專利名稱：一種外加電場的激光-電弧復合焊接方法
技術領域：
本發明屬于材料加工技術領域，涉及一種焊接方法，特別是激光-電弧復合焊接
方法。
背景技術：
現有研究表明，在大功率激光焊接過程中，所產生的光致等離子體對激光有屏蔽 效應，會影響焊接效果，《材料導報》2009年第5期的文章"電磁場輔助激光焊接的研究現 狀"指出，通過在激光噴嘴和工件之間外加電場、磁場，能夠使等離子體中的帶電粒子在電 場力或洛倫茲力的作用下發生運動，其密度和分布以及等離子體的形狀和位置均會發生改 變，從而降低光致等離子體對激光的屏蔽效應，提高激光能量利用率，從而提高激光焊接效 率和焊接過程穩定性。 國內外研究表明，激光與電弧兩種焊接熱源的有機復合，能夠顯著提高焊接效率 和焊接質量，克服單一焊接技術存在的不足。目前已相繼開發出了激光與非熔化極惰性氣 體保護電弧(TIG)復合焊接、激光與熔化極氣體電弧(MIG/MAG)復合焊接以及激光與等離 子弧(Plasma)復合焊接等系列焊接工藝。這類焊接方法中，當激光與電弧同時作用在焊 接工件同側的相同位置時，在激光作用產生的光致等離子體中，包含大量比焊接保護氣體 (氬氣、氦氣、二氧化碳等)具有更低電離能的金屬蒸汽，會降低維持焊接電弧穩定燃燒所 需要的電場強度。 因此，在激光-電弧復合焊接中，光致等離子體對電弧的作用，會降低電弧的電場 強度，影響焊接效果，現有技術尚未提出有效的解決辦法。
發明內容
本發明的目的，是解決激光-電弧復合焊接過程中電弧電場強度降低的問題，提 供一種外加電場的激光_電弧復合焊接方法，通過外加電場迭加電弧電場，在普通激光_電 弧復合焊接基礎上，獲得更大的熔深，提高焊接效率。 本發明是通過以下技術方案實現的一種外加電場的激光_電弧復合焊接方法， 激光與電弧同軸排列或旁軸排列，其特征在于，在距離被焊接工件表面4 100mm處、垂直 激光束方向設有片狀的或片狀且具有循環水冷結構的外加電極，外加電極中心開孔，用于 通過激光束，外加電極與被焊接工件分別與一個輸出電壓為1 220V的直流穩壓電源的兩 端相連接，外加電極與被焊接工件之間的電場強度為1 220V/cm。 在外加電極與焊接工件之間形成的外加電場，與焊接電弧的電場迭加，不僅能消 除光致等離子體對電弧電場強度的不利影響，而且能進一步增強焊接電弧空間的電場強 度，提高了焊接過程中電弧的穩定性，增加了電弧空間中帶電粒子的動能，從而增加了復合 焊接的熔深。 用本方法焊接時，根據待焊接工件的形狀及材料，按照已有的激光_電弧復合焊 接工藝要求確定激光和電弧類型及參數。已有激光_電弧復合焊接的激光類型主要包括C02氣體激光束、YAG固體激光束或二極管激光束，采用連續或者脈沖輸出模式；電弧類型主 要包括TIG電弧、MIG電弧、MAG電弧或等離子弧，可采用直流或者直流脈沖模式；激光和電 弧的參數范圍可以為激光束平均輸出功率100W 5000W、脈沖頻率0-200Hz，電弧平均輸 出電流20A 600A、電弧平均輸出電壓10 60V、脈沖頻率0 500Hz ;激光作用點與電弧 熔池中心之間的間距為0 4mm。 使用本發明的方法，當激光功率為300W 500W、電弧電流為100A 300A、電弧電
壓為20V 35V時，外加電場強度的最佳范圍為30V/cm 60V/cm。為方便焊接不同工件時
調整外加電場強度，直流穩壓電源可以為輸出電壓在1 220V的連續可調式。 為使激光束無阻礙地到達被焊接工件表面，外加電極中心的孔的直徑應略大于激
光束通過該孔時所需的空間范圍尺寸，其直徑可以為6 50mm，以使激光束恰好通過為宜。
孔的大小與外加電極的位置有關，激光束從激光槍發出到工件表面，是一個被聚焦的過程，
與工件距離越遠，激光束就越粗，該位置上的外加電極中心孔的直徑就相對較大。外加電極可以是直徑或邊長為10 100mm的圓形或正方形。外加電極與被焊接
工件保持一定距離，能夠避免被電弧熔化；外加電極采用循環水冷結構，可以進一步避免受
電弧的高溫影響。外加電極可采用紫銅或銅合金制的循環水冷結構，冷卻水通道的內徑可
以為2 10mm，冷卻水流量可以為5 20L/min。 外加電極可以固定在獨立的支架上，也可以通過連桿固定在激光槍體上，連桿的 一端與電極連接，另一端與安裝在激光槍體上的固定支座相連接。當采用固定激光槍和電 弧電極、移動被焊接工件的方式焊接時，外加電極可以固定在獨立的支架上；當采用固定被 焊接工件、移動激光槍和電弧電極的方式焊接時，最好將外加電極通過連桿固定在激光槍 體上。 本發明用外加電場迭加焊接電弧電場，增強焊接電弧空間電場強度，能促進電弧 空間氣氛的電離，提高焊接過程的電弧穩定性，顯著提高焊接速度；外加電場增加了焊接電 弧空間中帶電粒子的動能，有利于帶電粒子將更多的熱量傳遞給焊接工件或者焊接熔池， 提高焊接工件材料的溫度，從而提高材料對激光的吸收率，可實現在激光輸出功率較低的 條件下獲得更大的復合熱源焊接熔深，增加熔深15% 40%。本發明充分利用了激光與電 弧的能量，與已有激光_電弧復合焊接技術相比具有較大的優勢，適用于工業應用。
