CN1296433A - 由激光感生电弧的方法以及用此方法进行的电弧感生焊接与设备 - Google Patents

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Abstract

在母材(2)为激光(16)熔焊处产生了等离子体(13)。当放电电极(12)为负时,朝此等离子体(13)的方向产生了电弧放电(4)并被引向上述施加有激光(16)的位置处。当电极(12)为正时,于激光(16)照射处产生了电弧电子,促致电弧放电移向电极(12)。设施加到电极(12)与母材(2)上的电压为AC电压,则电极(12)与母材(2)的极性交迭而使上述现象交替。设母材(2)为负,则电弧放电(4)因激光光点而发生。由于电弧放电(4)是因激光(16)产生的等离子体(13)造成,此电弧放电(4)是稳定的而与母材(2)和电极(12)的状态无关。

Description

由激光感生电弧的方法以及用此方法进行的电弧感生焊接与设备
本发明涉及使用激光的电弧放电感生以及由电弧焊接狭的坡口内的激光的电弧感生的焊接方法与装置。
电弧焊接中有TIG(钨隋性气)焊接、MIG(金属隋性气体)焊接、CO2、MAG(金属活性气体)焊接等。除TIG焊接外，在MIG焊接等之中，当移动电弧发生位置时，一般如图15所示，多数是将具有填料电极3的焊炬1相对于加工对象母材2移动而移动电弧。此外，在TIG焊接时，电极与填料不同，是通过相对于加工对象母材移动钨电极而移动电弧。TIG焊接采用非消耗式电极而MIG熔接则是采用消耗式电极。
例如特开平5-146877号公报中所述的方法中，如图16所示，由填料弯曲用齿轮6将送料索弯曲，移至电弧放电4的位置进行焊接。
再如图17所示的焊接方法，是由马达9与皮带10一面带动偏心焊咀转动，一面应用填料管送来的填料3，同时移动电弧放电4的位置来形成焊缝。
作为应用激光引导电弧的电弧焊接方法尚有特开昭62-263869号公报中所记载的。
此外，在采用上述TIG焊接等进行坡口内焊接的情形则如图18所示，通过移动焊炬1进行横摆运动，借助填料电极3与被加工的母材间发生电弧放电进行焊接。
在进行窄的坡口焊接时虽可将焊炬1插入坡口内进行焊接。但由于焊炬1不能作横摆运动，为此，例如可用特开平5-146877公报中所述方法进行焊接。
具体如图19所示，由填料弯曲齿轮使送料索弯曲，在坡口内母材2之间形成焊缝进行焊接。图中8为焊接垫板用平台。
另有图20所示的，由马达9与皮带10带动偏心焊嘴转动，在使填料供给管11供给的填料转动的同时，控制放电4的方向的方法。
但在上述先有技术中移动焊炬的方法以及特开平5-146877号公报中所说的使送料索弯曲和使偏心焊嘴转动的情形，由于有对象工件的形状以及电磁影响等问题，将电弧放电感生到正确的位置未必容易。
作为应用激光引导电弧的电弧引导方法中的特开昭62-263869号公报中所记的方法，它未必能充分可靠地将电弧感生于正确位置。
在先有技术中，特别是在狭窄坡口焊接的情形，当电弧放电电极(填料电极)3接近母材的侧壁时，如图21与12所示，在电极3与母材2的侧壁之间会发生由电弧放电产生的等离子体5。因而产生了不能稳定地进行焊接等的问题。
在上述其他的电弧焊接情形，不论是弯曲送料索的方式还是偏心焊炬的转动方式等，都不能正确地感生于焊接位置，因而有当电弧放电的位置由于工件形状和电场的影响与焊接预定位置不同时，存在有不能实现放电的稳定焊接问题。
再有，在狭坡口内由于不能正确地移动电弧放电，就会有图21所示A部成为未焊接部，造成焊接缺陷等问题。
