一種激光—旁路電弧復合焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光—旁路電弧復合焊接方法，屬于激光材料加工【技術(shù)領域】。采用激光與旁路電弧復合，焊接時，利用電弧與激光誘導羽輝的相互作用，降低羽輝對激光的影響，不僅能夠提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可以顯著改善焊接過程穩(wěn)定性和焊縫成形；電弧形成于激光焊接區(qū)域上方，不直接作用于工件，因此電弧對工件的熱影響極小，在不增加熔寬的情況下，能夠獲得更大的熔深，從而充分保持了激光焊接的特點。
【專利說明】一種激光一旁路電弧復合焊接方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種焊接方法，屬于激光材料加工【技術(shù)領域】，尤其涉及一種激光一旁路電弧復合焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光焊接具有能量密度高、焊接效率高、可達性好、熱輸入量小，焊接變形小、焊接質(zhì)量高等顯著優(yōu)點，并且在許多領域得到非常廣泛的應用及發(fā)展，是一種最為先進的材料連接技術(shù)。
[0003]材料對激光的吸收率是影響激光材料加工的重要因素。對金屬及其合金而言，激光束的波長越短，吸收率越高。近年來固體激光器(如光纖激光器和DISC激光器)、半導體激光器等短波長的激光器有了長足發(fā)展，其在材料加工方面的優(yōu)勢也越來越明顯。以光纖激光器為例，它其具有短波長、高光電轉(zhuǎn)換效率、高輸出功率、高光束質(zhì)量、低運行成本、體積小和可光纖傳輸?shù)葍?yōu)勢，并為材料加工提供了一種優(yōu)質(zhì)的熱源。
[0004]羽輝是這類激光器進行激光焊接時一種基本的物理現(xiàn)象。一些學者在研究光纖激光焊接時發(fā)現(xiàn)，激光誘導羽輝中存在大量微粒吸收和散射入射激光，實驗發(fā)現(xiàn)羽輝對水平探測激光的能量衰減可達7%，從而認為羽輝對高功率激光焊接過程產(chǎn)生重大影響。另外一些學者采用吹除羽輝的方法直接證明了羽輝對焊接結(jié)果產(chǎn)生重大影響?？傊す庹T導的羽輝不僅造成了入射激光能量衰減降低激光能量利用率，而且對焊接過程穩(wěn)定性和焊接結(jié)果都產(chǎn)生不利影響。
[0005]新型高功率激光器與傳統(tǒng)的加工工具相比價格較昂貴，因此，提高焊接時光纖激光的能量利用率不僅能夠有效地降低生產(chǎn)成本，而且能夠提高生產(chǎn)效率。電弧作為一種焊接熱源，不僅技術(shù)成熟，而且成本低廉。利用電弧抑制羽輝對激光的影響，可以有效地提高激光的能量利用率和焊接效率。
[0006]傳統(tǒng)激光電弧復合焊接方法雖然也存在電弧和羽輝的這種相互作用，但是，由于能量發(fā)散的電弧直接作用于工件表面，一方面增加了工件的熱輸入量，另一方面擴大了熱作用區(qū)，導致熱影響區(qū)接頭的機械性能降低、工件的熱變形增大、激光焊接的優(yōu)越性得不到充分的體現(xiàn)，而且這種傳統(tǒng)的激光電弧復合焊接形式對有些焊接結(jié)構(gòu)和焊接材料有較大的限制。為克服這些問題，本發(fā)明提出一種激光一旁路電弧復合焊接方法，該方法可以有效提高激光能量利用率，又能保持激光焊接特點并且可有效控制激光誘導羽輝、提高激光能量利用率和焊接效率、改善焊接過程穩(wěn)定性和焊縫成形并且保持激光焊接的特點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的在于提供了一種激光一旁路電弧復合焊接方法其中復合焊接裝置包括焊接電源、電極a、噴嘴a、激光束、聚焦鏡、電極b和噴嘴b，其中工件為焊接對象，深熔小孔、焊接熔池、電弧、羽輝和焊縫是在焊接過程形成的；焊接時，激光束作用于工件，電弧和激光束的位置相對固定；焊接電源的兩極與電極a和電極b相連，電弧形成于兩個電極之間，位于激光束焊接區(qū)域上方；本發(fā)明采用的激光與旁路電弧復合焊接方法，利用電弧與激光誘導羽輝的相互作用，降低羽輝對激光的影響，不僅能夠提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可以顯著改善焊接過程穩(wěn)定性和焊縫成形；另外，電弧不直接作用于工件，充分保持了激光焊接的特點。