微束等離子弧和激光復合焊接方法

專利名稱：微束等離子弧和激光復合焊接方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁合金板材或型材對接焊接的方法，具體地說是一種通過同時使 用微束等離子弧和激光兩種熱源對鋁合金板材或型材進行對接焊接的方法，屬于金屬焊接 技術領域。
背景技術：
鋁合金具有密度小、塑性好、易于加工成型、無低溫脆性轉變及耐大氣腐蝕等許多 優點，廣泛應用于航空、航天、高速軌道列車或其它運載工具的結構材料，然而，由于鋁合金 材料特有的物理和化學特性，決定了其獨特的焊接性。目前，國內針對鋁合金材料特別是厚板鋁合金的焊接，普遍采用的是熔化及隋性 氣體保護焊(MIG焊)工藝，然而普通熔化焊的熱輸入比較大，接頭軟化、裂紋、氣孔等問題 都很難解決。激光焊接技術已經被廣泛應用多年，主要用于焊接各種金屬材料，例如鋁合金、不 銹鋼等等，一般的激光焊接設備，包括一個產生固有單色高能光束的固態或氣體激光振蕩 器，一個帶有偏向鏡的光路或者允許將激光束傳輸到位于待焊接板材對面的焊頭的光纖， 焊頭中包括一個透鏡或一個或多個聚焦反射鏡，以便將激光束聚焦在待焊接材料上，在待 焊接材料的對接處形成一個或多個焦點，從而在局部集中足夠的功率密度去熔化待焊接材 料，通常，焊頭還包括一個用來借助于與激光束同軸布置的排氣噴嘴供給焊接氣體，也稱輔 助氣體的供氣裝置，該供氣裝置也可以設置在激光焊頭的外部。相對于激光焊接技術，目前也廣泛使用電弧焊接技術，用于將兩個金屬工件對接 焊接起來，該技術是借助于一個或多個電弧使得連接起來的工件邊緣熔化。這其中，包括 TIG (鎢極惰性氣體)，MIG (金屬極惰性氣體)、MAG (金屬極活性氣體)等三種工藝方法，另 外還有采用等離子弧焊接工藝方法。然而，對于焊接鋁合金板材或型材，激光焊接工藝或電弧焊接工藝各有其特有的 特點。激光焊具有功率密度高、同等熱輸入量時熔深大、熱影響區窄、焊接變形小、焊接 速度快和易于實現自動化等優點，由于激光焊可以將熱源集中在很小的尺寸內，所以激光 焊可以精確焊接細微部分，從而可以進行深熔焊，在焊接生產中具有很大的應用潛力。但是 利用激光束焊接鋁合金時，由于鋁對激光的反射率高、導熱快等特性，常需要采用較大功率 的激光器進行焊接，造成焊接成本過高，且在激光焊鋁合金厚板時，也易出現穩定性差、氣 孔、裂紋、下塌等焊接缺陷。另外，由于激光焊接的激光束聚焦點尺寸很小，所以需要待焊接 工件具有高定位精度，同時對焊接接頭的加工精度和設備精度都有較高的要求。電弧焊和等離子焊與激光焊相比，具有較低的焊接缺陷，并能夠容易地跟蹤焊接 線，但其焊縫寬度和熱影響區寬度大，焊接速度慢。為了解決鋁合金材料的焊接問題，近年來出現了很多復合焊接工藝，比如激 光-TIG和激光-MIG、激光-等離子弧等，以提高焊接質量和焊接速度。
相比之下，激光與TIG復合的工藝相對簡單，易于操作，但是由于反復采用高頻引 弧，起弧過程中電弧的穩定性相對較差，電弧的方向性和剛性也不理想，鎢極端頭處于高溫 金屬蒸汽中，容易受到污染，從而影響電弧的穩定性。對于鋁合金來說由于其本身對電弧的 敏感性比較強，當電弧不穩定時，在焊接過程中就會造成焊縫最終的成形不好，影響焊接質量。激光與MIG復合焊接時，對對焊間隙的要求更為寬松，但是由于存在熔滴過渡的 問題，使得整個焊接過程的穩定性控制更為復雜，不利于工業生產，這樣一來就不能對鋁合 金進行高速焊接，降低了焊接鋁合金的效率。激光與等離子弧復合焊接時，等離子弧的引燃和移動更穩定，可以顯著提高焊接 速度和熔深，特別適合鋁合金板材和型材的高速對接焊接。現有技術中已存在專利號為200480043356. 