具体见图23所示，当电极3与母材2侧壁的间距2小于电极3与母材2坡口底部的间距β时，当进行电弧焊接时，就会在此侧壁上发生电弧放电等离子体5。
于是如图24所示，坡口侧壁虽由熔融金属30熔敷，但坡口底部则成为未熔敷部31。
为使在狭坡口底部不发生未熔敷部，考虑过将坡口角扩张到45～90°左右，但这样将使可能熔敷的部分膨大而加长焊接时间。此外还必须耗用大量的熔融填料，使焊接费用增加。
作为其他的方法，考虑过在熔敷作业之后从里侧对未熔敷部进行刨槽处理，再次从里侧进行焊接。
但这种方法在刨槽和再度焊接时需耗用时间，也将增加费用。此外，还应考虑到从里侧进行刨槽本身会有困难的情形。
在先有技术中，由激光感生电弧的例子有特开昭62-263869号公报所记的内容，但它未必能充分地将电弧感生于确实可靠的位置。这就是说，通过激光使电弧发生于所希望的部分后，由所发生的电弧导致的等离子体会起作用，引起图23所示的现象。
另外还有焊接索会全国大会讲演概要，第60集(’97-4)的“CO2激光器感生的电弧摆动”中所记载的，TIG电弧由激光感生出以进行高速表面处理的方法。
但在上述TIG电弧由激光感生出进行高速表面处理时，TIG的电极与工件的间隙宽而移动速度高，则不是由TIG电弧单元可以焊接的区域，而是TIG电弧的指向性会在母材附近迷失的区域。因此在TIG的焊接中难以正确地感生电弧。
本发明的第一目的在于实现，能在所希望的位置正确地进行稳定的电弧放电，由激光稳定地感生电弧放电位置，得以使电弧放电本身稳定化的激光的电弧引导方法。
本发明的第二目的在于实现，能在狭坡口内的底部与角部位置正确地进行稳定的电弧焊接，而且可使电弧放电稳定化的激光的电弧感生焊接方法与焊接装置。
为了实现上述目的，本发明取以下所述的结构形式。
(1)在用激光照射被加工物的表面的加工预定位置，将电弧电极与上述被加工物之间发生的电弧放电感生到在上述电弧电极与激光照射点之间发生的激光的电弧感生方法中，把供给于上述电弧电极和上述被加工物之间的放电用电压设定为周期性变化的电压。
(2)在上述(1)的激光的电弧感生方法中，作周期性变化的电压最好是交流电压。
(3)在上述(1)的激光的电弧感生方法中，作周期性变化的电压最好是脉冲电压。
(4)在上述(3)的激光的电弧感生方法中，上述脉冲电压的脉冲间隔最好大于0.1ms。
(5)在激光的电弧感生焊接方法中，于电弧电极和被焊接物之间施加周期性变化的电压进行电弧焊接时，用激光照射上述被焊接物的焊接预定位置，使发生等离子体与金属蒸汽，将电弧放电感生于照射了激光的焊接预定位置进行电弧焊接。
(6)在上述(5)的激光的电弧感生焊接方法中，作周期性变化的电压最好是交流电压。
(7)在上述(5)的激光的电弧感生焊接方法中，作周期性变化的电压最好是脉冲电压。
(8)在上述(5)的激光的电弧感生焊接方法中，上述被焊接物是狭坡口内的焊接预定部。
(9)在上述(5)的激光的电弧感生焊接方法中，最好使所述激光相对于上述焊接预定位置摆动。
(10)激光的电弧引导焊接设备，它具备有：在电弧电极与被焊接物之间施加周期性变化的电压的电压施加装置；在进行电弧焊接时，将激光照射上述被焊接物的狭坡口内焊接预定部的激光照射装置；控制上述电压施加装置与激光照射装置操作的控制装置；所述设备用激光照射上述被焊接物的焊接预定部，使发生等离子体与金属蒸汽，将电弧放电感生于照射上述激光的上述焊接预定部中，进行电弧焊接。
