CN113146047A - 一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金的激光‑电弧复合焊接设备及焊接方法，其包括激光发生装置、非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪以及熔化极活性气体保护焊焊枪，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪采用直流正接，所述熔化极活性气体保护焊焊枪采用直流反接，与所述激光束之间的夹角为25°至45°，沿焊接方向，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪在前，所述熔化极活性气体保护焊焊枪在后；所述激光束为变功率方波脉冲激光束，功率比值为2:1的高功率激光脉冲和低功率激光脉冲；该设计提高了能量利用率，增加焊缝一次熔透深度和焊接速度；同时降低了工件装配要求，提高焊缝质量，改善焊缝成型。

Description

一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备及焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接加工领域，特别是一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备及焊接方法。

背景技术

铝合金是工业中应用最广泛的一类金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

铝合金焊接有几大难点：焊接接头表面易产生熔点高的氧化铝膜，需要采用大功率密度的焊接工艺，而且热导率大，线膨胀系数大，易产生气孔、热裂纹等缺陷。铝合金的焊接一般采用非熔化极惰性气体保护电弧焊(TIG)与熔化极活性气体保护焊(MIG)，但是在焊接过程中主要存在焊接热输入较大，导致焊接变形较大，焊接速度慢，焊接效率低。此外，在焊接过程中高温条件下氢气体溶于熔池金属，在凝固和相变时气体的溶解度下降而来不及逸出，导致焊缝中存在大量气孔。激光焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等特点，使其在铝合金焊接领域受到格外的重视。但是在铝合金的激光焊接中仍然存在瓶颈问题，如铝合金对激光束的高初始反射率及其本身的高导热性，使铝合金在未熔化前对激光的吸收率低，“小孔”的诱导比较困难；铝的电离能低，焊接过程中光致等离子体易于过程和扩散，使得焊接稳定性差；铝合金激光焊接过程中容易产生气孔和热裂纹；焊接过程中合金元素的烧损，使铝合金焊接接头的力学性能下降。将激光-电弧复合进行焊接，利用激光的深熔效果，具有变极性等离子焊接铝合金优势的同时，提高焊接效率，降低焊接电流，减少热输入，进而改善高强铝合金焊接接头软化问题。

但是激光电弧复合焊接方法有以下缺点：1)对焊接板材穿透能力较弱；开破口时易造成咬边，焊趾裂纹等问题；不开坡口时，需要提高焊接电流，将导致热输入高，接头强度降低；2)高强铝合金焊接接头软化严重，非压缩电弧较为发散，焊接热输入较大；3)焊缝背面成型差，常常有未焊满、余高波动大。4)夹渣，气孔和裂纹倾向较为严重。以上问题制约了工业生产及应用，因此针对上述激光-电弧复合焊接方法存在的不足，有必要提供一种更加经济高效的焊接手段。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备。

本发明还提出了一种应用于铝合金的激光-电弧复合焊接设备的焊接方法。

根据本发明的第一方面实施例的一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备，其包括激光发生装置、非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪以及熔化极活性气体保护焊焊枪，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪采用直流正接，所述熔化极活性气体保护焊焊枪采用直流反接，所述激光发生装置发出的激光束呈垂直向下设置，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪和所述熔化极活性气体保护焊焊枪分别位于所述激光束的前、后两侧，与所述激光束之间的夹角为25°至45°，沿焊接方向，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪在前，所述熔化极活性气体保护焊焊枪在后；所述激光束为变功率方波脉冲激光束，功率比值为2:1的高功率激光脉冲和低功率激光脉冲。

基于上述设计，本申请提供的一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备，至少具有如下的有益效果：

采用非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪与激光复合热源和非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪-激光复合热源相互交替的方式进行焊接，每个复合热源均结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点，极大程度地避免了二者的缺点，提高了能量利用率，增加焊缝一次熔透深度和焊接速度；同时降低了工件装配要求，提高焊缝质量，改善焊缝成型。

根据本发明的一些实施例，还包括电流传感器以及信号控制器，所述电流传感器用于监测所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪和所述熔化极活性气体保护焊焊枪的引燃电弧的电流信号，所述信号控制器通过所述电流传感器检测的电流信号来控制激光束高功率脉冲与低功率脉冲的切换与所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪和所述熔化极活性气体保护焊焊枪的引燃电弧一致。