8的中國專利“使用等離子體和激光 進行連續對接焊的方法及使用該方法來制造金屬管的方法”中所述的焊接方法，但是這種 方法的等離子體實際上包含了各種火焰和電弧加熱方法，火焰等離子加熱時熱量不集中、 熱影響區很寬，不能很好使用于鋁、銅等導熱性好的材料，更不能應用于熱處理強化的鋁合 金和熱處理強化的鋼鐵等材料。電弧等離子加熱比火焰等離子加熱的情況略有改善，但其 熱影響區仍然較寬。另外，200480043356. 8的中國專利“使用等離子體和激光進行連續對 接焊的方法及使用該方法來制造金屬管的方法”中所述的焊接方法及工藝主要是用來焊接 金屬管以及一些薄板金屬，并沒有專門針對鋁合金的特點來設計焊接方法及工藝，特別是 對于鋁合金的板材和型材的焊接，更需要專門的焊接工藝，該方法不能實現對熱處理強化 鋁合金的有效焊接。

發明內容
本發明主要目的在于解決上述問題和不足，提供一種微束等離子弧和激光復合焊 接方法，其可以產生焊縫深度大、熱影響區小、外形美觀的金屬焊件，在焊接鋁合金板材及 型材時可有效提高焊接質量和焊接效率。為實現上述目的，本發明的技術方案是一種微束等離子弧和激光復合焊接方法，該方法包括如下步驟(1)將微束等離子弧發射槍和激光束發射槍固定，其中微束等離子弧發射槍在前， 激光束發射槍在后，將待焊接工件需要對接的部分對接，其中，微束等離子弧和激光束的焦 點在待焊工件焊接部分的中間；(2)連續移動待焊接工件，使用微束等離子發射槍對待焊接工件的焊接部分進行 初始熔化，使焊接部分表面處于高溫熔融狀態；(3)隨后使激光束照射到所述焊接部分，從而加深微束等離子弧熔焊的熔深，完成 焊接。其中微束等離子弧的焊接電流為15-30A，激光束的離焦量為-1至_2mm，微束等離 子弧中心與激光束中心之間的距離為1至3mm，微束等離子弧發射槍和激光束發射槍固定 于一個螺桿上，從而調節微束等離子弧中心與激光束中心之間的距離。本焊接方法特別適用于所述待焊接工件的焊接部分具有0. Imm或者更小的對接 空間。
所述微束等離子弧的射出方向和激光束的照射方向相互平行且垂直作用于待焊 接工件的焊接部分上。本焊接方法特別適用于待焊接工件的材料為鋁合金板材或型材。在本焊接方法中，所述待焊接工件焊接部分的截面彼此相對形成I形或者Y形槽， 所述Y形槽的夾角應10° -20°。綜上內容，本發明所提供的微束等離子弧和激光復合焊接方法，采用待焊接工件 移動而微束等離子弧和激光束固定的方式，進行鋁合金板材或型材的焊接。微束等離子弧 發射槍和激光束發射槍固定于一個螺桿上，可以根據需要任意調節激光束中心與微束等離 子弧中心之間的距離，調節參數使微束等離子的焦點在焊件的表面上，激光束的焦點在工 件表面下方l_2mm處，此時，焊接質量最好。本發明中，焊件的移動方向與微束等離子弧和激光束固定的順序相反，形成微束 等離子弧前置的方式。在焊接開始時，微束等離子弧熱源首先加熱鋁合金材料，從而使焊接 接頭的焊縫表面層區處于高溫熔融狀態，這時待焊接工件開始移動并開啟激光束，由于焊 縫表面處于高溫熔融狀態，降低了金屬對激光的反射率，提高了金屬對激光能量的吸收率， 從而提高了激光的有效加熱深度，加大焊縫熔深，有效降低了焊縫寬度和熱影響區寬度，最 后能獲得熔深較深，而熱影響區特別小，外形美觀的焊件，同時，降低了對焊接接頭的加工 精度和裝備精度等方面的要求，提高了焊接質量和焊接效率，使得微束等離子弧和激光束 產生了 1+1 > 2的效果。