(11)激光的电弧感生焊接设备，它具备有：在电弧电极与被焊接物之间施加周期性变化的电压的电压施加装置；在进行电弧焊接时，将激光照射上述被焊接物的狭坡口内焊接预定部的激光照射装置；使上述激光相对于上述被焊接物的焊接预定位置摆动的摆动装置；控制上述电压施加装置、激光照射装置与摆动装置操作的控制装置；所述设备用激光照射上述被焊接物的焊接预定部，使发生等离子体与金属蒸汽，将电弧放电感生于照射有上述激光的上述焊接预定部中，进行电弧焊接。
(12)在上述(10)或(11)的激光的电弧感生焊接设备中，周期性变化的电压最好是交流电压。
(13)在上述(10)或(11)的激光的电弧感生焊接设备中，周期性变化的电压最好是脉冲电压。
由于将电弧放电用电压取作为脉冲式交流式周期变化的电压，通过激光感生，在此激光照射位置处开始电弧放电之后，以及在电弧放电产生的等离子体将电弧感生到与激光照射位置不同的位置之前，电弧放电电压会降低，使电弧放电产生的等离子体消失或减弱。在电弧放电导致的等离子体消失后，电弧电压上升而继续进行激光照射位置处的电弧焊接。
再有，因电弧放电发生的等离子体通常造成的电弧放电电平的降低约经十分之几个ms即消失，从而脉冲式电弧放电电压的脉冲间隔最好大于0.1ms。
图1以TIG焊接中电弧放电的感生为例说明本发明的原理。
图2A、2B与2C是本发明的原理说明图。
图3是本发明的原理说明图。
图4A、4B、4C是用于与本发明的原理对比的先有技术的原理说明图。
图5是用于与本发明的原理对比的先有技术的原理说明图。
图6示明使激光向母材照射位置移动方法的一个例子。
图7示明使激光向母材照射位置移动方法的另一例子。
图8示明使激光向母材照射位置移动方法的又一例子。
图9说明由本发明进行狭坡口底部焊接的状态。
图10表示由本发明进行狭坡口底部焊接的状态。
图11示明在狭坡口情形通过本发明的激光引导作用进行横摆运动的状态。
图12示明在狭坡口情形通过本发明的激光引导作用进行横摆运动的状态。
图13示明在狭坡口情形通过本发明的激光引导作用进行横摆运动的状态。
图14概示本发明一实施形式的激光电弧引导焊接设备的结构。
图15示明先有技术中使电弧发生位置移动的一个例子。
图16示明先有技术中使电弧发生位置移动的另一个例子。
图17示明先有技术中使电弧发生位置移动的又一个例子。
图18示明先有技术中由MAG焊接进行狭坡口焊接时的横摆运动状态。
图19示明先有技术中进行狭坡口焊接时应用弯曲索的横向摆动情形。
图20示明先有技术中进行狭坡口焊接时应用焊炬旋转方式的横向摆动情形。
图21示明先有技术中进行图19所示狭坡口焊接时，电弧放电发生于侧壁之上的状态。
图22示明先有技术中进行图20所示狭坡口焊接时，电弧放电发生于侧壁之上的状态。
图23示明先有技术中进行狭坡口焊接时电弧放电发生于侧壁之上的状态。
图24示明先有技术中进行狭坡口焊接时，狭坡口底部未被焊接上的状态。
下面参照附图说明本发明的实施形式。
首先说明本发明的原理。
由激光进行的电弧感生现象是通过激光照射在激光照射部发生电离化金属蒸汽与热电子等组成的浮散(プル-厶)，相对于基本绝缘状态的空中，由于这种浮散的发生，焊炬电极与母材的激光照射部之间的阻抗便会降低，同时，母材受到激光照射的部分便被加热而放出热电子，于是在激光照射部便会感生电弧放电。
图1以TIG焊接中电弧放电的感生为例说明本发明的原理。
图1中，焊炬1为TIG焊接用焊炬，在图1中的电极12上，与母材12相反地施加有交流电压或脉冲电压(周期变化的电压)。标号14指母材电极。从焊炬1喷射的是氩气。
