RU2027562C1 - Method of contactless excitation of welding arc - Google Patents
Method of contactless excitation of welding arc Download PDFInfo
- Publication number
- RU2027562C1 RU2027562C1 SU4945659A RU2027562C1 RU 2027562 C1 RU2027562 C1 RU 2027562C1 SU 4945659 A SU4945659 A SU 4945659A RU 2027562 C1 RU2027562 C1 RU 2027562C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- arc
- electrode
- gap
- spark
- Prior art date
Links
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области сварки и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности. The invention relates to the field of welding and can be used in mechanical engineering and other industries.
Известные методы бесконтактного возбуждения сварочной дуги условно можно разделить на две группы. К первой относятся те из них, в которых дуга инициируется в результате протекания физических процессов в искровом разряде, возбуждаемом в межэлектродном промежутке с помощью осциллятора [1] или других источников высоковольтных импульсов (например, основанных на применении пьезокристаллического элемента [2]. Вторую группу составляют способы, в которых возбуждение дуги обеспечивается за счет нагрева рабочего конца электрода до температуры, достаточной для термоэлектронной эмиссии. Необходимая температура обычно достигается в результате воздействия на электрод того или иного высококонцентрированного источника нагрева. Известно использование в качестве такого источника плазменной или свободно горящей дуги, электронного или лазерного пучка, возможен также нагрев электрода джоулевым теплом. Known methods of contactless excitation of the welding arc can be conditionally divided into two groups. The first group includes those in which the arc is initiated as a result of physical processes in a spark discharge excited in the interelectrode gap using an oscillator [1] or other sources of high-voltage pulses (for example, based on the use of a piezocrystalline element [2]. methods in which arc excitation is provided by heating the working end of the electrode to a temperature sufficient for thermionic emission. The required temperature is usually achieved as a result It is known to use a plasma or free-burning arc, an electron or laser beam as such a source, and the electrode can also be heated by Joule heat.
Недостатком известных способов возбуждения дуги является то, что они сопровождаются достаточно мощным электромагнитным излучением в виде радиопомех. В связи с повышением требований к уровню радиопомех, вызванным развитием электронных сварочных источников питания и автоматизированных систем управления, применение этих способов предполагает более сложные и дорогостоящие меры защиты от помех. A disadvantage of the known methods of arc excitation is that they are accompanied by sufficiently powerful electromagnetic radiation in the form of radio interference. Due to the increasing requirements to the level of radio interference caused by the development of electronic welding power supplies and automated control systems, the use of these methods involves more complex and expensive measures of protection against interference.
Способы, использующие лучевой или джоулев нагрев электрода, можно считать свободными от помех. Остальные, основанные на использовании вспомогательных дуг в роли источников нагрева электрода, сопровождаются появлением радиопомех в процессе возбуждения самих вспомогательных дуг. Учитывая, что возможности применения джоулева нагрева сварочного электрода ограничены из-за необходимости специальной конструкции электрода, в качестве перспективных при сварке от электронных источников питания и автоматизированных комплексов можно рассматривать лишь способы возбуждения сварочной дуги на основе лучевого нагрева, тем более что они исключают загрязнение сварного шва продуктами разрушения электродов или сопел вспомогательных дуг. Однако высокая стоимость, сложность и громоздкость оборудования сужают их область применения в настоящее время. Methods using radiation or Joule heating of the electrode can be considered free from interference. The rest, based on the use of auxiliary arcs as sources of electrode heating, are accompanied by the appearance of radio interference in the process of excitation of the auxiliary arcs themselves. Considering that the possibilities of using Joule heating of the welding electrode are limited due to the need for a special electrode design, only methods for exciting the welding arc based on radiation heating can be considered promising when welding from electronic power sources and automated complexes, especially since they exclude contamination of the weld destruction products of electrodes or nozzles of auxiliary arcs. However, the high cost, complexity and bulky equipment narrow their scope at the present time.
Наиболее близким к предлагаемому является способ возбуждения дуги с неплавящегося электрода с использованием лазерного излучения [3]. Он предусматривает нагрев рабочего конца электрода лучом маломощного лазера непрерывного действия. Лазер непрерывного действия требуемой для нагрева электрода мощности является дорогим и относительно громоздким устройством. Однако необходимость использования такого лазера диктуется самой сутью способа, поскольку нагреть электрод с помощью значительно более дешевого и компактного импульсного лазера разумной мощности невозможно из-за слишком малой (порядка десятков наносекунд) длительности импульса. Closest to the proposed is a method of arc excitation from a non-consumable electrode using laser radiation [3]. It provides for heating the working end of the electrode with a beam of a low-power continuous laser. The continuous laser power required to heat the electrode is an expensive and relatively bulky device. However, the necessity of using such a laser is dictated by the very essence of the method, since it is impossible to heat an electrode with a much cheaper and more compact pulsed laser of reasonable power due to the too short (of the order of tens of nanoseconds) pulse duration.