圖1為一種外加電場的激光_電弧旁軸復合焊接裝置示意圖。 圖中1為被焊接工件，2為電弧電極，3為外加電極，4為固定支座，5、6為緊固螺釘，
7為激光槍體，8為激光束，9為導電連桿，10為直流穩壓電源，11為導線，12為透鏡，H為外加
電極與被焊接工件之間的距離，h為外加電極厚度，R為電極半徑，r為電極中心圓孔半徑。 外加電極3為循環水冷式，激光束8通過透鏡12匯聚在被焊接工件1上。 圖2為一種外加電場的激光_電弧同軸復合焊接裝置示意圖。 圖中13為反射聚焦鏡，多束激光8通過反射聚焦鏡13匯聚在被焊接工件1上。
具體實施例方式
實施例l，外加電場的激光-電弧旁軸復合焊接方法焊接1. 8mm厚Q235B低碳鋼。
焊接裝置和外加電極的安裝如圖1所示，激光8與電弧電極2旁軸排列，外加電極 3為冷卻水通道內徑為4mm的銅合金制循環水冷結構，厚度h為6mm，電極半徑R為15mrn，電 極中心開孔半徑r為5mm。冷卻水流量為10L/min。 導電連桿9 一端與外加電極3固定，另一端用緊固螺釘6安裝在固定支座4上，用 緊固螺釘5將固定支座4安裝在激光槍體7上，外加電極3與被焊接工件1之間的高度距 離H為20mm，孔的中心在激光束軸線上。直流穩壓電源10通過導線11、導電連桿9，使外加 電極3與被焊接工件1連接形成外加電場。外加電極與電弧電極的極性一致。
采用脈沖YAG激光-直流脈沖MAG電弧旁軸復合焊接，激光輸出平均功率為 2000W，電弧焊接電流為180A，電弧電壓為30V，焊接速度為1000mm/min，直流穩壓電源10輸 出電壓為60V。 與相同焊接參數條件下無外加電場的普通脈沖YAG激光-直流脈沖MAG電弧旁軸 復合焊接相比，焊接熔深由1. 5mm提高到1. 8mm。 實施例2，外加電場的激光-電弧同軸復合焊接方法焊接3. 5mm厚AZ31B鎂合金。 焊接裝置和外加電極的安裝如圖2所示，紫銅制外加電極3與被焊接工件1之間
的高度距離H為50mrn，厚度h為8mm，電極半徑R為40mrn，中心孔半徑r為16mrn，多束激光
8通過反射聚焦鏡13匯聚在工件1上。外加電極3的安裝同實施例1。 采用脈沖YAG激光-直流TIG電弧同軸復合焊接，激光輸出平均功率為350W，電
弧焊接電流為IOOA，電弧電壓為28V，焊接速度為700mm/min，直流穩壓電源10輸出電壓為
180V。 與相同焊接參數條件下無外加電場的普通脈沖YAG激光-直流TIG電弧同軸復合 焊接相比，焊接熔深由2. 7mm提高到3. 5mm。
權利要求
一種外加電場的激光-電弧復合焊接方法，激光與電弧同軸排列或旁軸排列，其特征在于，在距離被焊接工件表面4～100mm處、垂直激光束方向設有片狀的或片狀且具有循環水冷結構的外加電極，外加電極中心開孔，用于通過激光束，外加電極與被焊接工件分別與一個輸出電壓為1～220V的直流穩壓電源的兩端相連接，外加電極與被焊接工件之間的電場強度為1～220V/cm。
2. 如權利要求1所述的外加電場的激光_電弧復合焊接方法，其特征在于，當激光功 率為300W 500W、電弧電流為100A 300A、電弧電壓為20V 35V時，外加電場的強度為 30V/cm 60V/cm。
3. 如權利要求1或2所述的外加電場的激光_電弧復合焊接方法，其特征在于，外加電 極是直徑或邊長為10 100mm的圓形或正方形，外加電極中心開孔直徑為6 50mm。
4. 如權利要求3所述的外加電場的激光_電弧復合焊接方法，其特征在于，外加電極通 過連桿固定在激光槍體上，連桿的一端與電極連接，另一端與安裝在激光槍體上的固定支 座相連接。
5. 如權利要求4所述的外加電場的激光-電弧復合焊接方法，其特征在于，采用紫銅或 銅合金制的片狀且具有循環水冷結構的外加電極，冷卻水通道的內徑為2 10mm，冷卻水 流量為5 20L/min。
全文摘要
本發明屬于材料加工技術領域，涉及一種激光-電弧復合焊接方法。是在距離被焊接工件表面4～100mm高距離處、垂直激光束方向設有外加電極，外加電極中心開孔，用于通過激光束，外加電極與被焊接工件分別與一個輸出電壓為1～220V的直流穩壓電源的兩端相連接，電場強度為1～220V/cm。當激光功率為300W～500W、電弧電流為100A～300A、電弧電壓為20V～35V時，外加電場強度的最佳范圍為30V/cm～60V/cm。本發明能夠充分利用激光與電弧的能量，可實現在較低激光輸出功率條件下獲得更大的復合熱源焊接熔深，與相同工藝條件下的已有激光-電弧復合焊接法相比，增加熔深15％～40％。
文檔編號B23K28/00GK101745747SQ20091022071
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月14日 優先權日2009年12月14日
發明者劉黎明, 宋剛, 張兆棟, 黃瑞生 申請人:大連理工大學