CN114043092B - 一种点环激光与电弧复合焊接方法 - Google Patents

一种点环激光与电弧复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种点环激光与电弧复合焊接方法，本发明属于激光加工技术领域。本发明要解决现有激光‑电弧复合焊接接头存在飞溅、咬边、焊瘤、侧边未熔合的焊接缺陷问题。方法：一、焊前焊件坡口加工及工装固定；二、点环激光与电弧复合焊接。本发明用于点环激光与电弧复合焊接。

Description

一种点环激光与电弧复合焊接方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域。
背景技术
近几十年来，激光焊接技术的应用范围不断拓宽。激光焊接技术已经广泛应用于国防、船舶、航空航天及医疗等行业。随着激光系统不断提升改进，激光功率不断增大，光束质量不断提高，激光焊接可实现大熔深、高能量密度的快速焊接。同时激光焊接热影响区小、接头质量好、易于实现自动化，已成为制造领域中的重要技术手段之一。
由于激光光束光斑尺寸较小，对焊件的装配精度要求较高，装配工艺较复杂。此外铝合金等高反材料使得材料对激光能量的吸收率较低，出现较严重的气孔等焊接缺陷。而将电弧焊与激光焊接结合成为了解决上述缺陷的一种有效手段。激光-电弧复合焊接增强了材料对激光能量的吸收率，同时激光对电弧的吸引压缩使电弧燃烧更加稳定。激光-电弧复合焊接技术已成功应用于船舶、汽车等生产领域中。但激光-电弧复合焊接接头仍存在咬边、焊瘤、侧边未熔合等焊接缺陷。
发明内容
本发明要解决现有激光-电弧复合焊接接头存在飞溅、咬边、焊瘤、侧边未熔合的焊接缺陷问题，而提供一种点环激光与电弧复合焊接方法。
一种点环激光与电弧复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
一、焊前焊件坡口加工及工装固定：
在待焊工件的待焊表面处加工坡口，加工后对待焊表面及坡口进行打磨清洗，最后将两个待焊工件的待焊面相贴合并固定；
二、点环激光与电弧复合焊接：
将激光加工头与焊枪固定，控制激光器发出点环复合光束传输到激光器加工头上，且电弧起弧，在焊接速度0.5m/min～2m/min的条件下，进行点环激光电弧复合焊接，即完成点环激光与电弧复合焊接方法；
所述的点环复合光束由内部点光及外部环光组成；所述的点环激光电弧复合焊接的点环激光设置条件：点环复合光束输入总功率为2000W～5000W，所述的输入总功率为点光功率与环光功率的总和，且环光功率占输入总功率的20％～60％；
所述的点环电弧复合焊接的电弧焊接设置条件：焊枪轴线与待焊工件表面夹角为40°～60°，沿焊接方向点环复合光束与焊丝间距D2为1mm～2mm，侧向点环复合光束与焊丝间距D1为0mm～2mm，电弧电流为100A～180A，电弧电压为17.8V～22.6V，弧长修正系数为-20％～+20％，电感修正系数为-10％～+10％，保护气流速为10L/min～15L/min。
本发明的有益效果是：
1、本发明方法将点环激光焊接与电弧焊接结合，点环激光抑制焊接过程中飞溅现象，稳定焊接过程，改善焊缝表面质量；电弧作用下材料对激光能量的吸收率提高，降低高反材料的激光焊接难度。激光-电弧复合同时降低了焊件装配精度要求。
2、本发明方法的点环激光光源通过二合一光纤实现，二合一光纤包含内部纤芯及外部环芯，内部纤芯产生高质量点光，外部环芯产生辅助环形光源，形成复合点环激光。点环激光功率配比可根据不同材料、不同接头形式进行精确调节，实现点环激光能量的合理分配，提高点环激光对不同焊接情况的适应性，进一步拓宽激光焊接技术的应用领域。
3、点环激光特殊热源作用于待焊材料表面，辅助环形光源使匙孔入口尺寸扩大，焊接过程匙孔稳定性提高，有利于金属蒸气逸出，抑制焊接飞溅现象，咬边、焊瘤等焊接缺陷得到抑制，焊缝表面成型质量提升，降低因飞溅等缺陷产生进行返工清洁产生额外费用，提高生产效率。
本发明用于一种点环激光与电弧复合焊接方法。
附图说明
图1为实施例一点环激光与电弧复合焊接方法的示意图，1为待焊工件，2为焊接方向，3为点环复合光束，4为MIG焊枪，5为焊丝；