Недостатком известного способа [3] является также то, что он ограничен в применении, так как может быть использован только при сварке неплавящимся электродом. Для сварки (или других технологических процессов) плавящимся электродом его применения не имеет смысла, из-за того что при температуре плавления такого электрода, как правило, не достигается эмиссия, достаточная для возбуждения дугового разряда. Кроме того, быстрое изменение формы рабочего конца плавящегося электрода в процессе горения дуги требует слишком частой корректировки параметров лазерного пучка для осуществления оптимального режима нагрева электрода. A disadvantage of the known method [3] is that it is limited in application, since it can only be used when welding with a non-consumable electrode. For welding (or other technological processes) with a consumable electrode, it does not make sense to use it, because at the melting temperature of such an electrode, as a rule, emission sufficient to excite an arc discharge is not achieved. In addition, the rapid change in the shape of the working end of the consumable electrode during arc burning requires too frequent adjustment of the laser beam parameters for the optimal electrode heating mode.
Относительно большое время разогрева рабочего конца электрода до необходимой температуры (порядка секунды - десятых долей секунды при мощности лазера 50-60 Вт и 650 Вт соответственно) ограничивает применение известного способа [3] при сварке в импульсном режиме. The relatively long time of heating the working end of the electrode to the required temperature (of the order of a second - tenths of a second at a laser power of 50-60 W and 650 W, respectively) limits the application of the known method [3] for pulsed welding.
Целью изобретения является расширение технологических возможностей способа, уменьшение стоимости и габаритных размеров оборудования, экономия электроэнергии за счет исключения нагрева электрода и уменьшения необходимой средней мощности лазерного излучателя. The aim of the invention is to expand the technological capabilities of the method, reducing the cost and overall dimensions of the equipment, saving electricity by eliminating the heating of the electrode and reducing the required average power of the laser emitter.
Для этого в способе бесконтактного возбуждения сварочной дуги в газовой среде, осуществляемом с использованием лазерного излучения, после подачи напряжения холостого хода источника сварочного тока на дуговой промежуток в последнем создают плазму импульсного оптического разряда (лазерную искру) с помощью импульсного лазерного излучения, направляемого в виде сфокусированного пучка в зазор между электродом сварочной дуги и изделием. To do this, in the method of non-contact excitation of the welding arc in a gas medium using laser radiation, after applying the open circuit voltage of the welding current source to the arc gap, the latter creates a pulsed optical discharge plasma (laser spark) using pulsed laser radiation directed in the form of focused beam into the gap between the electrode of the welding arc and the workpiece.
Целью изобретения является также повышение надежности возбуждения сварочной дуги. The aim of the invention is also to increase the reliability of excitation of the welding arc.
Для этого лазерный пучок направляют в сторону изделия под острым углом α к оси электрода и фокусируют в середине дугового промежутка, причем длину lд промежутка выбирают не более величины lопт˙ cosα , где lопт - максимальный размер высокотемпературного ядра лазерной искры вдоль оптической оси за время существования искры в используемом газе при заданных параметрах импульса лазерного излучения и фокусирующей системы.For this, the laser beam is directed towards the product at an acute angle α to the axis of the electrode and focused in the middle of the arc gap, with the length l d of the gap being chosen no more than l opt ˙ cosα, where l opt is the maximum size of the high-temperature core of the laser spark along the optical axis behind the lifetime of the spark in the gas used for given parameters of the laser pulse and the focusing system.
На чертеже позициями обозначены: электрод 1 сварочной горелки, изделие 2, сварочный источник питания 3, лазерный пучок 4, высокотемпературное ядро 5 лазерной искры. In the drawing, the positions indicated: electrode 1 of the welding torch, product 2, welding power source 3, laser beam 4, high-temperature core 5 of the laser spark.
Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.
