CN111185666B - 一种扫描激光-tig电弧复合深熔焊接方法 - Google Patents

一种扫描激光-tig电弧复合深熔焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种扫描激光‑TIG电弧复合深熔焊接方法。包括：激光束与TIG电弧共同作用于工件并形成一个焊接熔池，激光束呈竖直向下设置，TIG电弧设置在所述激光束后侧并倾斜一定角度；复合焊接时，在工件上的熔池前端填充焊丝；通过调节激光束的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度，使所述激光束的焦斑位置在工件厚度方向的扫描路径为椭圆形或圆形，形成焊缝并完成工件焊接。本发明方法更利于小孔稳定和焊接质量的提高，从而提高深熔穿透焊缝的背面熔宽和焊缝背宽比，进一步提高接头的力学性能。

Description

一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法。
背景技术
激光电弧复合焊接是将物理性能、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，既能充分发挥两种热源各自的优势，又相互弥补了各自的不足，从而形成了一种全新高效的焊接方法。其中，激光-TIG电弧复合焊接过程平稳（TIG焊接即钨极惰性气体焊，一般称作非熔化极气体保护焊），电弧稳定性好，易获得良好的焊缝成形。
在激光电弧复合焊接过程中，对焊缝熔深起主要作用的是激光热源，对焊缝正面熔宽起主要作用是电弧热源。对于激光热源而言，激光功率密度是影响激光焊接效果的关键参数之一。激光功率密度即激光功率与激光束的光斑直径之比。一般情况下，当作用于工件表面的激光功率密度超过106W/cm2时，易于实现稳定的激光深熔焊接效果，当焊接深度超过工件壁厚时，即可实现深熔穿透焊接效果。
激光离焦量通过改变激光功率密度，进而改变激光焊接效果。零离焦位置处，激光束的光斑直径最小，此时激光功率密度最大，即激光束的穿透性最强。在高激光功率焊接过程中，当激光离焦量为零时，即激光束的焦斑位于工件表面，此种状态更易于实现激光深熔焊接；当激光离焦量为负值且分布在-δ/2～-δ/3范围内（δ为工件壁厚），虽然作用于工件表面位置处激光束的光斑直径大于焦斑直径，致使激光束的穿透性有所降低，但到达工件厚度方向中间区域的激光束的光斑直径最小，相对激光功率密度较高，更易于维持小孔稳定，故焊接飞溅和焊缝正面的咬边现象均明显减少，焊接效果更好。
此外，现有的激光-TIG电弧复合焊接，激光束的离焦量均为恒定状态；即使采用扫描振镜激光，也是在工件表面实现激光束的扫描轨迹，其离焦量也基本保持恒定状态。另外，扫描振镜激光通过在激光头内部设计振镜，不仅增加了光束传输距离，而且激光束经过振镜时，振镜对光束能量也会造成一定的损耗。
在高功率激光-TIG电弧复合焊接过程中，当激光离焦量为零时，虽然激光束的穿透性最强，焊缝背面熔宽也较宽，但是当焊接工件壁厚较大时，例如工件壁厚为4mm～8mm钛合金的深熔穿透焊接，零离焦时的焊接飞溅较大，焊缝正面的咬边现象也较明显。当保持上述高激光功率，激光离焦量为负值且分布在-δ/2～-δ/3范围内，虽然焊接过程更加稳定，焊缝成形质量更佳，然而焊缝背面熔宽有所降低。
焊缝背宽比即焊缝背面熔宽与正在熔宽之比，当焊缝背宽比大于0.4时，不仅激光深熔穿透焊缝成形质量佳，而且接头的拉伸性能和疲劳性能也相对更好。因此，在复合焊接时，通过提高激光束的穿透性，进而获得较大的焊缝背面熔宽是获得良好接头性能的前提条件之一。此外，降低激光束在传输过程中的能量损耗也有利于保持激光束的穿透性。
鉴于此，如何提供一种激光束穿透性强、能获得较大焊缝背面熔宽且能降低降低激光束在传输过程中的能量损耗的扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法是本领域技术人员亟需解决的技术难题。
发明内容
（1）要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，复合焊接时，通过调节激光束的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度，使所述激光束的焦斑位置在工件厚度方向的扫描路径为椭圆形或圆形，形成焊缝。有利于提高深熔穿透焊缝的焊接效果。
（2）技术方案
本发明的实施例提出了一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，包括：激光束与TIG电弧共同作用于工件并形成一个焊接熔池，激光束呈竖直向下设置，TIG电弧设置在所述激光束后侧并倾斜一定角度；复合焊接时，在工件上的熔池前端填充焊丝；通过调节激光束的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度，使所述激光束的焦斑位置在工件厚度方向的扫描路径为椭圆形或圆形，形成焊缝并完成工件焊接。