由于在本焊接方法中微束等離子弧的主要作用是預加熱鋁合金等金屬材料，使其 焊接接頭的焊縫表層區處于高溫熔融狀態，減少激光反射，增加激光吸收率，提高激光能量 的有效利用，且要保證熔融面積不要過大，保證熱影響區處于極小的范圍內；同時還能滿足 焊接速度快，變形小等要求；并且微束等離子弧自身的弧長在很大范圍內變化時，不會斷 弧，并能保持柱狀特征，具有焊接速度快、焊縫窄、熱影響區小、焊接變形小等特點恰好滿足 上述要求，微束等離子弧與激光復合的方法進行焊接比其他等離子體加熱能更好的匹配激 光之特性。另外，采用本發明所述的焊接方法，在焊接鋁合金材料時不用預先清理，而且只 有起弧時才需要高頻高壓電流，等離子弧穩定，電極不暴露在金屬蒸汽中。該焊方法還同時 適用于鎂合金、銅合金、鈦合金、低合金鋼等多種材料的對接焊接作業。


圖1本發明結構示意圖。如圖1所示，待焊接工件1，微束等離子弧中心2，激光束中心3，熔池4。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述如圖1所示，本發明所述的復合焊接方法，采用微束等離子弧和激光復合熱源進 行鋁合金板材或型材的對接焊接，其中，以厚度為5mm，寬度為200mm，長度IOOOmm的鋁合金 板材為例。微束等離子弧焊槍采用TK-4型，主要技術參數工作電流為0. 3-30A ；引弧 方式為高頻；噴嘴冷卻方式為間接水冷；電極冷卻方式為間接水冷；冷卻水進入壓力為0. 2-0. 4MPa ；冷卻水進入溫度不高于45°C ；噴嘴孔徑范圍0. 8-1. 5mm,電極直徑1. 5mm。TK-4 型微束等離子弧焊槍可在小電流下穩定工作，焊槍冷卻系統良好，噴嘴冷卻效率高，電弧穩 定，噴嘴使用壽命長，生產效率高。焊槍內部上下槍體之間采用特種陶瓷，長期使用絕緣效 果不受影響，焊接時采用的保護氣體為高純氬氣。激光焊機采用HL2006D型Nd:YAG連續激光器，波長為1.06微米、激光輸出為 0-2000W(平均功率)，單脈沖能量為0-200J、脈沖波形可任意設定、0. 6mm光纖傳輸，聚焦透 鏡焦距為200mm，焦點直徑為0. 6mm。該焊接方法包括如下步驟第一步將微束等離子弧發射槍(圖中未顯示)和激光束發射槍(圖中未顯示) 間隔一定距離固定在一個螺桿的兩端上，微束等離子弧發射槍固定在前面，激光束發射槍 固定在后面，通過旋轉螺桿就可以調節微束等離子弧發射槍和激光束發射槍之間的距離。如圖1所示，該焊接方法中保證微束等離子弧中心2與激光束中心3之間的距離 為l_3mm，針對上述規格的鋁合金板材，選擇微束等離子弧中心2與激光束中心3之間的距 離為1. 6mm，保證微束等離子弧熱源充分加熱待焊接工件1的表面的情況下，再進行激光束 的焊接，保證焊接質量。如果兩中心的距離過短，會造成微束等離子弧熱源加熱不充分，工 件1表面不能處于高溫熔融狀態，會影響工件1表面對激光的吸收率；如果兩中心的距離過 大，同樣會影響工件1表面對激光的吸收率，從而影響焊接質量。微束等離子弧的預熱效果可提高熱源效率，一方面等離子弧對工件表面的預熱提 高了金屬對激光的吸收，與此同時，等離子的存在又使金屬蒸氣粒子細化，從而減少了激光 因金屬蒸氣粒子散射所引起的能量損失，使激光能量轉換率增大，因此焊接區的光譜線強 度增強，當兩熱源間距增大，熱源的相互作用減弱，因而焊接區的特征光譜線強度也降低； 另一方面，激光產生的金屬蒸氣為等離子弧提供了低電離電位區，只需較小的能量即可獲 得穩定的電弧，電弧弧柱收縮，電弧挺度提高，激光后置時這一作用比激光前置時大，獲得 的特征光譜線強度也就較大。將具有一定寬度和厚度的兩個待焊接工件1對接的部位對接，使得微束等離子弧 中心2和激光束中心3的焦點正好落在待焊工件1焊縫的中間。待焊接工件1的焊接部分的截面彼此相對形成I形或者Y形槽，在I形槽或Y形 槽中具有大約0. Imm或更小的對接空間。