Перед началом процесса лазерный излучатель размещают так, чтобы фокус лазерного пучка находился в зазоре между сварочным электродом и изделием. Включают сварочный источник питания, а затем подают импульс напряжения на лазерный излучатель. В результате действия импульсного лазерного излучения (длительностью импульсов порядка десятков наносекунд) в межэлектродном промежутке возникает лазерная искра. Before starting the process, the laser emitter is placed so that the focus of the laser beam is in the gap between the welding electrode and the workpiece. Turn on the welding power source, and then apply a voltage pulse to the laser emitter. As a result of the action of pulsed laser radiation (pulse durations of the order of tens of nanoseconds), a laser spark occurs in the interelectrode gap.
Известно, что лазерная искра создает в газовой среде область со сравнительно низкой плотностью и высокой температурой (высокотемпературное ядро), которая существует в течение порядка 100 мкс после прекращения действия импульса лазерного излучения, сначала расширяясь в объеме до размеров порядка 1 см3 по мере развития лазерной искры, а затем уменьшаясь. Ядро лазерной искры имеет в продольном сечении (вдоль оптической оси) форму неправильного овала. Известно также, что высокотемпературная область лазерной искры создает условия для возникновения электрического разряда между двумя электродами и что он возникает в тот момент, когда расширяющееся горючее ядро достигает обоих электродов.It is known that a laser spark creates in a gas medium a region with a relatively low density and high temperature (high-temperature core), which exists for about 100 μs after the termination of the laser pulse, first expanding in volume to sizes of the order of 1 cm 3 as the laser develops sparks and then diminishing. The core of the laser spark has a shape of an irregular oval in a longitudinal section (along the optical axis). It is also known that the high-temperature region of the laser spark creates the conditions for the occurrence of an electric discharge between the two electrodes and that it arises at the moment when the expanding fuel core reaches both electrodes.
В предлагаемом способе возбуждения сварочной дуги в газовой среде между изделием и электродом после возникновения искры в межэлектродном промежутке ее высокотемпературная область, расширяясь, достигает рабочего конца электрода с одной стороны, и поверхности изделия с другой. При наличии на промежутке электрод - изделие напряжения достаточной величины, зависящей от длины lд промежутка и рода используемого газа, а также при достаточно высоких динамических свойствах источника сварочного тока, позволяющих дуговым процессам развиться за время существования лазерной искры, возникает дуговой разряд.In the proposed method, the excitation of the welding arc in a gas medium between the product and the electrode after the occurrence of a spark in the interelectrode gap, its high-temperature region, expanding, reaches the working end of the electrode on the one hand, and the surface of the product on the other. If there is a voltage of sufficient magnitude in the gap between the electrode and the product, which depends on the length l d of the gap and the type of gas used, as well as at sufficiently high dynamic properties of the welding current source that allow arc processes to develop during the lifetime of the laser spark, an arc discharge arises.
Для большей надежности возбуждения оптическую ось фокусирующей системы располагают под острым углом α к оси сварочного электрода, пучок фокусируют в середине дугового промежутка, а длину lд промежутка выбирают не более величины lопт ˙ cosα , где lопт - максимальный размер большой оси овала высокотемпературного ядра лазерной искры за время ее существования в используемом газе. Угол α выбирают минимально возможным из того диапазона его значений, который допускает реальная конструкция сварочной горелки и фокусирующей системы. При указанных условиях линейный размер высокотемпературного ядра лазерной искры вдоль оси электрода (дуги) по мере развития искры становится равным или превышает длину lд межэлектродного промежутка, т. е. весь промежуток заполняется плазмой импульсного оптического разряда.For greater reliability of excitation, the optical axis of the focusing system is placed at an acute angle α to the axis of the welding electrode, the beam is focused in the middle of the arc gap, and the length l d of the gap is chosen no more than l opt ˙ cosα, where l opt is the maximum size of the major axis of the oval of the high-temperature core laser spark during its existence in the gas used. The angle α is chosen as small as possible from the range of its values that allows the actual design of the welding torch and focusing system. Under these conditions, the linear dimension of the high-temperature core of the laser spark along the axis of the electrode (arc) as the spark develops, becomes equal to or exceeds the length l d of the interelectrode gap, i.e., the entire gap is filled with a plasma of a pulsed optical discharge.
Величину lопт можно определить экспериментально по интерферограммам или теневым фотографиям, а также более грубо по очертаниям светящейся области лазерной искры на фотоотпечатке, полученном при выдержке не менее продолжительности существования лазерной искры, либо на основании имеющихся в литературе данных.The value of l opt can be determined experimentally from interferograms or shadow photographs, as well as more roughly from the outlines of the luminous region of the laser spark in a photographic print obtained with exposure to at least the duration of the existence of the laser spark, or based on data available in the literature.