进一步地，所述激光束与垂直方向的倾角范围不大于±15°。
进一步地，所述激光束的扫描频率调节范围为30-300Hz。
进一步地，所述激光束为光纤激光或YAG激光（激光的种类很多，有气体激光、液体激光、半导体激光、和固体激光，其中固体激光包含红宝石激光、蓝宝石激光和YAG激光等，YAG激光属于固体激光的一种，它不同于红宝石和蓝宝石激光它的发光晶体是石榴石。），所述激光束的焦长为150mm-500mm，所述激光束的焦斑直径为0.2mm-0.6mm。
进一步地，所述TIG电弧由TIG焊枪产生，所述TIG焊枪包括钨极，所述钨极的轴心与竖直方向的倾角为30°-60°，所述钨极的尖端与工件表面的垂直距离为1.5mm-5mm，所述钨极的尖端与所述激光束的扫描中心之间的水平距离为3mm-5mm。
进一步地，所述焊丝的直径为0.8mm-1.6mm。
进一步地，所述焊丝包括冷丝或经加热装置加热后的热丝。
进一步地，所述激光束由激光头产生，所述激光头与旋转驱动装置连接，所述旋转驱动装置用于调节所述激光束的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度。
进一步地，当激光束的焦斑位置为椭圆形扫描轨迹时，椭圆形扫描轨迹的长轴与工件表面垂直，且椭圆形扫描轨迹与工件上表面相切。
进一步地，椭圆形扫描轨迹的长轴调节范围为工件厚度的三分之一至工件厚度的二分之一；椭圆形扫描轨迹的短轴调节长度范围不大于长轴的长度。
（3）有益效果
本发明提出了一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，通过激光头外部旋转驱动装置使激光头平移旋转，带动激光束焦斑位置在竖直平面内呈椭圆形或圆形旋转扫描；当激光束焦斑位置瞬间位于工件表面时，激光功率密度最高，更有利于深熔焊接；伴随着激光束焦斑位置从工件表面移动至母材厚度方面中间区域，激光束的能量虽然有所降低，但其发散程度逐渐缩小，使激光功率密度动态保持在较高水平，更利于小孔稳定和焊接质量的提高。
本发明方法使具有相对较高激光功率密度的焦斑位置高速从工作表面向厚度方向中心区域深入，有利于进一步提高复合热源中激光束的穿透性，从而提高深熔穿透焊缝的背面熔宽和焊缝背宽比，进一步提高接头的力学性能。
除此之外，本发明方法更易于获得焊缝横截面呈近X形的焊缝形貌，通过提高焊接接头正反面的几何对称度，进一步减小焊接残余应力和变形，提高焊接结构的制造精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接的原理图；
图2是本发明实施例的又一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接的原理图。
图中：1-激光头；2-激光束；3-激光束焦斑位置扫描路径；4-TIG焊枪；5-送丝装置；6-焊丝；7-工件；8-熔池。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参照附图1-附图2并结合实施例来详细说明本申请。
参阅附图1所示，根据本发明实施例的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，包括：激光束2与TIG电弧共同作用于工件7并形成一个焊接熔池8，激光束2呈竖直向下设置，TIG电弧设置在所述激光束2后侧并倾斜一定角度；复合焊接时，在工件7上的熔池8前端填充焊丝6；通过调节激光束2的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度，使所述激光束2的焦斑位置在工件7厚度方向的扫描路径为椭圆形或圆形，形成焊缝并完成工件7焊接。
具体地，如附图1所示，焊丝6可由送丝装置5进行填充。
在本发明实施例中，通过调节激光束2的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度使得激光束2的焦斑位置在工件7厚度方向的扫描路径为椭圆形或圆形。首先，激光束2的焦斑位置瞬间位于工件7表面时，激光离焦量为零，激光功率密度最高，更有利于深熔焊接；随后，随着焊接的进行，激光束2逐渐向下移动，激光束2的焦斑位置也逐渐向下移动，伴随着激光束2焦斑位置从工件7表面移动至厚度方向的中间区域时，致使激光束2的穿透性有所降低，但到达工件7厚度方向中间区域的激光束2的光斑直径最小，相对激光功率密度仍然较高，更易于维持小孔稳定，有利于进一步提高复合热源中激光束2的穿透性，提高深熔穿透焊缝的背面熔宽和焊缝背宽比，从而使得焊接飞溅和焊缝正面的咬边现象均明显减少，进一步提高接头的力学性能，焊接效果更好。