此时，于母材2的所希望位置上将激光16经聚焦透镜15照射时，使如图2A所示，通过照射到母材2上的激光16，于母材2的焊接预定位置处便会发生等离子体13。
等离子体13的导电性比外部气氛的高，由于上述放电电极12与母材2的电位差，当电极12为负时，便朝等离子体13的方向发生电弧放电并感生于激光16的照射位置处(图2B)。
电极12为正时，由激光照射点发生电弧放电4，通过等离子13的区域于电极12上放电(图2c)。
当电极12与母材2之间所加电压为交流的或脉冲的时，如图3所示，由于电极12和母材2的极性交互变化，便会交互发生上述现象而放电。
此时，当母材2为负时，电弧放电4便发生于激光光点为起点处，这是由于激光照射致母材2局部加热，成为易于释出热电子的状态所致。
同时，这种电弧放电4由于激光16而发生了等离子体13，因而能与母材2的状态和电极12的状态无关，产生稳定的电弧放电4。
在此，先有技术特开昭62-263869号公报所描述的工艺中，虽然指出了由于激光照射的作用致母材中发生等离子体及热电子等效应而感生出电弧，但并未涉及激光电源电压等条件。
例如图4A与图5所示，当电弧的输出在交流电压或脉冲电压下不存在时，在恒定电压的情形，当由激光16发生了等离子体13后，电弧电极3和母材2之间便因其间的电压发生电弧放电4。
然后如图4B所示，通过此电弧放电4，于电弧放电4的周围发生等离子体5。由此就减弱了激光16导致的等离子体13的感生效果，而如图4c所示，电弧放电4将移至电弧电极3与母材2的距离最近的位置处。
例如示明本发明原理的图2A、2B、2C以及图3所示，通过使电弧放电电压取脉冲或交流形式，即使是激光16的照射位置与电弧电极3的距离很大时，也能避免电弧放电发生于与图4C所示激光照射位置不同位置的事件，从而可以拓广电弧放电4的感生宽度。此外可以使电弧放电4稳定并感生于激光照射位置处。
这如图2A所示，在初始状态下，与电弧放电4所产生的等离子体5无关，此时的电弧放电4由于激光16而感生于等离子体13所发生的激光16的照射位置处。
然后如图2B所示，由于电弧放电4而开始产生等离子体5。
还由于施加了脉冲式的电弧放电电压，当电压下降减弱了等离子体5的发生至等离子体5消失后，又如图2C所示，通过升高电弧电压，可再次于激光16的照射位置感生出电弧放电4。当电弧电压为交流电压时同样有上述现象。
这样，根据某种特定条件，稳定而可靠的电弧感生成为可能。
再有，先有技术中由激光感生电弧的例子虽有TIG中的电弧通过激光感生进行高速表面处理的例子，但此时TIG的电极与工件间的间距宽而移动速度为高速，TIG电弧的指向性就有可能在母材附近迷失。因而先有技术中上述TIG电弧的感生对于TIG电弧于母材附近具有高能密度的区域是不易发生的。
与此相反，根据本发明，如上所述，由于使电弧放电电压为脉冲电压或交流电压，即使在激光的照射位置与电弧电极的距离增大时，也能避免电弧放电发生于与激光照射位置不同位置的事件，而可以使电弧放电稳定化并感生出于激光照射位置处。
这就是说，根据本发明，能够在所希望的位置上正确地进行稳定的电弧放电，得以实现由激光稳定地感生电弧放电位置，使电弧放电本身稳定化的激光的电弧感生方法。
在图1所示的例子中，激光16在母材2上的照射位置(激光光点)可以由适当的方法移动。具体地说，可以采用经光纤传送激光16，将此光纤的激光出射口与聚焦透镜15一齐移动的方法。
除上述移动方法之外，也可采用图6所示的，相对于激光16移动透镜15而移动母材2上激光光点的方法。