Так как предлагаемый способ не требует нагрева электрода до температуры, достаточной для термоэлектронной эмиссии, он может быть применен для возбуждения дуги с любого электрода - как неплавящегося, так и плавящегося. Since the proposed method does not require heating the electrode to a temperature sufficient for thermionic emission, it can be used to excite an arc from any electrode - both non-consumable and melting.
Поскольку при правильно выбранных длине межэлектродного промежутка и напряжении холостого хода сварочного источника питания дуговой разряд возникает практически мгновенно после подачи импульса лазерного излучения, способ можно применить при сварке импульсами с нулевым током в паузе. Таким образом, расширяются технологические возможности способа. Since when the length of the interelectrode gap and the open circuit voltage of the welding power source are correctly selected, the arc discharge arises almost instantly after applying a laser pulse, the method can be applied when welding with pulses with zero current in a pause. Thus, the technological capabilities of the method are expanded.
В связи с тем, что энергия, необходимая для возникновения лазерной искры, приблизительно на 2 порядка меньше, чем для нагрева электрода до температуры термоэлектронной эмиссии, а также за счет малой длительности импульсов лазерного излучения средняя мощность лазерного излучателя, требующаяся для возбуждения дуги предлагаемым способом, намного меньше, чем у лазера непрерывного действия. Поэтому лазер, необходимый для осуществления заявляемого способа, представляет собой малогабаритный прибор, по сравнению с лазером непрерывного действия. Due to the fact that the energy required for the appearance of a laser spark is approximately 2 orders of magnitude lower than for heating the electrode to the temperature of thermionic emission, as well as due to the short duration of the laser pulses, the average laser emitter power required for arc excitation by the proposed method, much less than a continuous laser. Therefore, the laser necessary for the implementation of the proposed method is a small-sized device, compared with a continuous laser.
Кроме того, предлагаемый способ не требует корректировки параметров лазерного пучка в связи с изменением геометрии электрода по мере его эксплуатации. In addition, the proposed method does not require adjustment of the parameters of the laser beam due to changes in the geometry of the electrode as it is used.
Способ рекомендуется для возбуждения дуги с неплавящегося электрода при автоматической сварке. Он может быть применен также при осуществлении различных технологических процессов, использующих плавящийся электрод (например, прецизионной импульсной наплавки). The method is recommended for arc excitation from a non-consumable electrode during automatic welding. It can also be used in the implementation of various technological processes using a melting electrode (for example, precision pulsed surfacing).
Способ реализован в ИЭС им. Е.О.Патона. Выполнен комплекс исследований по определению оптимальных условий возбуждения дуги с неплавящегося и плавящегося электродов в аргоне. Лазерная искра генерировалась твердотельным импульсным лазером производства НПО "Полюс" (Москва). Длительность импульсов излучения 5-7 нс, частота 0,1 Гц, энергия в импульсе 0,1 Дж, длина волны излучения 1,079 мкм, величина lопт около 2,5 мм (средняя мощность излучения 0,01 Вт). Свободно горящая дуга возбуждалась в потоке аргона на прямой и обратной полярности от лабораторного сварочного источника с регулируемым напряжением холостого хода (номинальный ток источника 20 А) между электродом сварочной горелки и изделием (пластина из нержавеющей стали). В качестве электродов использовали вольфрамовую проволоку диаметром 1 мм и проволоку марок Св-08Г2С диаметром 1,2 мм и Св-06Х18Н9Т диаметром 2 мм. Опыты показали, что в тех случаях, когда лазерный пучок направляли в зазор перпендикулярно к оси электрода, дуга возбуждалась лишь при очень малых дугового промежутка - не более 1 мм. Например, вероятность возбуждения дуги длиной 0,8 мм при напряжении сварочного источника 80-100 В составляла всего 30-35%. Уменьшение угла между осью лазерного пучка и электродом до 30о позволило получить такую же вероятность возбуждения дуги при длине промежутка 2,2 мм и обеспечить 100%-ную вероятность возбуждения для длин дуги 1-2 мм при напряжении холостого хода источника сварочного тока 80-100 В соответственно.The method is implemented in the IES them. E.O. Patona. A set of studies was carried out to determine the optimal conditions for the excitation of an arc from a non-consumable and consumable electrode in argon. The laser spark was generated by a solid-state pulsed laser produced by NPO Polyus (Moscow). The duration of the