CN111673283A - 一种铝合金厚板多层激光-tig复合焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝合金厚板多层激光‑TIG复合焊接装置及方法，包括两个TIG电源、两把TIG焊枪、一个热丝电源和一个激光器，两个TIG电源和热丝电源配合，从而形成不同功率、不同位置和不同作用的三个电弧，并与激光束进行复合，从而实现了显著提高焊丝的熔化率，提高填充和盖面的焊接效率，而且解决激光熔化焊接工件时对坡口间隙适应性差的问题。本发明在焊接时，熔池后方具有保护熔池防止其氧化的TIG电弧保护气，可以保护焊接熔池防止其氧化，而且与MIG电弧相比TIG电弧焊接过程中焊接较为稳定，不易出现剧烈的焊接飞溅的情况，因此可去除每层填充焊后对焊道及其附近待焊区域清洗打磨工序，提高焊接效率。

Description

一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及到铝合金板的焊接领域，具体的说是一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置及方法。
背景技术
由于铝合金导电导热性好，线膨胀系数大，液态状态时流动性好，而且铝合金表面有一层氧化膜，因此焊接时常会有气孔、咬边、焊缝成形差等缺陷出现。铝合金厚板的传统焊接方法一般采用多层多道焊。传统的焊接方法热输入量大，热影响区宽、晶粒粗大，容易产生焊接变形和残余应力，焊接接头力学性能差。
公开日为2015.04.29的中国专利一种厚板多层激光-MIG复合焊接方法，公开了通过激光后置的方式对工件进行打底焊；之后清洗打磨打底焊形成的焊缝，通过激光前置的方式进行填充和盖面焊。此方法在进行每层填充焊之后，都要对焊道及其附近待焊区域清洗打磨，降低了焊接效率。而且MIG电弧在焊接过程中容易出现液态金属飞溅的情况，影响焊缝质量，同时为增大焊丝的熔化率需要增大焊接电流，这样会造成对焊缝热输入过大，进而会造成焊接工件变形量大、组织晶粒粗大，力学性能差的缺陷。
发明内容
为了解决现有厚板多层激光-MIG焊接方法在每层填充焊后需要对焊道及其附近待焊接区域清洗打磨所导致的焊接效率低的问题，同时解决焊缝气孔率高、打底焊时由于预留坡口间隙导致的激光对间隙适应性差、填充和盖面焊接效率低、焊接稳定性差等问题，本发明提供了一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置及方法，该装置利用两把TIG焊枪、两个TIG电源和一个热丝电源，从而产生三个不同作用的电弧，这三个电弧与激光进行复合，从而使焊丝熔化后流入到激光束形成的熔池中。
本发明为解决上述技术问题所采用技术方案为：一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置，包括第一TIG电源、第二TIG电源和热丝电源，其中，第一TIG电源的负极和正极分别与第一TIG焊枪和待焊接铝合金厚板连接，从而在第一TIG焊枪和待焊接铝合金厚板之间形成熔池电弧；所述热丝电源的负极和正极分别与第一TIG焊枪和焊丝连接，从而在第一TIG焊枪和焊丝的底端之间形成熔丝电弧；所述第二TIG电源的负极和正极分别与第二TIG焊枪和待焊接铝合金厚板连接，从而在第二TIG焊枪和待焊接铝合金厚板之间形成加热电弧，所述第一TIG焊枪和第二TIG焊枪之间具有朝待焊接铝合金厚板表面发射激光束的激光器。
作为上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的一种改进方案，所述第一TIG焊枪由一超声变幅杆控制其在焊接过程中，沿焊接方向往复振动。
作为上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的另一种改进方案，所述焊丝由送丝机构控制其送丝。
上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法，该焊接方法是先进行打底焊接，之后再进行填充和盖面焊，其中：
1）打底焊接时，沿焊接方向，第一TIG焊枪设置在激光束的前方，并按照所述的方法将其与第一TIG电源和热丝电源连接；第二TIG焊枪设置在激光束的后方，并按照所述的方法将其与第二TIG电源连接，或依照所述的方法将其与第二TIG电源和超声变幅杆连接，之后进行焊接操作；
2）填充和盖面焊时，沿焊接方向，第二TIG焊枪设置在激光束的前方，并按照所述的方法将其与第二TIG电源连接，或依照所述的方法将其与第二TIG电源和超声变幅杆连接；第一TIG焊枪设置在激光束的后方，并按照所述的方法将其与第一TIG电源和热丝电源连接，之后进行焊接操作。
作为上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法的一种改进方案，在进行所述打底焊接之前，需要将待焊接铝合金厚板加工出Y型或U型的坡口，同时，对焊接工件进行表面处理，之后将焊接工件与待焊接铝合金厚板的坡口连接并用焊接夹具固定。