图2为实施例一步骤二所述的二合一光纤示意图，1为内部纤芯，2为外部环芯；
图3为实施例一步骤二所述的点环复合光束的示意图；
图4为实施例一点环复合光束与焊丝间距示意图，a为侧向点环复合光束与焊丝间距示意图，b为沿焊接方向点环复合光束与焊丝间距示意图；
图5为实施例一复合焊接后的焊接件焊缝截面实物图；
图6为对比实验一复合焊接后的焊接件焊缝截面实物图；
图7为对比实验二复合焊接后的焊接件焊缝截面实物图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种点环激光与电弧复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
一、焊前焊件坡口加工及工装固定：
在待焊工件的待焊表面处加工坡口，加工后对待焊表面及坡口进行打磨清洗，最后将两个待焊工件的待焊面相贴合并固定；
二、点环激光与电弧复合焊接：
将激光加工头与焊枪固定，控制激光器发出点环复合光束传输到激光器加工头上，且电弧起弧，在焊接速度0.5m/min～2m/min的条件下，进行点环激光电弧复合焊接，即完成点环激光与电弧复合焊接方法；
所述的点环复合光束由内部点光及外部环光组成；所述的点环激光电弧复合焊接的点环激光设置条件：点环复合光束输入总功率为2000W～5000W，所述的输入总功率为点光功率与环光功率的总和，且环光功率占输入总功率的20％～60％；
所述的点环电弧复合焊接的电弧焊接设置条件：焊枪轴线与待焊工件表面夹角为40°～60°，沿焊接方向点环复合光束与焊丝间距D2为1mm～2mm，侧向点环复合光束与焊丝间距D1为0mm～2mm，电弧电流为100A～180A，电弧电压为17.8V～22.6V，弧长修正系数为-20％～+20％，电感修正系数为-10％～+10％，保护气流速为10L/min～15L/min。
本实施方式焊丝采用ER50-6、JS80或DY-YA308等；焊丝直径为：0.8mm、1mm、1.2mm或6mm；送丝速度为3mm/s～5.4mm/s。
点环激光与常规单纯点激光相比，点环激光在点激光外附加环形辅助光源，获得点环复合光束模式。在点环激光作用下，焊接过程中匙孔入口扩大，焊接稳定性提高，焊接飞溅得到有效抑制，最终获得高表面质量的优良焊缝。在同等焊缝质量要求下，点环激光可采取更高焊接速度完成焊接过程，生产效率得以提高。将点环激光技术与电弧焊结合，提高了激光-电弧复合焊缝质量，拓宽激光技术的应用领域。
本实施方式通过激光-电弧复合结合了激光焊接与电弧焊接的优势，增大熔深、提高焊接速度、提高间隙适应性并减少焊接变形；并利用可调点环激光提高激光电弧复合焊接过程中匙孔稳定性，改善焊缝表面质量；抑制咬边、侧壁未熔合等焊接缺陷，最终获得优质大熔深焊缝。通过点环复合激光在焊件表面生成特殊能场，环光的加入扩大了匙孔入口，焊接过程中匙孔更加稳定，有利于金属蒸气逸出。并且可以实现对点环光功率配比精确调节，使点环光的能量能够合理分配与利用，拓宽了激光焊接技术应用领域。
本实施方式的有益效果是：
1、本实施方式方法将点环激光焊接与电弧焊接结合，点环激光抑制焊接过程中飞溅现象，稳定焊接过程，改善焊缝表面质量；电弧作用下材料对激光能量的吸收率提高，降低高反材料的激光焊接难度。激光-电弧复合同时降低了焊件装配精度要求。
2、本实施方式方法的点环激光光源通过二合一光纤实现，二合一光纤包含内部纤芯及外部环芯，内部纤芯产生高质量点光，外部环芯产生辅助环形光源，形成复合点环激光。点环激光功率配比可根据不同材料、不同接头形式进行精确调节，实现点环激光能量的合理分配，提高点环激光对不同焊接情况的适应性，进一步拓宽激光焊接技术的应用领域。