如果形成Y形槽時，Y形槽的夾角也可以改變，由 于微束等離子的能量非常集中，且作用面積較小，夾角太大，如傳統的50-70°夾角，會增加 填充金屬使用量，增加熱影響區寬度，使焊接接頭性能和焊接效率下降，微束等離子弧的優 點不能充分發揮。因此夾角不宜過大，但夾角太小，如低于10°，微束等離子弧對中不宜，產 生未焊透和夾雜等缺陷的可能性增加，故Y形槽夾角的選擇為在10° -20°之間，其中優選 為 20°。第二步以一個恒定的速度連續移動待焊接工件1，待焊接工件1的移動方向如圖 1中箭頭所示的方向，與微束等離子弧發射槍和激光束發射槍的固定順序相反，形成微束等 離子弧前置的方式。通過微束等離子弧發射槍和激光束發射槍沿焊線對待焊接工件1進行 焊接。因為只有工件1移動，所以工件1的移動速度就決定了焊接速度，可以根據不同材料 的特性和尺寸厚度等選擇不同的工件1移動速度和焊接速度。焊接速度以焊透工件為選擇 原則，如焊接5mm厚鋁合金時，焊接速度選用18mm/s。
工件1開始移動后，首先用微束等離子弧加熱鋁合金工件1對接部分的表面，焊接 電流一般選擇在15-30A之間，使工件1焊接部分的焊縫表面區域處于高溫熔融狀態。焊 接電流的具體數值根據工件1材料的特性和尺寸而不同，焊接電流大時會形成較寬的熱影 響區，焊接變形和焊接接頭性能下降。焊接電流小時，熔融金屬形成的熔池較小，液態金屬 對激光的吸收效率較低，不利于發揮激光焊接的優勢。如本實施例中，上述5mm厚鋁合金板 材，則一般情況下選擇焊接電流為20A左右。第三步工件1開始移動后，使用高能量的激光束照射到已經被微束等離子弧加 熱的焊接部分，進行焊接，直至最終完成焊接。由于焊縫表面處于高溫熔融狀態，降低了鋁合金板材對激光的反射率，提高了鋁 合金板材對激光能量的吸收率，從而提高了激光的有效加熱深度，加大了焊縫熔深。本焊接方法中，由于微束等離子弧首先加熱了工件1的表面，增加了工件1對激光 的吸收率，所以激光束的中心焦點3可以落在工件1表面下方l_2mm處，這樣，不但可以有 效降低焊縫寬度和熱影響區寬度，焊接后的焊縫不再需要打磨等工序，可直接獲得外形美 觀的焊件，大幅度提高焊接質量，而且還可以節省人工成本及材料成本，提高焊接效率。如 本實施例中，上述5mm厚鋁合金板材，采用上述的焊接速度和焊接電流等參數，可保證焊縫 焊透。在本發明所述的焊接方法中，微束等離子弧發射槍和激光束發射槍的射出方向的 入射角對焊接質量有較大的影響，當微束等離子弧發射槍存在入射角時，焊接接頭已經熔 化的熔池4最深位置和最寬位置會隨入射角的不同而改變，也會隨著焊縫距離鎢極斑點的 距離不同而改變，使控制精確度降低和控制系統復雜，對焊接質量有較大的影響。如果激光 束發射槍的射出方向的入射角與焊接接頭也存在夾角，那么其焦點位置的落點和深度更難 于直觀判斷，使現場焊接操作困難，質量控制復雜，對焊接質量控制的影響更大，因此，本發 明的微束等離子弧發射槍和激光束發射槍的射出方向相互平行且垂直作用于待焊接工件1 上。微束等離子弧發射槍垂直于母材時，焊接熔池4的最寬位置可直觀顯示出來，其距離微 束等離子弧發射槍中心的距離非常容易測量獲得，而對于垂直入射的微束等離子弧，其焊 縫最深位置與焊縫最寬位置一致，因此，非常便于確定激光焊槍的位置。激光的焦點應該位 于焊縫中心熔融金屬的最深處的直線上，距離表面l_2mm，此時，對于激光的吸收和增大焊 接熔深最為有利，激光束發射槍的射出方向與焊縫表面最直，其焦點位置的落點便于直觀 判斷，使現場焊接操作簡單，質量控制容易。如上所述，結合附圖和實施例所給出的方案內容，可以衍生出類似的技術方案。