作为上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法的另一种改进方案，在打底焊接或填充和盖面焊时，都需要开启保护气，用来保护熔池防止被氧化。
作为上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法的另一种改进方案，所述第一TIG焊枪和第二TIG焊枪的钨针与待焊接铝合金厚板的间距为0-6mm，第一TIG焊枪与水平面的夹角θ1为40-80°，第二TIG焊枪与水平面之间的夹角θ2为40-80°。
作为上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法的另一种改进方案，所述第一TIG电源的电流为20-300A，第二TIG电源的电流为20-150A，热丝电源的电流为50-400A。
作为上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法的另一种改进方案，所述焊丝的直径为0.8-3mm，送丝速度为0.2-20m/min。
作为上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法的另一种改进方案，所述超声变幅杆的超声振动频率为5-900kHz，振动幅度为1-10um。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1）本发明的复合焊接装置利用热丝电源在第一TIG焊枪和焊丝之间形成熔丝电弧，该熔丝电弧用于对焊丝加热使其熔化，从而实现了不增大对待焊接铝合金厚板的热输入的情况下，显著提高焊丝的熔化率，提高填充和盖面的焊接效率，而且熔化的焊丝形成的熔融物预先流入到坡口间隙内，进而解决打底焊时激光熔化焊接工件对坡口间隙适应性差的问题；
利用第一TIG电源在第一TIG焊枪和待焊接铝合金厚板之间形成熔池电弧，该电弧能够与激光束产生复合作用，不仅能够提高焊接稳定性，而且还可以增大焊缝熔深；
利用第二TIG电源在第二TIG焊枪和待焊接铝合金厚板之间形成加热电弧；
当进行打底焊时，该加热电弧在后，能够作用于激光束和熔池电弧形成的熔池，从而延长熔池的凝固时间，以便于焊接气泡逸出熔池，降低焊缝气孔率，而且在焊接时的保护气能够保护熔池防止其凝固过程中的氧化；当进行填充和盖面焊时，加热电弧在前，能够对待焊接铝合金厚板进行预热，有利于消除铝合金表面的氧化膜，同时提高激光束作用于焊接工件的激光能量利用率（因为固态铝合金会发射激光束的能量，降低作用于母材的激光能量利用率）；
2）本发明的复合焊接装置中，第二TIG焊枪与超声变幅杆连接，这样第二TIG焊枪产生的加热电弧可降低对母材的热输入同时，利用超声变幅杆的振动作用搅拌熔池，同时延长熔池的凝固时间，有利于焊接气泡逃逸出熔池，降低打底焊的焊缝气孔率。
3）本发明中，当进行打底、填充和盖面焊时，熔池后方具有保护熔池防止其氧化的TIG电弧保护气，可以保护焊接熔池防止其氧化，而且与MIG电弧相比TIG电弧焊接过程中焊接较为稳定，不易出现剧烈的焊接飞溅的情况，因此可去除每层填充焊后对焊道及其附近待焊区域清洗打磨工序，提高焊接效率。
附图说明
图1为本发明打底焊时的工作原理图；
图2为本发明填充和盖面焊时的工作原理图；
图3为现有铝合金厚板多层激光-MIG电弧复合焊接方法得到的焊缝横截面示意图；
图4为本发明的焊接方法得到的焊缝横截面示意图；
附图标记：1、第二TIG电源，2、第二TIG焊枪，3、超声变幅杆，4、激光束，5、第一TIG焊枪，6、送丝机构，7、焊丝，8、热丝电源，9、第一TIG电源，10、待焊接铝合金厚板，11、熔丝电弧，12、熔池电弧，13、加热电弧。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述。在以下各实施例中未做具体说明的部分，比如激光器、TIG电源、热丝电源、TIG焊枪、送丝机构、超声变幅杆等的具体结构和安装连接方法，均为本领域技术人员所公知的现有技术，在此不进行赘述。
实施例1
如图1和2所示，一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置，包括第一TIG电源9、第二TIG电源1和热丝电源8，其中，第一TIG电源9的负极和正极分别与第一TIG焊枪5和待焊接铝合金厚板10连接，从而在第一TIG焊枪5和待焊接铝合金厚板10之间形成熔池电弧12；所述热丝电源8的负极和正极分别与第一TIG焊枪5和焊丝7连接，从而在第一TIG焊枪5和焊丝7的底端之间形成熔丝电弧11；所述第二TIG电源1的负极和正极分别与第二TIG焊枪2和待焊接铝合金厚板10连接，从而在第二TIG焊枪2和待焊接铝合金厚板10之间形成加热电弧13，所述第一TIG焊枪5和第二TIG焊枪2之间具有朝待焊接铝合金厚板10表面发射激光束4的激光器。