根据本发明实施例的又一实施例中，参阅附图1所示，激光束2与垂直方向的倾角范围不大于±15°。将激光束2与垂直方向的倾角范围限定再±15°以内，有利于保持激光束与工件7保持垂直状态，一方面可以提高焊接接头正反面的几何对称度，进一步减小焊接残余应力和变形，提高焊接结构的制造精度；另一方面便于形成规则的椭圆形或圆形的焦斑位置，确保激光束2焦斑位置限定在规则的椭圆形或圆形内，使激光功率密度动态保持在较高水平，更利于小孔稳定和焊接质量的提高。
根据本发明实施例的又一实施例中，激光束2的扫描频率调节范围可以为30-300Hz，激光束2可以为光纤激光或YAG激光，激光束2的焦长可以为150mm-500mm，激光束2的焦斑直径可以为0.2mm-0.6mm。当激光束2的焦斑直径为0.2mm-0.6mm范围时，易于实现激光功率密度大于106W/cm2，从而易于实现在1mm-8mm的薄壁金属材料的深熔穿透焊接。
根据本发明实施例的另一实施例中，参阅附图1所示，TIG电弧可以由TIG焊枪4产生，TIG焊枪4包括钨极，钨极的轴心与竖直方向的倾角为30°-60°，钨极的尖端与工件7表面的垂直距离为1.5mm-5mm，钨极的尖端与激光束2的扫描中心之间的水平距离为3mm-5mm。将TIG焊枪4的钨极的尖端与工件7表面的垂直距离为1.5mm-5mm，钨极的尖端与激光束2的扫描中心之间的水平距离为3mm-5mm范围时，一方面可以确保TIG焊枪4释放的能量在熔池8中满足最低的能量密度要求，另一方面可以减少TIG焊枪4阻挡激光束2的输出范围，从而能保证激光束2的焦斑位置限定在规则的椭圆形或圆形内。
根据本发明实施例的另一实施例中，参阅附图1所示，焊丝6的直径可以为0.8mm-1.6mm，焊丝6包括冷丝或经加热装置加热后的热丝。选用冷丝或经加热装置加热后的热丝都可以作为焊丝6来使用，经实验验证，其对焊接结果影响有限，而选用0.8mm-1.6mm直径的焊丝6，在深熔焊接过程中基本上可以覆盖所有的焊缝。
根据本发明实施例的另一实施例中，参阅附图1所示，激光可以由激光头1产生，激光头1可以与旋转驱动装置连接，旋转驱动装置可以用于调节激光束2的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度。一般的，激光可以由激光焊接装置的激光头1输出，而为了保证输出激光的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度满足要求，激光头1可以由旋转驱动装置来驱动，比如旋转驱动装置选用机器人执行端配置旋转电机等，可以确保输出激光的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度满足要求。
根据本发明实施例的另一实施例中，当激光束2的焦斑位置为椭圆形扫描轨迹时，椭圆形扫描轨迹的长轴与工件7表面垂直，且椭圆形扫描轨迹与工件7上表面相切。将激光束2的焦斑位置设置为椭圆形或圆形可以使得到达工件7厚度方向中间区域的激光束2的光斑直径最小，相对激光功率密度仍然较高，更易于维持小孔稳定，有利于进一步提高复合热源中激光束2的穿透性，提高深熔穿透焊缝的背面熔宽和焊缝背宽比，从而使得焊接飞溅和焊缝正面的咬边现象均明显减少，进一步提高接头的力学性能，焊接效果更好。
进一步地，参阅附图2所示，椭圆形扫描轨迹的长轴调节范围为工件7厚度的三分之一至工件7厚度的二分之一；椭圆形扫描轨迹的短轴调节长度范围不大于长轴的长度。当激光离焦量分布在-δ/2～-δ/3范围内（δ为工件7的壁厚），虽然作用于工件7表面位置处激光束2的光斑直径大于焦斑直径，致使激光束2的穿透性有所降低，但到达工件7厚度方向中间区域的激光束的光斑直径最小，相对激光功率密度较高，更易于维持小孔稳定，故焊接飞溅和焊缝正面的咬边现象均明显减少，焊接效果更好。
下面以另一个具体的实施例来说明本发明实施例所示的扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法。
如附图1和附图2所示，首先，采用机械手带动复合焊炬实现如本发明实施例所述的扫描激光-TIG电弧复合方式，选取的焊接工件7为厚度6mm的TC4钛合金中厚板，焊接过程中工件7静止，即动光式焊接，激光束焦斑位置扫描路径3在竖直平面内呈椭圆形，激光束2呈竖直状态，TIG焊枪4的钨极轴心与竖直方面的倾角为40°，钨极尖端与工件7表面的垂直距离为1.5mm，钨极尖端与激光束2的扫描中心之间的水平距离为3mm。椭圆形扫描轨迹的长轴a为工件7厚度δ的三分之一，即2mm；椭圆形扫描轨迹的短轴b为长轴a的二分之一，即1mm。激光束2的扫描频率调节范围在100Hz，激光束2采用光纤激光，焦长为250mm，激光束2的焦斑直径为0.25mm。焊丝6选用直径1.2mm的TC4钛合金焊丝。焊前工件7不开设坡口，采用对接拼焊方式，焊前采用化学清洗方法去除表面的油污和氧化膜。