或如图7所示，用反射镜17照射激光器16，将此反射镜17所反射的激光16经由聚焦透镜而照射到母材2上。然后可通过反射镜17的相对于激光16的角度变化来移动母材2上的激光光点。
再可如图8所示，通过楔形基板18与聚焦透镜15将激光16照射向母材2。然后通过转动模形基板18来移动激光16，便可移动母材2上的激光光点。
将电弧放电电压取作脉冲电压或交流电压，而且由图6～8所示方法移动激光16在母材2上的照射位置，就能正确稳定地进行电弧焊接的横摆运动。
据此，如图15、16与17所例示，可不必要使送料索弯曲或使电极3移动，能够不受工件2形状的影响而稳定正确地感生电弧。
由电弧放电发生的等离子体通常会减少电弧放电电平，因而等离子体会经过约十分之几ms消失。
在由电弧放电发生的等离子体消失后，电弧放电电压上升，当再开始电弧放电时，由于激光造成的等离子体感生出电弧放电，故能由电弧电极在激光照射位置处发生电弧放电。
下面举例说明本发明适用于对狭坡口内进行电弧焊接的激光的电弧感生焊接方法与焊接设备。
如图9与10所示，在焊接狭坡口的底部时，以激光16照射此底部，感生电弧放电，然后电弧产生的等离子体便发生于电极3和侧壁之间，在电弧于电极3和侧壁间发生之前，若构造成能于此时降低电弧放电电压，则能由熔敷金属19可靠地焊接狭坡口的底部。
在实施本发明的激光的电弧感生焊接方法时，如图11、12与13所示，于激光16的照射位置感生电弧放电，使电弧放电发生于电极3与工件(母材)2之间，进行狭坡口焊接。
在狭坡口内使激光16的光点摆动能够于坡口内感生电弧，可以稳定地朝向狭坡口内的底部发生电弧放电。
这里的移动激光光点的方法除移动激光16本身的方法外，也可采用图6、7与8中所示的方法。
根据上述的方法，使激光16的照射位置于狭坡口内移动，就能不于侧壁上放电，稳定地进行坡口底部的电弧焊接。
据此，如图18、19与20所示，可不必将送料索弯曲或将电极3移动，而且能不会受工件2形状的影响，稳定而正确地进行电弧焊接。
这就是说，根据本发明能于狭坡口内的底部及角部的位置进行稳定的电弧焊接，而且能够实现稳定化的电弧放电的激光的电弧感生焊接方法。
图14概示实施本发明的激光的电弧感生焊接方法的电弧感生焊接设备的结构。
图14中，电弧电源29的电弧电压通过电极电缆23提供给焊接用焊炬1，同时通过电极电缆24供给设置于工作台22上的工件2。此外，从连接到激光电源27上的激光振荡器26所产生的激光16则通过光纤21与聚焦单元19照射到工件2。
聚光单元19可根据需要由摆动单元20移动，使激光16于工件2上移动。
这些焊炬1、聚焦单元19、摆动单元20安装于焊接用机械手25上。然后由控制单元28控制摆动单元20、工作台22、机械手25、激光电源27以及电弧电源29的作业。
这就是说，由控制单元28来执行上述本发明的激光的电弧感生焊接方法。
首先，控制单元28在起动机械手25的同时移动工作台22，使工件2移动到激光16照射到此工件2所希望位置上。然后，控制单元28控制电弧电源29，于焊炬1的电极和工件2之间开始施加脉冲电压或交流电压的电弧放电电压。
接着，控制单元28控制激光电源27，使来自激光振荡器26的激光16照射工件2。此时，控制单元28使摆动单元20起动，控制机械手25、工作台22的工作，沿着所希望的焊接线焊接工件2。
根据上述的本发明，能在狭坡口内的底部与角部位置正确地进行稳定的电弧焊接，而且能够实现得以使电弧放电稳定化的激光的电弧感生焊接装置。