根据本发明的一些实施例，还包括绝缘栅双极型晶体管开关，所述绝缘栅双极型晶体管开关用于交替控制所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪和所述熔化极活性气体保护焊焊枪的电源通断。

根据本发明的一些实施例，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。

根据本发明的一些实施例，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪的钨极的尖端与待焊工件表面的垂直距离为1.5mm-5mm，与所述激光束的扫描中心之间的水平距离为2mm-3mm，所述熔化极活性气体保护焊焊枪的熔化极焊丝与所述激光束的扫描中心之间的水平距离为1mm-2mm。

根据本发明的一些实施例，所述熔化极活性气体保护焊焊枪的可见弧长保持在4-8mm。

根据本发明的另一方面实施例的一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备的焊接方法，包括以下步骤：

S1:所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪和所述熔化极活性气体保护焊焊枪分别交替引燃电弧，与激光束同时作用于待焊工件对接接头处形成共熔池；

S2:在所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪引燃电弧的同时，触发低功率激光脉冲，同时调整激光束的聚焦点至待焊工件表面，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪与低功率激光脉冲形成复合热源；所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪引燃电弧时间为5-10ms；所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪与低功率激光脉冲在焊接过程中输入的能量比值为1.2-1.6；

S3:在所述熔化极活性气体保护焊焊枪引燃电弧的同时，触发高功率激光脉冲，调整激光束的聚焦点至距待焊工件表面1/3-1/2熔池深度位置处，所述熔化极活性气体保护焊焊枪与高功率激光脉冲形成复合热源；所述熔化极活性气体保护焊焊枪引燃电弧时间为15-25ms；所述熔化极活性气体保护焊焊枪与高功率激光脉冲在焊接过程中输入的能量比值为1.2-1.6。

基于上述设计，本申请提供的一种铝合金的激光-电弧复合焊接方法，至少具有如下的有益效果：

采用非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪与非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪交替引燃电弧，可以避免两电弧同时产生时的电磁干扰，在合理的焊接规范下，可以实现TIG焊电弧稳定和MIG焊接效率高的优势互补；参数调节范围宽，通过调节电流、电压、切换频率、电极间距、电极间位置关系等参数，可完成不同厚度铝合金试件的焊接。

根据本发明的一些实施例，在所述步骤S1焊接之前，对待焊工件进行预热处理，使待焊工件达到设定温度。

根据本发明的一些实施例，在所述步骤S1交替引燃电弧时，激光发生装置的聚焦镜沿竖直方向运动实现激光束聚焦点的调整。

根据本发明的一些实施例，在所述步骤S3焊接之后，对焊接区域进行温度检测，待焊接区域在室温下降到设定预热温度时，采用高频加热方式控制温度以2-6℃/min的速度降低到常温。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一实施例的一种激光-电弧复合焊接设备结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右、内、外等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接、装配、配合等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备，其包括激光发生装置1、非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2以及熔化极活性气体保护焊焊枪3，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2采用直流正接，所述熔化极活性气体保护焊焊枪3采用直流反接，所述激光发生装置1发出的激光束呈垂直向下设置，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2和所述熔化极活性气体保护焊焊枪3分别位于所述激光束的前、后两侧，与所述激光束之间的夹角为25°至45°，沿焊接方向，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2在前，所述熔化极活性气体保护焊焊枪3在后；所述激光束为变功率方波脉冲激光束，功率比值为2:1的高功率激光脉冲和低功率激光脉冲。

所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2采用直流正接，便于阴极发射电子，这样可以减少钨极烧损，提高电流负载能力；熔化极活性气体保护焊焊枪3采用直流反接，可以清理铝合金表面氧化膜，同时使熔化极接正极可保持较大的焊丝熔化效率。同时采用直流正接的非熔化极惰性气体保护电弧焊-激光复合热源和直流反接的熔化极活性气体保护焊-激光复合热源相互交替的方式进行焊接，还起到了交流电弧的作用，相比于仅使用一个电极交替通入正电和负电起弧，对于电源的设计要求低，减少了电极烧损，增长电极的使用寿命。

本实施例中，还包括电流传感器以及信号控制器，所述电流传感器用于监测所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2和所述熔化极活性气体保护焊焊枪3的引燃电弧的电流信号，所述信号控制器通过所述电流传感器检测的电流信号来控制激光束高功率脉冲与低功率脉冲的切换与所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2和所述熔化极活性气体保护焊焊枪3的引燃电弧一致。

