CN110732775A - 一种双电弧辅助激光焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电弧辅助激光焊接装置及方法，该装置包括焊接工作台、水平面移动装置、底座、环形滑动导轨、TIG焊接滑动导轨、激光导轨、等离子弧焊枪导轨、同轴送粉装置；处于同一平面的TIG焊接装置、激光装置和等离子弧焊接装置，水平面移动装置调节焊接工作台在水平面移动，环形滑动导轨固设在底座上，TIG焊接装置、激光装置、等离子弧焊接装置分别与TIG焊接滑动导轨、激光导轨、等离子弧焊枪导轨连接，TIG焊接滑动导轨和等离子弧焊枪导轨均设置在环形滑动导轨上，激光导轨固设在环形滑动导轨上，同轴送粉装置与等离子弧焊接装置连接。本发明提高焊接速度的同时保证接头背面能够熔透，在保证焊缝纯净度的同时使得焊缝的成形美观，焊缝质量高。

Description

一种双电弧辅助激光焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种双电弧辅助激光焊接装置及方法。

背景技术

铝/钢异种金属被广泛应用于汽车工业中，由于铝和钢的焊接性很差，采用传统的焊接方法很难实现铝/钢异种金属高质量的连接，必须要采用适当的焊接方法，与传统焊接工艺相比，激光焊接具有能量集中，焊接熔深比高，焊接变形小，形成的焊缝组织晶粒细微，焊接效率高等特点，得到了广泛的应用，但是常规单一热源的激光焊接技术由于加热宽度窄，不利于金属的铺展，已经不能满足实际生产中的要求。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种双电弧辅助激光焊接装置及方法，本发明通过同轴送粉的方法，对薄板铝钢材料进行对接焊，在优化后工作参数下焊接时，TIG电弧的加入可以促使熔池中的杂质和气体快速上浮，减少气孔和夹渣；降低焊接残余应力，减少焊接变形，采用等离子弧同轴送粉，增加焊接过程中的稳定性，进而提高了焊接接头的强度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种双电弧辅助激光焊接装置，包括：

焊接工作台、水平面移动装置、底座、环形滑动导轨、TIG焊接装置、TIG焊接滑动导轨、激光装置、激光导轨、等离子弧焊接装置、等离子弧焊枪导轨和同轴送粉装置；

所述底座与水平面移动装置连接，所述水平面移动装置与焊接工作台连接，所述水平面移动装置调节焊接工作台在水平面移动，所述环形滑动导轨固设在底座上，所述TIG焊接装置与TIG焊接滑动导轨活动连接，所述激光装置与激光导轨活动连接，所述等离子弧焊接装置与等离子弧焊枪导轨活动连接，所述TIG焊接滑动导轨和等离子弧焊枪导轨均活动设置在环形滑动导轨上，所述激光导轨固定设置在环形滑动导轨上，所述TIG焊接装置、激光装置和等离子弧焊接装置处于同一平面，形成的同一平面与焊接工作台的平面相互垂直，所述同轴送粉装置与等离子弧焊接装置连接。

作为优选的技术方案，所述TIG焊接装置与等离子弧焊接装置分别位于激光装置两侧，沿焊接方向运动时，所述等离子弧焊接装置相对设置在激光装置前方，所述TIG焊接装置相对设置在激光装置后方。

作为优选的技术方案，所述水平面移动装置包括X轴移动装置和Y轴移动装置，

所述Y轴移动装置包括Y轴滑动导轨、Y轴双向丝杠和Y轴步进电机，

所述Y轴滑动导轨通过第一联轴器与Y轴双向丝杠连接，所述Y轴双向丝杠上设有第一滚珠丝杠螺母，所述第一滚珠丝杠螺母与X轴移动装置连接；

所述X轴移动装置包括X轴滑动导轨、X轴双向丝杠和X轴步进电机，

所述X轴步进电机通过联轴器与X轴双向丝杠连接，所述X轴双向丝杠上设有第二滚珠丝杠螺母，所述第二滚珠丝杠螺母与焊接工作台连接。

作为优选的技术方案，所述TIG焊接滑动导轨设有带有轴承的第一承载滑座，所述等离子弧焊枪导轨设有带有轴承的第二承载滑座，所述TIG焊接滑动导轨通过第一承载滑座与环形滑动导轨活动连接，所述等离子弧焊枪导轨通过第二承载滑座与环形滑动导轨活动连接。