当采用4600W-5500W激光功率、1.2m/min-1.8m/min焊接速度和2.0m/min-4.0m/min送丝速度，可以获得表面成形和内部质量良好的深熔穿透焊接接头。而且，焊缝背面熔宽和焊缝背宽比均有一定程度的增大，接头的力学性能获得进一步提升，焊接残余应力和变形得到一定程度的减小。
除此之外，附图1和附图2所示，还可以采用机械手带动复合焊炬实现如本发明实施例所述的扫描激光-TIG电弧复合方式，焊接厚度为4mm的6061铝合金中厚板，焊接过程中工件7静止，即动光式焊接，激光束焦斑位置扫描路径3在竖直平面内呈椭圆形，激光束2的旋转中轴线与焊接平面法线呈10°，TIG焊枪4的钨极轴心与竖直方面的倾角为40°，钨极尖端与工件7表面的垂直距离为1.5mm，钨极尖端与激光束2的扫描中心之间的水平距离为3mm。椭圆形扫描轨迹的长轴a为工件7厚度δ的二分之一，即2mm；椭圆形扫描轨迹的短轴b为长轴a的二分之一，即1mm。激光束2的扫描频率调节范围在100Hz，激光束2采用光纤激光，焦长为250mm，激光束2的焦斑直径为0.25mm。焊丝6选用直径1.2mm的ER5356铝合金焊丝。焊前工件7不开设坡口，采用对接拼焊方式，焊前采用化学清洗方法去除表面的油污和氧化膜。
当采用3000W-4000W激光功率、1.2m/min-1.8m/min焊接速度和1.5m/min-3.0m/min送丝速度，可以获得表面成形和内部质量良好的深熔穿透焊接接头。而且，焊缝背面熔宽和焊缝背宽比均有一定程度的增大，接头的力学性能获得进一步提升，焊接残余应力和变形得到一定程度的减小。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，所述复合深熔焊接方法包括：
激光束与TIG电弧共同作用于工件并形成一个焊接熔池，激光束呈竖直向下设置，TIG电弧设置在所述激光束后侧并倾斜一定角度；
复合焊接时，在工件上的熔池前端填充焊丝；通过调节激光束的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度，使所述激光束的焦斑位置在工件厚度方向的扫描路径为椭圆形或圆形，形成焊缝并完成工件焊接。
2.根据权利要求1所述的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，所述激光束与垂直方向的倾角范围不大于±15°。
3.根据权利要求1所述的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，所述激光束的扫描频率调节范围为30-300Hz。
4.根据权利要求1所述的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，所述激光束为光纤激光或YAG激光，所述激光束的焦长为150mm-500mm，所述激光束的焦斑直径为0.2mm-0.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，所述TIG电弧由TIG焊枪产生，所述TIG焊枪包括钨极，所述钨极的轴心与竖直方向的倾角为30°-60°，所述钨极的尖端与工件表面的垂直距离为1.5mm-5mm，所述钨极的尖端与所述激光束的扫描中心之间的水平距离为3mm-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，所述焊丝的直径为0.8mm-1.6mm。
7.根据权利要求1所述的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，所述焊丝包括冷丝或经加热装置加热后的热丝。
8.根据权利要求1所述的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，所述激光束由激光头产生，所述激光头与旋转驱动装置连接，所述旋转驱动装置用于调节所述激光束的扫描轨迹、扫描频率和扫描幅度。
9.根据权利要求1所述的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，当激光束的焦斑位置为椭圆形扫描轨迹时，椭圆形扫描轨迹的长轴与工件表面垂直，且椭圆形扫描轨迹与工件上表面相切。
10.根据权利要求9所述的一种扫描激光-TIG电弧复合深熔焊接方法，其特征在于，椭圆形扫描轨迹的长轴调节范围为工件厚度的三分之一至工件厚度的二分之一；椭圆形扫描轨迹的短轴调节长度范围不大于长轴的长度。
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