radiation pulses is 5-7 ns, the frequency is 0.1 Hz, the pulse energy is 0.1 J, the radiation wavelength is 1.079 μm, the value of l opt is about 2.5 mm (average radiation power of 0.01 W). A freely burning arc was excited in an argon stream at direct and reverse polarity from a laboratory welding source with an adjustable open circuit voltage (rated current of 20 A) between the welding torch electrode and the workpiece (stainless steel plate). Tungsten wire with a diameter of 1 mm and wire of Sv-08G2S grades with a diameter of 1.2 mm and Sv-06Kh18N9T with a diameter of 2 mm were used as electrodes. The experiments showed that in those cases when the laser beam was directed into the gap perpendicular to the axis of the electrode, the arc was excited only at a very small arc gap - not more than 1 mm. For example, the probability of arc excitation 0.8 mm long at a voltage of the welding source of 80-100 V was only 30-35%. Reducing the angle between the axis of the laser beam and the electrode to 30 ° allowed us to obtain the same probability of arc excitation for a gap length of 2.2 mm and to provide a 100% probability of excitation for arc lengths of 1-2 mm at an open-circuit voltage of the welding current source of 80-100 In accordingly.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4945659 RU2027562C1 (en) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | Method of contactless excitation of welding arc |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4945659 RU2027562C1 (en) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | Method of contactless excitation of welding arc |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2027562C1 true RU2027562C1 (en) | 1995-01-27 |
Family
ID=21579374
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4945659 RU2027562C1 (en) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | Method of contactless excitation of welding arc |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2027562C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102151944A (en) * | 2011-01-25 | 2011-08-17 | 哈尔滨工业大学 | Method for igniting TIG (argon tungsten-arc welding) voltaic arcs through laser plasmas |
-
1991
- 1991-06-17 RU SU4945659 patent/RU2027562C1/en active
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 1. Авторское свидетельство СССР N 1449269, кл. B 23K 9/06, 1987. * |
| 2. Radio Frequency Free drc Starting in Gas Tungsten arc Welding by T.B.Correy, Welding Journal, February, 1986, р.33-41. * |
| 3. Патент США N 4829153, кл. B 23K 9/06, 1989. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102151944A (en) * | 2011-01-25 | 2011-08-17 | 哈尔滨工业大学 | Method for igniting TIG (argon tungsten-arc welding) voltaic arcs through laser plasmas |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3214563A (en) | Electrical drilling | |
| US6388227B1 (en) | Combined laser and plasma-arc processing torch and method | |
| US5006688A (en) | Laser-arc apparatus and method for controlling plasma cloud | |
| ES2128781T3 (en) | APPARATUS AND METHOD FOR WELDING METALS THROUGH THE USE OF A LASER RAY. | |
| US4829153A (en) | Welding arc initiator | |
| US3872279A (en) | Laser-radio frequency energy beam system | |
| Zhang et al. | Stability evaluation of laser-MAG hybrid welding process | |
| EP2783787A2 (en) | Device for arc based, laser-supported machining of a workpiece, in particular for arc welding or cutting | |
| EP0261914A2 (en) | Method and apparatus for generating a plasma arc | |
| EP1136167B1 (en) | Method for guiding arc by laser, and arc guiding welding and device by the method | |
| RU2027562C1 (en) | Method of contactless excitation of welding arc | |
| JP6205603B2 (en) | Carbon dioxide laser device | |
| JP2000107880A (en) | Laser-guided arc welding equipment and its welding method | |
| JP6150810B2 (en) | System for converting electrical energy into thermal energy | |
| JPH0212674B2 (en) | ||
| EP0481270A1 (en) | Process for coupling cw-CO2 laser beams | |
| JP6322801B2 (en) | Carbon dioxide laser excitation medium gas, marking apparatus using carbon dioxide laser, carbon dioxide laser generation method, marking method using carbon dioxide laser, and carbon dioxide laser light source | |
| Tsukamoto et al. | Pulsed laser focusing for triggering arc discharge in an arc welding system | |
| US3416031A (en) | Flash lamp operating means | |
| JP6405575B2 (en) | Carbon dioxide laser device | |
| JPH0829425B2 (en) | Laser welding method | |
| Miura et al. | YAG laser system with combined beams from three oscillators and its application to materials processing | |
| SU187894A1 (en) | METHOD OF ELECTRIC ARC WELDING | |
| JPH073899B2 (en) | Pulsed laser oscillation method and apparatus thereof | |
| JPS62124084A (en) | Removing method for burr or whisker |