作为优选的技术方案，所述TIG焊接滑动导轨设有第一滑块，所述等离子弧焊枪导轨设有第二滑块，所述激光滑轨设有第三滑块，所述TIG焊接装置通过第一滑块与TIG焊接滑动导轨活动连接，所述等离子弧焊接装置通过第二滑块与等离子弧焊枪导轨活动连接，所述激光装置通过第三滑块与激光滑轨活动连接。

作为优选的技术方案，所述TIG焊接装置与激光装置之间的位置夹角范围设置为60-90°，所述等离子弧焊接装置与激光装置之间的位置夹角范围设置为45-90°。

作为优选的技术方案，所述激光装置与TIG焊接装置之间的水平距离设置为5-20mm，所述激光装置与等离子弧焊接装置之间的水平距离设置为2-5mm。

作为优选的技术方案，所述激光装置的功率值设置为0.5-3KW，所述等离子弧焊接装置的电流值设置为10-30A，所述TIG焊接装置的电流值设置为5-25A，热源中心距设置为5-25mm。

本发明还提供一种双电弧辅助激光焊接方法，包括下述步骤：

设置激光装置与双电弧装置复合焊接，所述双电弧装置采用等离子弧焊接装置和TIG焊接装置，等离子弧焊接装置和TIG焊接装置分别设于激光装置两侧，并与激光装置形成同一平面；

启动等离子弧焊接装置，所述激光装置沿焊缝垂直入射进行焊接，所述TIG焊接装置延迟启动焊接；

沿着焊接方向，所述等离子弧焊接装置相对设置在激光装置前方，所述等离子弧焊接装置、TIG焊接装置和激光装置保持固定的夹角和间距进行复合焊接。

作为优选的技术方案，还包括同轴送粉进行对接焊的步骤，启动同轴送粉装置，同轴送粉装置喷射粉末流，引弧使等离子弧的主弧工作。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明在焊接过程中保持运动速度一致，主要热源为激光束，等离子弧作为热源融化掉合金粉末并且与激光束共同作用于一个熔池，提高焊接速度的同时保证接头背面能够熔透，在保证焊缝纯净度的同时使得焊缝的成形美观，焊缝质量高。

(2)本发明采用了TIG小电流电弧的方法，通过调整TIG电弧与激光光束水平间隔，使得TIG电弧并不直接作用于熔池，而是通过影响熔池的温度场分布进一步改善熔化金属的浸润铺展性。

(3)本发明采用了同轴送粉的方式，实现很好的气体保护，解决了填充粉末易被空气中氮氧元素影响的问题，同时能够随时调节粉末种类以及添加量，在实现很好的填充的同时也增加了焊接效率。

(4)本发明在焊接时，由于等离子弧结构位置在激光光源前，同时提前启动，能够起到焊前预热的作用，降低了熔池冷却速度，从而减少了裂纹倾向。

附图说明

图1为本实施例双电弧辅助激光焊接装置的整体结构示意图；

图2为本实施例双电弧辅助激光焊接装置的整体俯视图；

图3为本实施例双电弧辅助激光焊接装置的各部分焊枪的位置关系示意图。

其中，1-Y轴滑动导轨、2-焊接工作台、3-X轴滑动导轨、4-步进电机、5-环形滑动导轨、6-TIG焊接装置、7-TIG焊接滑动导轨、8-激光装置、9-等离子弧焊枪导轨、10-等离子弧焊接装置，11、同轴送粉装置，12-钢板，13-铝板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1、图2所示，并结合图3所示，本实施例提供一种双电弧辅助激光焊接装置，包括：Y轴滑动导轨1、焊接工作台2、X轴滑动导轨3、步进电机4、环形滑动导轨5、TIG焊接装置6、TIG焊接滑动导轨7、激光装置8、等离子弧焊枪导轨9、等离子弧焊接装置10和同轴送粉装置11；