3、点环激光特殊热源作用于待焊材料表面，辅助环形光源使匙孔入口尺寸扩大，焊接过程匙孔稳定性提高，有利于金属蒸气逸出，抑制焊接飞溅现象，咬边、焊瘤等焊接缺陷得到抑制，焊缝表面成型质量提升，降低因飞溅等缺陷产生进行返工清洁产生额外费用，提高生产效率。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的坡口为I型坡口、V型坡口或Y型坡口。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的待焊工件的材质为碳钢、不锈钢或高强钢。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的待焊工件为厚度为3mm～5mm的板材。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的激光器为固体激光器；步骤二中所述的焊枪为MIG焊枪。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的点环复合光束通过同轴单光纤直接输出、激光器内置光纤耦合器输出、激光器内置集成光闸输出或二合一光纤输出。其它与具体实施方式一至五相同。
本实施方式所述的点环复合光束通过以下方式实现，具体为：(1)同轴单光纤直接输出点环光源；(2)通过激光器内置光纤耦合器输出点环光源；(3)通过激光器内置集成光闸输出点环光源；(4)通过二合一光纤输出点环光源；
本实施方式点环复合光束通过二合一光纤实现，二合一光纤包含内部纤芯及外部环芯，内部纤芯产生高质量点光，外部环芯产生辅助环形光源，形成复合点环激光。
本实施方式点环复合光束通过同轴单光纤直接输出，无需光闸、变焦加工头等光学器件。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的二合一光纤由内部纤芯及外部环芯组成，内部纤芯直径为100μm，外部环芯直径为400μm，外部环芯宽度为100μm。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的二合一光纤由内部纤芯及外部环芯组成，内部纤芯直径×外部环芯直径参数具体为：10μm×100μm、22μm×170μm、50μm×140μm、50μm×150μm、50μm×200μm、70μm×180μm、100μm×290μm、100μm×300μm、100μm×400μm或200μm×700μm。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中首先控制激光器发出点环复合光束稳定0.5s后，再电弧起弧焊接。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中所述的保护气为纯Ar气或Ar与CO2混合气。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一，结合图1至4具体说明：
一种点环激光与电弧复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
一、焊前焊件坡口加工及工装固定：
在待焊工件的待焊表面处加工坡口，加工后对待焊表面及坡口进行打磨清洗，最后将两个待焊工件的待焊面相贴合并固定；
二、点环激光与电弧复合焊接：
将激光加工头与焊枪固定，控制激光器发出点环复合光束传输到激光器加工头上，且电弧起弧，在焊接速度1m/min的条件下，进行点环激光电弧复合焊接，得到复合焊接后的焊接件，即完成点环激光与电弧复合焊接方法；
所述的点环复合光束由内部点光及外部环光组成；所述的点环激光电弧复合焊接的点环激光设置条件：点环复合光束输入总功率为3000W，所述的点光功率与环光功率的比为1:1，即点光功率为1500W，环光功率为1500W；
所述的点环电弧复合焊接的电弧焊接设置条件：焊枪轴线与待焊工件表面夹角为45°，沿焊接方向点环复合光束与焊丝间距D2为1mm，侧向点环复合光束与焊丝间距D1为1mm，电弧电流为180A，电弧电压为22.6V，弧长修正系数为+10％，电感修正系数为+5％，保护气流速为15L/min。
步骤一中所述的坡口为Y型坡口。
步骤一中所述的待焊工件的材质为Q235碳钢。
步骤一中所述的待焊工件为厚度为5mm的板材。
步骤二中所述的激光器为固体激光器；步骤二中所述的焊枪为MIG焊枪。
步骤二中所述的点环复合光束通过二合一光纤输出。
所述的二合一光纤由内部纤芯及外部环芯组成，内部纤芯直径为100μm，外部环芯直径为400μm，外部环芯宽度为100μm。
步骤二中首先控制激光器发出点环复合光束稳定0.5s后，再电弧起弧焊接。
