CN117564476B - 一种激光电弧复合焊接设备及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种激光电弧复合焊接设备，其包括焊接台，为工件的焊接提供平稳的平台，所述焊接台内形成有内腔；激光焊接装置，设置在所述焊接台上发出激光束使工件融化形成特定的熔池；电弧焊接装置，沿靠近或背离激光束中心线的方向转动设置在所述焊接台上且位于激光焊接装置一侧；电磁搅拌装置，所述电磁搅拌装置设置在所述焊接台内，并朝焊接台上表面产生磁场方向及磁力可控的磁场以调控熔池流态。本申请具有降低厚板窄间隙焊接过程中出现气孔、未熔合等缺陷而影响接头的使用性能的可能性的效果。

Description

一种激光电弧复合焊接设备及焊接方法

技术领域

本申请涉及焊接技术领域，尤其是涉及一种激光电弧复合焊接设备及焊接方法。

背景技术

激光-电弧复合焊接，是将激光和电弧两种热源相结合，获得较大的焊接熔深以及实现高效、高质量的焊接过程的方法。结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点（如激光热源具有高的能量密度、极优的指向性、及透明介质传导的特性，电弧等离子体具有高的热-电转化效率、低廉的设备成本的运行成本、技术发展成熟等优势），极大程度地避免了二者的缺点（如金属材料对激光的高反射率造成的激光能量损失、激光设备高的设备成本、低的电-光转化效率等，电弧热源较低的能量密度、高速移动时放电稳定性差等），同时二者的有机结合衍生出了很多新的特点（高能量密度、高能量利用率、高的电弧稳定性、较低的工装准备精度以及待焊接工件表面质量等），使之成为具有极大应用前景的新型焊接热源。

现有的，厚板结构件在船舶、航空航天、工程机械等领域应用非常广泛，如何对厚壁结构件 进行高效连接也是该结构连接的重要发展方向。尤其是在厚板窄间隙焊接过程中，极易出现气孔、未熔合等缺陷而影响接头的使用性能，因此亟需一种激光电弧复合焊接设备及焊接方法以解决上述问题。

发明内容

为了降低厚板窄间隙焊接过程中出现气孔、未熔合等缺陷而影响接头的使用性能的可能性，本申请提供一种激光电弧复合焊接设备及焊接方法。

本申请提供的一种激光电弧复合焊接设备及焊接方法采用如下的技术方案：

第一方面，本申请提供了一种激光电弧复合焊接设备，包括：

焊接台，为工件的焊接提供平稳的平台，所述焊接台内形成有内腔；

激光焊接装置，设置在所述焊接台上发出激光束使工件融化形成特定的熔池；

电弧焊接装置，沿靠近或背离激光束中心线的方向转动设置在所述焊接台上且位于所述激光焊接装置一侧；

电磁搅拌装置，所述电磁搅拌装置设置在所述焊接台内，并朝焊接台上表面产生磁场方向及磁力可控的磁场以调控熔池流态。

可选的，所述电磁搅拌装置包括轴向磁场发生器和供给电源机构，所述供给电源机构向所述轴向磁场发生器输出多种形式的电流以形成与对应形式电流对应的磁场。

可选的，所述轴向磁场发生器包括磁场线圈、屏蔽外罩及固定组件，所述磁场线圈通过所述固定组件固定设置在所述焊接台内壁上，所述屏蔽外罩围设在磁场线圈外侧。

可选的，所述供给电源机构包括可调直流电源输出件、可调交流电源输出件、可调脉冲电源输出件、稳压电源、稳压及整流电源、可控整流电路、逆变器、脉冲发生件及电源调控组件；

所述可调直流电源输出件与所述稳压电源电连接，可调直流电源输出件与所述可控整流电路及电源调控组件电连接；

所述可调交流电源输出件与所述稳压及整流电源电连接，稳压及整流电源与逆变器连接，可调交流电源输出件与逆变器及电源调控组件电连接；

所述可调脉冲电源输出件与所述稳压及整流电源电连接，可调脉冲电源输出件与所述脉冲发生件及电源调控组件电连接。

可选的，所述电弧焊接装置包括电弧焊枪、等离子焊枪及固定套盒，所述电弧焊枪和等离子焊枪均转动设置在所述固定套盒内，所述固定套盒内设置有驱动电弧焊枪和等离子焊枪转动的驱动组件，所述电弧焊枪和等离子焊枪焊头均朝向所述激光焊接装置产生的激光束中心线设置。