在本实施例中，将激光装置8、等离子弧焊接装置10和TIG焊接装置6固定设置在圆形导轨的相应预设的位置，微机系统通过预先设计路径，控制步进电机驱动双向丝杠运动，双向丝杠调节Y轴滑动导轨1和X轴滑动导轨3运动，进而控制焊接工作台2的移动，双电弧辅助激光焊接装置按照预设的路径运行；

在本实施例中，等离子弧焊枪导轨9控制等离子弧焊接装置10的径向移动，TIG焊接滑动导轨7控制TIG焊接装置6的径向移动，环形滑动导轨5控制等离子弧焊接装置10和TIG焊接装置6的径向移动，

TIG焊接装置6、激光装置8、等离子弧焊接装置10位于同一平面上，TIG焊接滑动导轨7、等离子弧焊枪导轨9与环形滑动导轨5均通过带轴承的承载滑座相连，实现TIG焊接装置6和等离子弧焊接装置10在环形滑动导轨5上的移动，实现电弧角度的变化，TIG焊接装置6和等离子弧焊接装置10均通过滑块分别与TIG焊接滑动导轨7和等离子弧焊枪导轨9连接，实现径向的移动，完成焊枪与焊接工件的距离调节。

激光装置在水平方向固定，相应地也设有激光滑轨，实现垂直方向的移动。

Y轴滑动导轨1和X轴滑动导轨3分别控制焊接工作台2在Y轴和X轴上的移动，通过电机驱动双向丝杠转动，从而带动焊接工作台2下的滚珠丝杠螺母直线运动，进而控制焊接工作台2在Y轴和X轴上的移动；

本实施例的双向丝杠即左右旋丝杠，丝杠的螺纹一半为左旋，一半为右旋，丝杠向一个方向旋转时，螺纹上的两个螺母向两头分开或者靠拢；

本实施例的滚珠丝杠螺母机构的工作原理为：在丝杠和螺母上各加工有圆弧形螺旋槽，将丝杠和螺母套装后形成螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠，当丝杠相对螺母旋转时，丝杠的旋转面通过滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠和丝杠、螺母之间的滚动摩擦，螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路，达到控制焊接工作台2通过双向丝杠在Y轴和X轴上移动的效果。

结合图3所示，本实施例还提供一种双电弧辅助激光焊接方法，包括下述步骤：

焊前准备：用钢刷或者角磨机在铝板13的正反表面进行打磨，然后迅速用棉花或毛刷蘸取适量丙酮擦拭铝板13和钢板12的表面，并向铝板13上涂覆助溶剂后晾干固定在特定的焊接夹具上面。考虑到铝合金的化学性质比较活泼，表面氧化成的Al2O3熔点高，约为2054℃，处理不当会对试验结果造成不利的影响，所以每次清理使要快速处理；

调整激光束与TIG电弧以及等离子弧的相对位置，使激光束垂直于母材表面，等离子弧与激光束作用于同一个熔池，TIG电弧与激光出射头保持一定的夹角和间距。

如图3所示，沿焊接前进方向，等离子弧在前，激光束在中，TIG电弧在后，三者位于同一平面内，在同一条轴线成串行排布，沿着焊接方向左右角度均为90°，电弧与激光束之间的夹角为60-90°，等离子弧与激光束夹角为45°～90°，焊材表面，激光束与TIG电弧水平间距(热源中心距)设置L2，取值范围为5～20mm，等离子弧与激光束距离设为L1，取值范围为2～5mm，激光束，同轴送粉装置11均为自动启停控制，等离子弧的引燃弧工作，同时启动同轴送粉装置11，使得同轴送粉装置11喷嘴喷射粉末流，然后引弧使得等离子弧的主弧开始工作，同时启动激光装置，TIG电弧启动和停止均滞后2～3s。

