于工件，是真正的焊枪内双热源复合，实现共熔池焊接。压缩喷嘴同时设置保护气体通道，用于保护熔池和电弧并且用于冷却喷嘴，延长压缩喷嘴寿命。
本发明提供的铝合金的复合焊接头，通过合理设计，在焊接时，将激光器和电极与该焊接头装配好后能够实施本发明提供的焊接方法，实现对铝合金工件的焊接。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种铝合金的复合焊接方法，其特征在于，包括：
利用复合焊接的方式对对接好的铝合金工件的连接缝处进行焊接，焊接方式为激光和等离子弧复合焊接，等离子弧为两个异极性的电极交替起弧，焊接过程中，任一极性的电极起弧形成的电弧均与激光形成共熔池。
2.根据权利要求1所述的铝合金的复合焊接方法，其特征在于，复合焊接的激光束功率为1-5kw，两个异极性的电极中的一个直流正接，电流为30-200A，交替起弧时每次通电时间为15-25ms；两个异极性电极中的另一个直流反接，电流为50-220A，交替起弧时每次通电时间为3-8ms；
优选地，激光束和等离子弧从同一压缩喷嘴发出形成激光-交替异极性等离子复合电弧作用在所述铝合金工件上，所述压缩喷嘴与所述铝合金工件的距离为2.5-3.5mm；
优选地，所述压缩喷嘴具有供激光束和等离子弧喷出的复合电弧出口，所述压缩喷嘴的侧壁沿其周向上设置有保护气喷出通道，所述保护气喷出通道的一端与所述压缩喷嘴的内部连通，另一端朝向靠近所述复合电弧出口的方向延伸并与外界连通，以使得保护气从所述保护气喷出通道喷出后形成保护气罩，将所述激光束和所述等离子弧保护于所述保护气罩内。
3.根据权利要求1所述的铝合金的复合焊接方法，其特征在于，连接缝宽度为0-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的铝合金的复合焊接方法，其特征在于，两个异极性的电极分别位于激光束的两侧，焊接时，沿焊接方向，直流反接电极在前，直流正接电极在后；
优选地，每个所述电极的起弧端呈锥形，该锥形的尖端部位朝向所述连接缝；
优选地，两个异极性的电极的起弧端之间的距离小于或等于4mm。
5.根据权利要求1所述的铝合金的复合焊接方法，其特征在于，选用氮气或惰性气体作为等离子弧焊接的离子气和保护气；
优选地，气体流量为15-20L/min。
6.根据权利要求1所述的铝合金的复合焊接方法，其特征在于，所述铝合金工件靠近焊接缝处的厚度为2-10mm。
7.根据权利要求1所述的铝合金的复合焊接方法，其特征在于，焊接前对所述铝合金工件表面进行清洗以去除油污，然后干燥。
8.一种铝合金的复合焊接头，其特征在于，包括焊接头本体，所述焊接头本体设置有压缩喷嘴，所述焊接头本体内设置有激光束通道和用于分别容纳两个异极性的电极的两个电极容纳腔，所述激光束通道具有激光束出口，每个所述电极容纳腔具有电极出口，所述激光束出口和每个所述电极出口均朝向所述压缩喷嘴；
优选地，所述激光束通道位于两个所述电极容纳腔之间。
9.根据权利要求8所述的铝合金的复合焊接头，其特征在于，所述压缩喷嘴具有供激光束和等离子弧喷出的复合电弧出口，所述压缩喷嘴的侧壁沿其周向上设置有保护气喷出通道，所述激光束通道还用于供保护气和离子气通过，所述保护气喷出通道的一端与所述激光束通道连通，另一端朝向靠近所述复合电弧出口的方向延伸并与外界连通，以使得保护气从所述保护气喷出通道喷出后形成保护气罩，将所述激光束和所述等离子弧保护于所述保护气罩内。
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