可选的，所述固定套盒内开设有供所述电弧焊枪转动的第一容置槽和供所述等离子焊枪转动的第二容置槽，所述驱动组件设置有两组并分别设置在第一容置槽和第二容置槽内。

可选的，所述驱动组件包括驱动齿轮、扭控件、从动齿轮及连接座，所述驱动齿轮转动设置在所述第一容置槽或第二容置槽内壁上，所述扭控件转动设置在所述固定套盒外壁上用于带动驱动齿轮转动，所述从动齿轮转动设置在所述第一容置槽或第二容置槽内壁上并与所述驱动齿轮啮合，所述连接座设置在所述从动齿轮上用于连接电弧焊枪或等离子焊枪。

可选的，所述激光焊接装置包括滑移设置在所述焊接台上的激光头和设置在焊接台内的驱动控制器，所述激光头与驱动控制器电连接，所述焊接台上设置有驱动激光头滑移的滑移件，所述固定套盒通过连接组件转动设置在所述激光头外壁上。

可选的，所述固定套盒与所述激光头的夹角在35°~42°之间。

第二方面，本申请提供了一种激光电弧复合焊接方法，应用上述的激光电弧复合焊接设备，包括如下步骤：

将待焊公件置于焊接台上，将激光头移动至工件的焊接起点处；

调节固定套盒与激光头间的夹角，使得电弧焊枪和等离子焊枪以及激光束的热源点基本位于焊接起点处；

通过驱动组件调节电弧焊枪和等离子焊枪在固定套盒内的角度，使得电弧焊枪和等离子焊枪以及激光束的热源点完全处于焊接起点处；

启动激光焊接装置及电弧焊接装置进行焊接，并同时启动电磁搅拌装置；

根据缺陷类型选择电磁搅拌装置的磁场类型。

可选的，所述缺陷类型为存在较多气泡时，通过电源调控组件调节电流至可控脉冲电流形成脉冲磁场，打破熔池表面的氧化膜，促进气体的排出。

可选的，所述缺陷类型为未融合时，通过电源调控组件调节电流至可控制直流电源或可控交流电源形成横向磁场或纵向磁场，提升融合效果。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

本发明使用时，将激光和电弧两种热源相结合，获得较大的焊接熔深及实现高效、高质量的焊接过程，弥补了激光焊接和电弧焊的缺点，同时加以磁场辅助控制熔池的流态，从而加速气泡的排出以及进一步提升融合效果。

本发明使用时，通过等离子焊枪及电弧焊枪的结合，在焊接前缘位置形成等离子弧，并在母材内生成匙孔，焊接电弧与等离子弧形成复合热源，焊丝连续熔化并填充熔池，在拥有了等离子焊熔深大的特点的同时具备电弧焊接熔敷效率较高的特点。

附图说明

图1是本实施例主要体现一种激光电弧复合焊接设备整体结构的轴测示意图一；

图2是本实施例主要体现一种激光电弧复合焊接设备整体结构的轴测示意图二；

图3是本实施例主要体现一种激光电弧复合焊接设备整体结构的轴测示意图三；

图4是图3中A部的放大示意图；

图5是本申请实施例一种激光电弧复合焊接方法流程图；

图6是本申请实施例一种激光电弧复合焊接方法的实施原理图。

附图标记：1、焊接台；2、激光焊接装置；21、激光头；22、驱动控制器；3、电弧焊接装置；31、电弧焊枪；32、等离子焊枪；33、固定套盒；4、电磁搅拌装置；41、轴向磁场发生器；411、磁场线圈；412、屏蔽外罩；413、固定组件；4131、托板；4132、固定螺栓；42、供给电源机构；5、第一容置槽；6、第二容置槽；7、驱动组件；71、驱动齿轮；72、扭控件；73、从动齿轮；74、连接座；8、连接组件；81、固定臂；82、转动轴；83、转动座臂。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语，不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。