在本实施例中，焊接时采用氩气作为保护气体，采用正反两面保护，气体流量为5～10L/min。

本实施例激光的功率为0.5～3KW，等离子弧的电流为10～30A，TIG电弧电流为5～25A，热源中心距为5～25mm。

在本实施例中，在焊接过程中，始终保持等离子弧，激光束，TIG电弧枪在同一条轴线成串行排布，设置优选参数如下：激光束与TIG电弧水平间距(热源中心距)为5mm，夹角为60°，等离子弧与激光出射头夹角为45°，水平间距为2mm；

在本实施例中，设置其它工艺优选参数为：激光功率为1kW，焊接速度10mm/s，离焦量为0mm，送粉速度为5g/min激光保护气流为氩气，气体流量为10L/min，TIG电弧电流为10A，电弧电压为14V，弧长为3mm，热源中心距为5mm，等离子弧电流为10A，电弧保护气体流量均为10L/min，实现了更快的焊接速度，同时，TIG电弧和等离子弧的加入使得焊接接头成形优良，接头背部成形完好；

本实施例优选的方案步骤为：进行焊接操作，设置好焊接参数后，先通入保护气体，焊接是沿焊接前进方向，等离子弧在前，激光束在中，TIG电弧在后，三者位于同一平面内，沿着焊接方向左右角度均为90°，电弧与激光束之间的夹角为60°，等离子弧与激光束夹角为45°，焊材表面，激光束与TIG电弧的距离(热源中心距)为5mm。等离子弧与激光束距离为2mm，激光束，同轴送粉装置均为自动启停控制，等离子弧的引燃弧工作，同时启动同轴送粉装置，使得同轴送粉装置喷嘴喷射粉末流，然后引弧使得等离子弧的主弧开始工作，1-2s后启动激光装置，TIG电弧启动和停止均滞后2～3s。待熔池冷却后停止通入保护气体；

在本实施例中，同轴送粉装置内的粉末材料颗粒度为300～400目的合金粉末(Mg、Al、B、Zn等金属)当等离子弧引燃时，同轴送粉装置同步启动，送粉喷嘴喷射粉末流，到达熔融区时先经过光束，被加热到红热状态，落入到熔池，送粉量可以根据相关参数调整，一般为5g/min～20g/min；

在本实施例中，TIG具有电弧稳定，飞溅少等特点，同时焊接纯净度高等特点，适合单面焊双面成形的焊接，激光焊接具有能量集中以及焊缝组织晶粒细微，焊接变形小，焊接质量高等特点，等离子弧具有能量集中、生产率高、焊接速度快、应力变形小、电孤稳定且适宜焊接薄板和箱材等特点，采用TIG小电弧，等离子弧和激光束三者相结合的方法，TIG电弧作为辅助电弧，激光束和等离子弧共同作用于熔池，加以同轴送粉的方法，在实现高速化焊接的同时又能将三者优势互补，实现高质量的焊接接头。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双电弧辅助激光焊接装置，其特征在于，包括：焊接工作台、水平面移动装置、底座、环形滑动导轨、TIG焊接装置、TIG焊接滑动导轨、激光装置、激光导轨、等离子弧焊接装置、等离子弧焊枪导轨和同轴送粉装置；

所述底座与水平面移动装置连接，所述水平面移动装置与焊接工作台连接，所述水平面移动装置调节焊接工作台在水平面移动，所述环形滑动导轨固设在底座上，所述TIG焊接装置与TIG焊接滑动导轨活动连接，所述激光装置与激光导轨活动连接，所述等离子弧焊接装置与等离子弧焊枪导轨活动连接，所述TIG焊接滑动导轨和等离子弧焊枪导轨均活动设置在环形滑动导轨上，所述激光导轨固定设置在环形滑动导轨上，所述TIG焊接装置、激光装置和等离子弧焊接装置处于同一平面，形成的同一平面与焊接工作台的平面相互垂直，所述同轴送粉装置与等离子弧焊接装置连接。