根据本发明，通过使电弧输出取脉冲或交流形式让激光照射母材，可以将电弧放电正确地感生于上述激光的照射位置处，此外，由于激光会发生微量的等离子体，就能实现稳定的电弧放电。
这样，根据本发明，就能于所希望的位置处正确地进行稳定的电弧放电，能够由激光稳定地感生电弧放电位置，而实现使电弧放电本身得以稳定化的激光的电弧感生方法。
此外，根据本发明，还能于狭坡口内的底部与角部位置正确地进行稳定的电弧焊接，而且能实现可以稳定地进行电弧放电的激光的电弧感生焊接方法与设备。

Claims (13)

1．一种激光的电弧感生方法，其特征在于：用激光(16)照射被加工物(2)的表面的加工预定位置，将电弧电极(3)与上述被加工物(2)之间发生的电弧放电(4)感生于上述电弧电极(3)与激光(16)照射点之间，同时把供给于上述电弧电极(3)和上述被加工物(2)之间的放电用电压设定为周期性变化的电压。
2．权利要求1所述的激光的电弧感生方法，其特征在于，作周期性变化的电压是交流电压。
3．权利要求1所述的激光的电弧感生方法，其特征在于，作周期性变化的电压是脉冲电压。
4．权利要求3所述的激光的电弧感生方法，其特征在于，上述脉冲电压的脉冲间隔大于0.1ms。
5．一种激光的电弧感生焊接方法，其特征在于，在电弧电极(3)和被焊接物(2)之间施加周期性变化的电压，进行电弧焊接时，用激光(16)照射上述被焊接物(2)的焊接预定位置，使发生等离子体与金属蒸汽，将电弧放电(14)感生于照射了激光(16)的焊接预定位置。
6．权利要求5所述的激光的电弧感生焊接方法，其特征在于，作周期性变化的电压是交流电压。
7．权利要求5所述的激光的电弧感生焊接方法，其特征在于，作周期性变化的电压是脉冲电压。
8．权利要求5所述的激光的电弧感生焊接方法，其特征在于，上述被焊接物是狭坡口内的焊接预定部。
9．权利要求1所述的激光的电弧感生焊接方法，其特征在于，使所述激光相对于上述焊接预定位置摆动。
10．一种激光的电弧引导焊接设备，它的特征在于具备有：在电弧电极(3)与被焊接物(2)之间施加周期性变化的电压的电压施加装置(29)；在进行电弧焊接时，将激光(16)照射上述被焊接物(2)的狭坡口内焊接预定部的激光照射装置(19，21，26，27)；控制上述电压施加装置(29)和激光照射装置(19，21，26，27)操作的控制装置(28)；所述设备用激光(16)照射上述被焊接物(2)的焊接预定部，使发生等离子体(13)与金属蒸汽，将电弧放电(4)引感生于照射有上述激光的上述焊接预定部中而进行电弧焊接。
11．一种激光的电弧感生焊接设备，它的特征在于：具备有在电弧电极(3)与被焊接物(2)之间施加周期性变化的电压的电压施加装置(29)；在进行电弧焊接时，将激光(16)照射上述被焊接物(2)的狭坡口内焊接设定部的激光照射装置(19，21，26，27)；使上述激光(16)相对于上述被焊接物(2)的焊接预定位置摆动的摆动装置(20)；控制上述电压施加装置(29)、激光照射装置(19，21，26，27)与摆动装置(20)操作的控制装置(28)；所述设备用激光(16)照射上述被焊接物(2)的焊接预定部，使发生等离子体(13)与金属蒸汽，将电弧放电感生于照射有上述激光的上述焊接预定部中，进行电弧焊接。
12．权利要求10或11所述的激光的电弧感生焊接设备，其特征在于，周期性变化的电压是交流电压。
13．权利要求10或11所述的激光的电弧感生焊接设备，其特征在于，周期性变化的电压是脉冲电压。
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