第一方面，本申请实施例公开一种激光电弧复合焊接设备。

参照图1和图2，一种激光电弧复合焊接设备，包括焊接台1、激光焊接装置2、电弧焊接装置3及电磁搅拌装置4，激光焊接装置2、电弧焊接装置3及电磁搅拌装置4均安装在焊接台1上，焊接台1用于为工件的焊接提供平稳的平台，且焊接台1内形成有内腔且焊接台1一侧形成有门体，激光焊接装置2安装在焊接台1上发出激光束使工件融化形成特定的熔池，电弧焊接装置3沿靠近或背离激光束中心线的方向转动安装在焊接台1上且位于激光焊接装置2一侧实现电弧焊接功能，电磁搅拌装置4安装在焊接台1内并朝焊接台1上表面产生磁场方向及磁力可控的磁场以调控熔池流态。

参照图1-图4，在进一步的实施例中，激光焊接装置2包括激光头21和驱动控制器22，激光头21通过十字滑台滑移安装在焊接台1上表面上，驱动控制器22放置在焊接台1内并通过激光线缆与激光头21连接，本实施例中，激光头21及驱动控制器22以及连接方式均为现有技术，不做过多赘述。

参照图1-图4，在进一步的实施例中，电弧焊接装置3包括电弧焊枪31、等离子焊枪32及固定套盒33，固定套盒33通过连接组件8转动安装在激光头21外壁上，固定套盒33与激光头21的夹角在35°~42°之间，本实施例中，夹角优选为40°，电弧焊枪31和等离子焊枪32均转动安装在固定套盒33内，固定套盒33内安装有驱动电弧焊枪31和等离子焊枪32转动的驱动组件7，电弧焊枪31和等离子焊枪32焊头均朝向激光焊接装置2产生的激光束中心线设置；

在更进一步的实施例中，固定套盒33内开设有供电弧焊枪31转动的第一容置槽5和供等离子焊枪32转动的第二容置槽6，驱动组件7安装有两组并分别设置在第一容置槽5和第二容置槽6内；

驱动组件7包括驱动齿轮71、扭控件72、从动齿轮73及连接座74，驱动齿轮71转动安装在第一容置槽5或第二容置槽6内壁上，扭控件72转动安装在固定套盒33外壁上用于带动驱动齿轮71转动，并可在固定套盒33内壁摩擦力下停止转动，从动齿轮73转动安装在第一容置槽5或第二容置槽6内壁上并与驱动齿轮71啮合，连接座74焊接固定在从动齿轮73上，电弧焊枪31和等离子焊枪32通过螺栓与连接座74可拆卸安装；

使用时，焊接人员通过连接组件8实现固定套盒33的初步调节，调节固定套盒33与激光头21间的夹角，使得电弧焊枪31和等离子焊枪32以及激光束的热源点基本位于焊接起点处，随后在通过驱动组件7对电弧焊枪31和等离子焊枪32的角度分别进行微调，使得电弧焊枪31和等离子焊枪32以及激光束的热源点完全处于焊接起点处，最后及可进行焊接操作，通过等离子焊枪32及电弧焊枪31的结合，在焊接前缘位置形成等离子弧，并在母材内生成匙孔，焊接电弧与等离子弧形成复合热源，焊丝连续熔化并填充熔池，在拥有了等离子焊熔深大的特点的同时具备电弧焊接熔敷效率较高的特点。

参照图1-图4，在更进一步的实施例中，连接组件8包括固定臂81、转动轴82及转动座臂83，固定壁设置有两个，两个固定臂81焊接固定在激光头21两侧外壁上，转动轴82转动架设在两个固定壁之间，转动座臂83通过转动轴82转动安装在两个固定壁之间，固定套盒33通过螺栓固定安装在转动座臂83上，转动座臂83与固定壁间的摩擦力大于电弧焊接装置3及转动座臂83整体重，进而在不调节时，电弧焊接装置3也不会发生转动，而需要调节时只需焊接人员施加足够的外力即可实现转动调节。

参照图1-图4，电磁搅拌装置4包括轴向磁场发生器41和供给电源机构42，供给电源机构42用于向轴向磁场发生器41输出多种形式的电流以形成与对应形式电流对应的磁场，进而通过磁场对熔池流态进行调控。

在进一步的实施例中，轴向磁场发生器41包括磁场线圈411、屏蔽外罩412及固定组件413，磁场线圈411通过固定组件413固定安装在焊接台1内壁上，屏蔽外罩412围设在磁场线圈411外侧以降低外界磁场对磁场线圈411的干扰，固定组件413包括托板4131及固定螺栓4132，固定螺栓4132与焊接台1内壁螺纹连接，托板4131承托磁场线圈411及屏蔽外罩412。