2.根据权利要求1所述的双电弧辅助激光焊接装置，其特征在于，所述TIG焊接装置与等离子弧焊接装置分别位于激光装置两侧，沿焊接方向运动时，所述等离子弧焊接装置相对设置在激光装置前方，所述TIG焊接装置相对设置在激光装置后方。

3.根据权利要求1所述的双电弧辅助激光焊接装置，其特征在于，所述水平面移动装置包括X轴移动装置和Y轴移动装置，

所述Y轴移动装置包括Y轴滑动导轨、Y轴双向丝杠和Y轴步进电机，

所述Y轴滑动导轨通过第一联轴器与Y轴双向丝杠连接，所述Y轴双向丝杠上设有第一滚珠丝杠螺母，所述第一滚珠丝杠螺母与X轴移动装置连接；

所述X轴移动装置包括X轴滑动导轨、X轴双向丝杠和X轴步进电机，

所述X轴步进电机通过联轴器与X轴双向丝杠连接，所述X轴双向丝杠上设有第二滚珠丝杠螺母，所述第二滚珠丝杠螺母与焊接工作台连接。

4.根据权利要求1所述的双电弧辅助激光焊接装置，其特征在于，所述TIG焊接滑动导轨设有带有轴承的第一承载滑座，所述等离子弧焊枪导轨设有带有轴承的第二承载滑座，所述TIG焊接滑动导轨通过第一承载滑座与环形滑动导轨活动连接，所述等离子弧焊枪导轨通过第二承载滑座与环形滑动导轨活动连接。

5.根据权利要求1所述的双电弧辅助激光焊接装置，其特征在于，所述TIG焊接滑动导轨设有第一滑块，所述等离子弧焊枪导轨设有第二滑块，所述激光滑轨设有第三滑块，所述TIG焊接装置通过第一滑块与TIG焊接滑动导轨活动连接，所述等离子弧焊接装置通过第二滑块与等离子弧焊枪导轨活动连接，所述激光装置通过第三滑块与激光滑轨活动连接。

6.根据权利要求1所述的双电弧辅助激光焊接装置，其特征在于，所述TIG焊接装置与激光装置之间的位置夹角范围设置为60-90°，所述等离子弧焊接装置与激光装置之间的位置夹角范围设置为45-90°。

7.根据权利要求1所述的双电弧辅助激光焊接装置，其特征在于，所述激光装置与TIG焊接装置之间的水平距离设置为5-20mm，所述激光装置与等离子弧焊接装置之间的水平距离设置为2-5mm。

8.根据权利要求1所述的双电弧辅助激光焊接装置，其特征在于，所述激光装置的功率值设置为0.5-3KW，所述等离子弧焊接装置的电流值设置为10-30A，所述TIG焊接装置的电流值设置为5-25A，热源中心距设置为5-25mm。

9.一种双电弧辅助激光焊接方法，其特征在于，包括下述步骤：

设置激光装置与双电弧装置复合焊接，所述双电弧装置采用等离子弧焊接装置和TIG焊接装置，等离子弧焊接装置和TIG焊接装置分别设于激光装置两侧，并与激光装置形成同一平面；

启动等离子弧焊接装置，所述激光装置沿焊缝垂直入射进行焊接，所述TIG焊接装置延迟启动焊接；

沿着焊接方向，所述等离子弧焊接装置相对设置在激光装置前方，所述等离子弧焊接装置、TIG焊接装置和激光装置保持固定的夹角和间距进行复合焊接。

10.根据权利要求9所述的双电弧辅助激光焊接方法，其特征在于，还包括同轴送粉进行对接焊的步骤，启动同轴送粉装置，同轴送粉装置喷射粉末流，引弧使等离子弧的主弧工作。

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