所述焊丝7由送丝机构6控制其送丝。
上述铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法，该焊接方法与现有的铝合金厚板焊接方法一致，都是先进行打底焊接，之后再进行填充和盖面焊，区别在于：
1）在打底焊接时，沿焊接方向，第一TIG焊枪5设置在激光束4的前方，两者的间距为0.5mm-3.0mm，并按照所述的方法将其与第一TIG电源9和热丝电源8连接；第二TIG焊枪2设置在激光束4的后方，两者间距为0.5mm-15.0mm，并按照所述的方法将其与第二TIG电源1连接，或依照所述的方法将其与第二TIG电源1和超声变幅杆3连接，之后进行焊接操作；
2）在填充和盖面焊时，沿焊接方向，第二TIG焊枪2设置在激光束4的前方，两者间距为0.5mm-3.0mm，并按照所述的方法将其与第二TIG电源1连接，或依照所述的方法将其与第二TIG电源1和超声变幅杆3连接；第一TIG焊枪5设置在激光束4的后方，两者的间距为0.5mm-15.0mm，并按照所述的方法将其与第一TIG电源9和热丝电源8连接，之后进行焊接操作。
在本实施例中，第二TIG电源1和第一TIG电源9可采用直流或交流的电流输出形式。
在进行打底焊接时，先开启保护气，使保护气从TIG焊枪喷出以保护熔池防止其氧化，保护气可以为氩气或氦气，之后启动激光器使其发出激光束4照射到待焊接铝合金厚板10上初步形成熔池，初步形成熔池的位置处于保护气的保护范围之内；再启动第一TIG电源9和第一TIG焊枪5，从而形成熔池电弧12，该熔池电弧12与激光束4初步形成的熔池进行复合，扩大熔池；再启动第二TIG电源1和第二TIG焊枪2，从而在第二TIG焊枪2和待焊接铝合金厚板10之间形成加热电弧13；再启动热丝电源8，从而在第一TIG焊枪5和焊丝7之间形成熔丝电弧11，对焊丝进行加热熔化，最后启动送丝机构6控制焊丝7进给，进行焊接；
在进行填充和盖面焊时，也是先开启保护气，之后先启动激光器，再启动第二TIG电源1和第二TIG焊枪2产生加热电弧13，再启动第一TIG电源和第一TIG焊枪5，形成熔池电弧12；再启动热丝电源8和送丝机构6进行焊接。
以上为本发明的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定，从而得到以下各实施例：
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上做的一种改进方案，其主体结构与实施例1相同，改进点在于：所述第一TIG焊枪5由一超声变幅杆3控制其在焊接过程中，沿焊接方向往复振动。
在本实施例中，通过增加超声变幅杆3，产生的超声振动，能够搅拌熔池，同时延长熔池的凝固时间，有利于焊接气泡逃逸出熔池，降低打底焊的焊缝气孔率。
所述超声变幅杆3的超声振动频率优选为5-900kHz，振动幅度优选为1-10um。
实施例3
本实施例是在实施例1的基础上做的另一种改进方案，其主体结构与实施例1相同，改进点在于：在进行所述打底焊接之前，需要将待焊接铝合金厚板10加工出Y型或U型的坡口，同时，对焊接工件进行表面处理，表面处理是指去除焊接工件表面杂质，之后将焊接工件与待焊接铝合金厚板10的坡口连接并用焊接夹具固定。
实施例4
本实施例是在实施例1的基础上做的另一种改进方案，其主体结构与实施例1相同，改进点在于：在打底焊接或填充和盖面焊时，都需要开启保护气，用来保护熔池防止被氧化，保护气一般从TIG焊枪中喷出，气体类型为氩气或氦气，流量为10-40L/min。
实施例5
本实施例是在实施例1的基础上做的另一种改进方案，其主体结构与实施例1相同，改进点在于：所述第一TIG焊枪5和第二TIG焊枪2的钨针与待焊接铝合金厚板10的间距为0-6mm，第一TIG焊枪5与水平面的夹角θ1为40-80°，第二TIG焊枪2与水平面之间的夹角θ2为40-80°。
实施例6
本实施例是在实施例1的基础上做的另一种改进方案，其主体结构与实施例1相同，改进点在于：所述第一TIG电源9的电流为20-300A，第二TIG电源1的电流为20-150A，热丝电源8的电流为50-400A。
实施例7
本实施例是在实施例1的基础上做的另一种改进方案，其主体结构与实施例1相同，改进点在于：所述焊丝7的直径为0.8-3mm，送丝速度为0.2-20m/min。
将本发明与现有技术（铝合金厚板多层激光-MIG电弧复合焊接方法）进行比较，在相同的参数条件下，两者得到焊缝纵截面示意图分别如图4和图3所示。