本实施例中，还包括绝缘栅双极型晶体管开关，所述绝缘栅双极型晶体管开关用于交替控制所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2和所述熔化极活性气体保护焊焊枪3的电源通断。

本实施例中，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。

本实施例中，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2的钨极的尖端与待焊工件表面的垂直距离为1.5mm-5mm，与所述激光束的扫描中心之间的水平距离为2mm-3mm，所述熔化极活性气体保护焊焊枪3的熔化极焊丝与所述激光束的扫描中心之间的水平距离为1mm-2mm。

本实施例中，所述熔化极活性气体保护焊焊枪3的可见弧长保持在4-8mm，根据所采用焊丝类型和尺寸，调整熔化极活性气体保护焊焊枪3的电压，使焊丝的熔滴过渡形式为恒射流过渡。电弧的可见弧长是指焊丝前端与母材之间的距离，只有当可见弧长在4-8mm的范围内时，电弧电压随电弧的可见弧长的变化量较小，该区域也正是使熔滴呈恒射流过渡的恒射流区。恒射流过渡焊接电流值基本不发生变化，控制了焊接过程中熔滴过渡频度、熔滴过渡方式以及熔滴体积发生的间断性，保持了熔池状态的稳定性，使焊接线能量与焊缝熔合区的过热现象降低，防止了熔池出现单向性结晶，降低了气孔和裂纹的倾向性。

采用非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪与激光复合热源和非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪-激光复合热源相互交替的方式进行焊接，每个复合热源均结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点，极大程度地避免了二者的缺点，提高了能量利用率，增加焊缝一次熔透深度和焊接速度；同时降低了工件装配要求，提高焊缝质量，改善焊缝成型。

一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备的焊接方法，包括以下步骤：

S1:所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2和所述熔化极活性气体保护焊焊枪3分别交替引燃电弧，与激光束同时作用于待焊工件对接接头处形成共熔池；

S2:在所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2引燃电弧的同时，触发低功率激光脉冲，同时调整激光束的聚焦点至待焊工件表面，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2与低功率激光脉冲形成复合热源；所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2引燃电弧时间为5-10ms；所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪2与低功率激光脉冲在焊接过程中输入的能量比值为1.2-1.6；

S3:在所述熔化极活性气体保护焊焊枪3引燃电弧的同时，触发高功率激光脉冲，调整激光束的聚焦点至距待焊工件表面1/3-1/2熔池深度位置处，所述熔化极活性气体保护焊焊枪3与高功率激光脉冲形成复合热源；所述熔化极活性气体保护焊焊枪3引燃电弧时间为15-25ms；所述熔化极活性气体保护焊焊枪3与高功率激光脉冲在焊接过程中输入的能量比值为1.2-1.6。

本实施例中，在所述步骤S1焊接之前，对待焊工件进行预热处理，使待焊工件达到设定温度，设定预热温度根据待焊工件的铝合金型号确定。

本实施例中，在所述步骤S1交替引燃电弧时，激光发生装置的聚焦镜沿竖直方向运动实现激光束聚焦点的调整。

本实施例中，在所述步骤S3焊接之后，对焊接区域进行温度检测，待焊接区域在室温下降到设定预热温度时，采用高频加热方式控制温度以2-6℃/min的速度降低到常温。当焊接区域降到一定温度(设定的预热温度)后，如果不控制冷却时的温度与速度，当温度减低过快时，液体状态的铝合金板材突然收缩，表面容易出现裂缝，同时内部也容易出现断层。通过高频加热控制焊接后温度缓慢减低，可避免冷却过快表面出现裂纹与内部出现分层，进一步提高待焊件之间的焊接的紧密性。

焊接过程中，随着非熔化极惰性气体保护电弧焊和熔化极活性气体保护焊的切换，激光束的聚焦点在待焊工件表面与距待焊工件表面1/3-1/2熔池深度位置处之间调整，可以促进熔池流动，增大热量在工件厚度方向上传输，能够有效地增大焊接熔深，同时促进合金元素在熔池内分布均匀，可以改善焊接接头成分均匀性。当激光束的聚焦点在待焊工件表面时(零离焦位置处)，激光束的光斑直径最小，激光功率密度最大，更有利于快速形成熔池，增加深熔，光束焦斑位置从工件表面移动至熔池厚度方面中间区域时，激光束的能量虽然有所降低，但其发散程度逐渐缩小，更利于小孔稳定和焊接质量的提高。通过大量试验发现，当激光束的聚焦点在待焊工件表面时，为了防止金属过热，应配合低功率激光脉冲和电弧热源中功率较低的TIG电弧；当激光束焦点下移，激光功率密度减小，为了增加了焊丝的热输入，提高熔敷速度和焊接速度，获得更好的焊接质量，应配合高功率脉冲激光和电弧热源中功率较高的MIG电弧。