在进一步的实施例中，供给电源机构42包括可调直流电源输出件、可调交流电源输出件、可调脉冲电源输出件、稳压电源、稳压及整流电源、可控整流电路、逆变器、脉冲发生件及电源调控组件，可调直流电源输出件与稳压电源电连接，可调直流电源输出件与可控整流电路及电源调控组件电连接；可调交流电源输出件与稳压及整流电源电连接，稳压及整流电源与逆变器连接，可调交流电源输出件与逆变器及电源调控组件电连接；可调脉冲电源输出件与稳压及整流电源电连接，可调脉冲电源输出件与脉冲发生件及电源调控组件电连接。

在更进一步的实施例中，电源调控组件包括交流电源档A、直流电源档D以及脉冲电流档P，使用时，通过交流电源档A可以使得电磁搅拌装置4产生纵向电流，通过直流电源档D可以使得电磁搅拌装置4产生横向电流，通过脉冲电源档P可以使得电磁搅拌装置4产生朝向工件的脉冲电流，本实施例中，电流的选择及调节为现有技术，不做过多赘述。

本申请实施例一种激光电弧复合焊接设备的实施原理为：使用时，将激光和电弧两种热源相结合，获得较大的焊接熔深及实现高效、高质量的焊接过程，弥补了激光焊接和电弧焊的缺点，同时加以磁场辅助控制熔池的流态，从而加速气泡的排出以及进一步提升融合效果。

参照图5和图6，第二方面，本申请实施例还公开了一种激光电弧复合焊接方法，包括如下步骤：

S1，将待焊公件置于焊接台1上，将激光头21通过十字滑台移动至工件的焊接起点处；

S2，通过连接调节固定套盒33与激光头21间的夹角，使得电弧焊枪31和等离子焊枪32以及激光束的热源点基本位于焊接起点处；

S3，通过驱动组件7调节电弧焊枪31和等离子焊枪32在固定套盒33内的角度，使得电弧焊枪31和等离子焊枪32以及激光束的热源点完全处于焊接起点处；

S4，启动激光焊接装置2及电弧焊接装置3进行焊接，并同时启动电磁搅拌装置4；

S5，焊接过程中，根据缺陷类型选择电磁搅拌装置4的磁场类型，实现对缺陷的改善：

当缺陷类型为存在较多气泡时，通过电源调控组件调节电流至可控脉冲电流形成脉冲磁场，打破熔池表面的氧化膜，促进气体的排出，从而尽可能解决了焊接过程中可能出现的气泡缺陷。

当缺陷类型为未融合时，通过电源调控组件调节电流至可控制直流电源或可控交流电源形成横向磁场或纵向磁场；横向磁场可以抑制热流的运动， 减少熔池的形变和变形，提高焊接质量，同时还能增加液态金属的氧化，从而减少金属的纯度和强度；纵向磁场可以促进熔池的形成，将电弧保持在熔池内，从而增加熔池的大小和深度提高焊接质量，并可以加速熔化和熔池形成的速度，从而缩短焊接时间，提升生产效率。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种激光电弧复合焊接设备，包括：

焊接台（1），为工件的焊接提供平稳的平台，所述焊接台（1）内形成有内腔；

激光焊接装置（2），设置在所述焊接台（1）上发出激光束使工件融化形成熔池；

电弧焊接装置（3），沿靠近或背离激光束中心线的方向转动设置在所述焊接台（1）上且位于所述激光焊接装置（2）一侧；所述电弧焊接装置（3）包括电弧焊枪（31）、等离子焊枪（32）及固定套盒（33），所述电弧焊枪（31）和等离子焊枪（32）均转动设置在所述固定套盒（33）内，所述固定套盒（33）内设置有驱动电弧焊枪（31）和等离子焊枪（32）转动的驱动组件（7），所述电弧焊枪（31）和等离子焊枪（32）焊头均朝向所述激光焊接装置（2）产生的激光束中心线设置；