由图3和图4对比可以发现，铝合金厚板多层激光-MIG电弧复合焊接方法得到的焊缝横截面容易出现气孔缺陷，而且MIG电弧在焊接过程中容易出现液态金属飞溅的情况，影响焊缝质量，同时，为增大焊丝的熔化率，就需要增大焊接电流，这样会造成对焊缝热输入过大，打底焊时熔池底部液态金属在重力作用下形成下凸的缺陷，而且对焊缝热输入过大会造成焊接工件变形量大、组织晶粒粗大、力学性能差的缺陷；而本发明获得的焊缝横截面由于打底、填充和盖面过程中，沿焊接方向位于激光束前方的电弧可以预先预热母材，位于激光束后方的电弧可以保护熔池防止其凝固过程中氧化，同时延长熔池凝固时间，这样有利于焊接气泡逃逸出熔池，降低焊缝气孔率，可在不增大对母材的热输入的情况下显著提高焊丝的熔化率，以及打底焊时焊缝背面的下凸情况，而且相对于MIG电弧，TIG电弧焊接过程较稳定，利于获得良好的焊缝成形。

Claims (10)

1.一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置，其特征在于：包括第一TIG电源（9）、第二TIG电源（1）和热丝电源（8），其中，第一TIG电源（9）的负极和正极分别与第一TIG焊枪（5）和待焊接铝合金厚板（10）连接，从而在第一TIG焊枪（5）和待焊接铝合金厚板（10）之间形成熔池电弧（12）；所述热丝电源（8）的负极和正极分别与第一TIG焊枪（5）和焊丝（7）连接，从而在第一TIG焊枪（5）和焊丝（7）的底端之间形成熔丝电弧（11）；所述第二TIG电源（1）的负极和正极分别与第二TIG焊枪（2）和待焊接铝合金厚板（10）连接，从而在第二TIG焊枪（2）和待焊接铝合金厚板（10）之间形成加热电弧（13），所述第一TIG焊枪（5）和第二TIG焊枪（2）之间具有朝待焊接铝合金厚板（10）表面发射激光束（4）的激光器。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置，其特征在于：所述第一TIG焊枪（5）由一超声变幅杆（3）控制其在焊接过程中，沿焊接方向往复振动。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置，其特征在于：所述焊丝（7）由送丝机构（6）控制其送丝。
4.根据权利要求1或2所述的一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法，该焊接方法是先进行打底焊接，之后再进行填充和盖面焊，其特征在于：
1）打底焊接时，沿焊接方向，第一TIG焊枪（5）设置在激光束（4）的前方，并按照权利要求1所述的方法将其与第一TIG电源（9）和热丝电源（8）连接；第二TIG焊枪（2）设置在激光束（4）的后方，并按照权利要求1所述的方法将其与第二TIG电源（1）连接，或依照权利要求2所述的方法将其与第二TIG电源（1）和超声变幅杆（3）连接，之后进行焊接操作；
2）填充和盖面焊时，沿焊接方向，第二TIG焊枪（2）设置在激光束（4）的前方，并按照权利要求1所述的方法将其与第二TIG电源（1）连接，或依照权利要求2所述的方法将其与第二TIG电源（1）和超声变幅杆（3）连接；第一TIG焊枪（5）设置在激光束（4）的后方，并按照权利要求1所述的方法将其与第一TIG电源（9）和热丝电源（8）连接，之后进行焊接操作。
5.根据权利要求4所述的一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：在进行所述打底焊接之前，需要将待焊接铝合金厚板（10）加工出Y型或U型的坡口，同时，对焊接工件进行表面处理，之后将焊接工件与待焊接铝合金厚板（10）的坡口连接并用焊接夹具固定。
6.根据权利要求4所述的一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：在打底焊接或填充和盖面焊时，都需要开启保护气，用来保护熔池防止被氧化。
7.根据权利要求4所述的一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述第一TIG焊枪（5）和第二TIG焊枪（2）的钨针与待焊接铝合金厚板（10）的间距为0-6mm，第一TIG焊枪（5）与水平面的夹角θ1为40-80°，第二TIG焊枪（2）与水平面之间的夹角θ2为40-80°。
8.根据权利要求4所述的一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述第一TIG电源（9）的电流为20-300A，第二TIG电源（1）的电流为20-150A，热丝电源（8）的电流为50-400A。
9.根据权利要求4所述的一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述焊丝（7）的直径为0.8-3mm，送丝速度为0.2-20m/min。
10.根据权利要求4所述的一种铝合金厚板多层激光-TIG复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述超声变幅杆（3）的超声振动频率为5-900kHz，振动幅度为1-10um。
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