实施例一

本发明第一个实施例的一种6061铝合金的焊接方法，焊丝采用直径为1.4mm的ER4043焊丝。

高功率激光脉冲的功率为800-1000w，低功率激光脉冲的功率为400-500w，非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪的输出电流为100-200A，每次起弧时间为5-10ms，非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪的电流为，电压为25-27V，每次电弧作用时间为15-25ms。

根据铝合金型号，控制单位板厚的热量输入值Q，每单位板厚的热量输入值Q为2500-10000(J/cm²)。

本发明采用非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪与非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪交替引燃电弧，可以避免两电弧同时产生时的电磁干扰，在合理的焊接规范下，可以实现TIG焊电弧稳定和MIG焊接效率高的优势互补；参数调节范围宽，通过调节电流、电压、切换频率、电极间距、电极间位置关系等参数，可完成不同厚度铝合金试件的焊接。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备，其特征在于，包括激光发生装置(1)、非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)以及熔化极活性气体保护焊焊枪(3)，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)采用直流正接，所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)采用直流反接，所述激光发生装置(1)发出的激光束呈垂直向下设置，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)和所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)分别位于所述激光束的前、后两侧，与所述激光束之间的夹角为25°至45°，沿焊接方向，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)在前，所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)在后；所述激光束为变功率方波脉冲激光束，功率比值为2:1的高功率激光脉冲和低功率激光脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备，其特征在于，还包括电流传感器以及信号控制器，所述电流传感器用于监测所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)和所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)的引燃电弧的电流信号，所述信号控制器通过所述电流传感器检测的电流信号来控制激光束高功率脉冲与低功率脉冲的切换与所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)和所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)的引燃电弧一致。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备，其特征在于，还包括绝缘栅双极型晶体管开关，所述绝缘栅双极型晶体管开关用于交替控制所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)和所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)的电源通断。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备，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所述的一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备，其特征在于，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)的钨极的尖端与待焊工件表面的垂直距离为1.5mm-5mm，与所述激光束的扫描中心之间的水平距离为2mm-3mm，所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)的熔化极焊丝与所述激光束的扫描中心之间的水平距离为1mm-2mm。

6.根据权利要求1所述的一种铝合金的激光-电弧复合焊接设备，其特征在于，所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)的可见弧长保持在4-8mm。

7.一种如权利要求1～6所述的铝合金的激光-电弧复合焊接设备的焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1:所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)和所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)分别交替引燃电弧，与激光束同时作用于待焊工件对接接头处形成共熔池；

S2:在所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)引燃电弧的同时，触发低功率激光脉冲，同时调整激光束的聚焦点至待焊工件表面，所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)与低功率激光脉冲形成复合热源；所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)引燃电弧时间为5-10ms；所述非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(2)与低功率激光脉冲在焊接过程中输入的能量比值为1.2-1.6；

S3:在所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)引燃电弧的同时，触发高功率激光脉冲，调整激光束的聚焦点至距待焊工件表面1/3-1/2熔池深度位置处，所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)与高功率激光脉冲形成复合热源；所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)引燃电弧时间为15-25ms；所述熔化极活性气体保护焊焊枪(3)与高功率激光脉冲在焊接过程中输入的能量比值为1.2-1.6。

8.根据权利要求7所述的一种焊接方法，其特征在于，在所述步骤S1焊接之前，对待焊工件进行预热处理，使待焊工件达到设定温度。

9.根据权利要求7所述的一种焊接方法，其特征在于，在所述步骤S1交替引燃电弧时，激光发生装置的聚焦镜沿竖直方向运动实现激光束聚焦点的调整。

10.根据权利要求7所述的一种焊接方法，其特征在于，在所述步骤S3焊接之后，对焊接区域进行温度检测，待焊接区域在室温下降到设定预热温度时，采用高频加热方式控制温度以2-6℃/min的速度降低到常温。

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