电磁搅拌装置（4），所述电磁搅拌装置（4）设置在所述焊接台（1）内，并朝焊接台（1）上表面产生磁场方向及磁力可控的磁场以调控熔池流态。

2.根据权利要求1所述的一种激光电弧复合焊接设备，其特征在于：所述电磁搅拌装置（4）包括轴向磁场发生器（41）和供给电源机构（42），所述供给电源机构（42）向所述轴向磁场发生器（41）输出纵向电流、横向电流以及脉冲电流以形成对应的纵向磁场、横向磁场和脉冲磁场。

3.根据权利要求2所述的一种激光电弧复合焊接设备，其特征在于：所述轴向磁场发生器（41）包括磁场线圈（411）、屏蔽外罩（412）及固定组件（413），所述磁场线圈（411）通过所述固定组件（413）固定设置在所述焊接台（1）内壁上，所述屏蔽外罩（412）围设在磁场线圈（411）外侧。

4.根据权利要求2所述的一种激光电弧复合焊接设备，其特征在于，所述供给电源机构（42）包括可调直流电源输出件、可调交流电源输出件、可调脉冲电源输出件、稳压电源、稳压及整流电源、可控整流电路、逆变器、脉冲发生件及电源调控组件；

所述可调直流电源输出件与所述稳压电源电连接，可调直流电源输出件与所述可控整流电路及电源调控组件电连接；

所述可调交流电源输出件与所述稳压及整流电源电连接，稳压及整流电源与逆变器连接，可调交流电源输出件与逆变器及电源调控组件电连接；

所述可调脉冲电源输出件与所述稳压及整流电源电连接，可调脉冲电源输出件与所述脉冲发生件及电源调控组件电连接。

5.根据权利要求1所述的一种激光电弧复合焊接设备，其特征在于：所述固定套盒（33）内开设有供所述电弧焊枪（31）转动的第一容置槽（5）和供所述等离子焊枪（32）转动的第二容置槽（6），所述驱动组件（7）设置有两组并分别设置在第一容置槽（5）和第二容置槽（6）内。

6.根据权利要求5所述的一种激光电弧复合焊接设备，其特征在于：所述驱动组件（7）包括驱动齿轮（71）、扭控件（72）、从动齿轮（73）及连接座（74），所述驱动齿轮（71）转动设置在所述第一容置槽（5）或第二容置槽（6）内壁上，所述扭控件（72）转动设置在所述固定套盒（33）外壁上用于带动驱动齿轮（71）转动，所述从动齿轮（73）转动设置在所述第一容置槽（5）或第二容置槽（6）内壁上并与所述驱动齿轮（71）啮合，所述连接座（74）设置在所述从动齿轮（73）上用于连接电弧焊枪（31）或等离子焊枪（32）。

7.根据权利要求1所述的一种激光电弧复合焊接设备，其特征在于：所述激光焊接装置（2）包括滑移设置在所述焊接台（1）上的激光头（21）和设置在焊接台（1）内的驱动控制器（22），所述激光头（21）与驱动控制器（22）电连接，所述焊接台（1）上设置有驱动激光头（21）滑移的滑移件，所述固定套盒（33）通过连接组件（8）转动设置在所述激光头（21）外壁上。

8.根据权利要求7所述的一种激光电弧复合焊接设备，其特征在于，所述固定套盒（33）与所述激光头（21）的夹角在35°~42°之间。

9.一种激光电弧复合焊接方法，其特征在于，应用如权利要求1至8任意一项所述的激光电弧复合焊接设备，包括如下步骤：

将待焊工件置于焊接台上，将激光头移动至工件的焊接起点处；

调节固定套盒与激光头间的夹角，使得电弧焊枪和等离子焊枪以及激光束的热源点基本位于焊接起点处；

通过驱动组件调节电弧焊枪和等离子焊枪在固定套盒内的角度，使得电弧焊枪和等离子焊枪以及激光束的热源点完全处于焊接起点处；

启动激光焊接装置及电弧焊接装置进行焊接，并同时启动电磁搅拌装置；

根据缺陷类型选择电磁搅拌装置的磁场类型。

10.根据权利要求9所述的一种激光电弧复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述缺陷类型为存在较多气泡时，通过电源调控组件调节电流至可控脉冲电流形成脉冲磁场，打破熔池表面的氧化膜，促进气体的排出。

11.根据权利要求9所述的一种激光电弧复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述缺陷类型为未融合时，通过电源调控组件调节电流至可控制直流电源或可控交流电源形成横向磁场或纵向磁场，提升融合效果。