步骤二中所述的焊丝为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2mm，送丝速度为5.4mm/s。
所述的保护气为Ar与CO2混合气。
步骤二中沿焊接方向焊枪位于激光加工头后方，点环复合光束垂直于待焊工件表面。
图5为实施例一复合焊接后的焊接件焊缝截面实物图。由图可知，在点环激光功率配比及MIG电弧焊接参数设定合理的情况下，电弧作用增加了高反材料的激光能量吸收率，降低接头装配精度要求，增加焊接熔深。点环光特殊热源作用于待焊材料表面，辅助环形光源使匙孔入口尺寸扩大，焊接过程匙孔稳定性提高，有利于金属蒸气逸出，抑制焊接飞溅现象，咬边、焊瘤的焊接缺陷得到抑制，最终获得焊接质量良好接头。
对比实验一：对比实验与实施例一不同的是：步骤二中所述的点环复合光束输入总功率为3750W，所述的点光功率与环光功率的比为1:2，即点光功率为1250W，环光功率为2500W；所述的电弧电压为16.8V。其它与实施例一相同。
图6为对比实验一复合焊接后的焊接件焊缝截面实物图。由图可知，当点环功率配比不合理时，环光功率过大导致金属熔融液滴受金属蒸汽反冲获得动力仍足以克服熔池表面张力，飞出熔池形成焊接飞溅；此外电弧电压较小时熔池收窄，电弧熔滴过渡铺展效果降低，焊缝均匀性较差；较常规激光焊接相比有一定改善，但焊缝表面成形质量仍不理想。
对比实验二：本对比实验与实施例一不同的是：步骤二中控制激光器发出点光激光束传输到激光器加工头上；所述的点光激光束输入总功率为3000W。其它与实施例一相同。
图7为对比实验二复合焊接后的焊接件焊缝截面实物图。由图可知，当无环光辅助时，焊接过程稳定性较差，焊接飞溅难以抑制，焊缝均匀性较低，焊缝出现咬边、凸起等缺陷，焊缝质量恶化。

Claims (7)

1.一种点环激光与电弧复合焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、焊前焊件坡口加工及工装固定：
在待焊工件的待焊表面处加工坡口，加工后对待焊表面及坡口进行打磨清洗，最后将两个待焊工件的待焊面相贴合并固定；
二、点环激光与电弧复合焊接：
将激光加工头与焊枪固定，控制激光器发出点环复合光束传输到激光器加工头上，且电弧起弧，在焊接速度0.5m/min～2m/min的条件下，进行点环激光电弧复合焊接，即完成点环激光与电弧复合焊接方法；
所述的点环复合光束由内部点光及外部环光组成；所述的点环激光电弧复合焊接的点环激光设置条件：点环复合光束输入总功率为3000W～5000W，所述的输入总功率为点光功率与环光功率的总和，所述的点光功率与环光功率的比为1:1；
所述的点环复合光束通过二合一光纤输出，所述的二合一光纤由内部纤芯及外部环芯组成，内部纤芯直径为100μm，外部环芯直径为400μm，外部环芯宽度为100μm；
所述的点环激光 电弧复合焊接的电弧焊接设置条件：焊枪轴线与待焊工件表面夹角为40°～60°，沿焊接方向点环复合光束与焊丝间距D2为1mm～2mm，侧向点环复合光束与焊丝间距D1为0mm～2mm，电弧电流为100A～180A，电弧电压为17.8V～22.6V，弧长修正系数为-20％～+20％，电感修正系数为-10％～+10％，保护气流速为10L/min～15L/min。
2.根据权利要求1所述的一种点环激光与电弧复合焊接方法，其特征在于步骤一中所述的坡口为I型坡口、V型坡口或Y型坡口。
3.根据权利要求1所述的一种点环激光与电弧复合焊接方法，其特征在于步骤一中所述的待焊工件的材质为碳钢、不锈钢或高强钢。
4.根据权利要求1所述的一种点环激光与电弧复合焊接方法，其特征在于步骤一中所述的待焊工件为厚度为3mm～5mm的板材。
5.根据权利要求1所述的一种点环激光与电弧复合焊接方法，其特征在于步骤二中所述的激光器为固体激光器；步骤二中所述的焊枪为MIG焊枪。
6.根据权利要求1所述的一种点环激光与电弧复合焊接方法，其特征在于步骤二中首先控制激光器发出点环复合光束稳定0.5s后，再电弧起弧焊接。
7.根据权利要求1所述的一种点环激光与电弧复合焊接方法，其特征在于步骤二中所述的保护气为纯Ar气或Ar与CO2混合气。
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