但 凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單 修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于該方法包括(1)將微束等離子弧發射槍和激光束發射槍固定，其中微束等離子弧發射槍在前，激光 束發射槍在后，將待焊接工件需要對接的部分對接，其中，微束等離子弧和激光束的焦點在 待焊工件焊接部分的中間；(2)連續移動待焊接工件，使用微束等離子發射槍對待焊接工件的焊接部分進行初始 熔化，使焊接部分表面處于高溫熔融狀態；(3)隨后使激光束照射到所述焊接部分，從而加深微束等離子弧熔焊的熔深，完成焊接。
2.根據權利要求1所述的微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于其中微束 等離子弧的焊接電流為15-30A。
3.根據權利要求1所述的微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于其中激光 束的離焦量為-I至_2mm。
4.根據權利要求1所述的微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于其中微束 等離子弧中心與激光束中心之間的距離為1至3mm。
5.根據權利要求1所述的微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述微束 等離子弧發射槍和激光束發射槍固定于一個螺桿上，從而調節微束等離子弧中心與激光束 中心之間的距離。
6.根據權利要求1所述的微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于其中所述 待焊接工件的焊接部分具有0. Imm或者更小的對接空間。
7.根據權利要求1所述的微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述微束 等離子弧的射出方向和激光束的照射方向相互平行且垂直作用于待焊接工件的焊接部分 上。
8.根據權利要求1所述的微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述待焊 接工件的材料為鋁合金板材或型材。
9.根據權利要求1所述的微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述待焊 接工件焊接部分的截面彼此相對形成I形或者Y形槽。
10.根據權利要求9所述的微束等離子弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述Y形 槽的夾角應為10° -20°。
全文摘要
本發明涉及一種微束等離子弧和激光復合焊接方法，該方法首先將微束等離子弧發射槍和激光束發射槍固定，提供以恒定速度移動的工件，并形成微束等離子弧前置的方式，利用微束等離子弧對工件的焊接部分表面進行初始熔化，隨后使激光束照射到焊接部分，從而加深微束等離子弧熔焊的熔深，完成焊接。本發明所采用的焊接方法，可以降低鋁合金對激光的反射率，提高鋁合金對激光能量的吸收率，從而提高了激光的有效加熱深度，加大焊縫熔深，有效降低了焊縫寬度和熱影響區寬度，最后能獲得熔深較深，而熱影響區特別小，外形美觀的焊件。
文檔編號B23K28/02GK101992354SQ20091016566
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月14日 優先權日2009年8月14日
發明者丁叁叁, 呂任遠, 孟立春, 楊尚磊, 林君山, 林慶琳, 羅斌, 陳文賓 申請人:南車青島四方機車車輛股份有限公司