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種激光一旁路電弧復合焊接方法，焊接過程中激光的能量用于熔化工件實現(xiàn)深熔焊接形成焊縫，電弧作用于焊接區(qū)域上方與激光誘導的羽輝發(fā)生相互作用，以降低羽輝對激光的影響，從而提高激光的能量利用率和焊接效率，同時顯著改善焊接過程穩(wěn)定性，大幅減少焊接飛濺；電弧不直接作用于工件，而是利用電弧和激光束誘導羽輝的相互作用有效控制焊接過程中的羽輝，由于電弧對工件的熱影響極小，因此完整的保持了激光焊接的特點。
[0009]焊接電源為直流或者交流或者脈沖或者變極性電源；激光束為固體激光(光纖激光、YAG激光和DISC激光)或半導體激光；電弧為非熔化極電弧(TIG電弧或者等離子體弧)或者熔化極電弧(MIG或者MG);兩個電極投影到工件表面的夾角為0°?360° ;焊接方法可以另外附加填充焊絲。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有如下有益效果:采用激光與旁路電弧復合焊接，焊接時，電弧和激光誘導羽輝發(fā)生相互作用，利用高溫電弧抑制羽輝，降低羽輝對激光的影響，不僅能夠提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可以顯著改善焊接過程穩(wěn)定性和焊縫成形；電弧形成于激光焊接區(qū)域上方，不直接作用于工件，因此電弧對工件的熱影響極小，在不增加熔寬的情況下，能夠獲得更大的熔深，從而充分保持了激光焊接的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為復合焊接裝置示意圖。
[0012]圖2 (a)為單激光焊接焊縫表面效果圖。
[0013]圖2 (b)為采用本發(fā)明焊接焊縫表面效果圖。
[0014]圖3 Ca)為單激光焊接焊縫橫截面效果圖。
[0015]圖3 (b)為采用本發(fā)明焊接焊縫橫截面效果圖。
[0016]圖4 (a)為單激光焊接羽輝形態(tài)圖。
[0017]圖4 (b)為采用本發(fā)明焊接羽輝形態(tài)圖。
[0018]圖中:1、焊接電源，2、工件，3、深熔小孔，4、焊接熔池，5、電極a，6、噴嘴a，7、激光束，8、聚焦鏡，9、電弧，10、羽輝，11、電極b，12、噴嘴b，13、焊縫。
【具體實施方式】
[0019]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0020]如圖1所示為復合焊接裝置示意圖，其中復合焊接裝置包括焊接電源1、電極a5、噴嘴a6、激光束7、聚焦鏡8、電極bll和噴嘴bl2，其中工件2為焊接對象，深熔小孔3、焊接熔池4、電弧9、羽輝10和焊縫13是在焊接過程形成的；焊接時，激光束7作用于工件2，電弧9和激光束7的位置相對固定；焊接電源I的兩極與電極a5和電極bll相連，電弧9形成于兩個電極a5和電極bll之間，位于激光束7焊接區(qū)域上方；焊接過程中激光的能量用于熔化工件2實現(xiàn)深熔焊接形成焊縫13，電弧9作用于焊接區(qū)域上方與激光誘導的羽輝10發(fā)生相互作用，以降低羽輝10對激光的影響，從而提高激光的能量利用率和焊接效率，同時顯著改善焊接過程穩(wěn)定性，大幅減少焊接飛濺；電弧9不直接作用于工件2，而是利用電弧9和激光束7誘導羽輝10的相互作用有效控制焊接過程中的羽輝10，由于電弧9對工件2的熱影響極小，因此完整的保持了激光焊接的特點。
[0021]焊接電源I為直流或者交流或者脈沖或者變極性電源；激光束7為固體激光(光纖激光、YAG激光和DISC激光)或半導體激光；電弧9為非熔化極電弧(TIG電弧或者等離子體弧)或者熔化極電弧(MIG或者MAG);兩個電極a5和電極bll投影到工件表面的夾角為0°?360° ;焊接方法可以另外附加填充焊絲。
[0022]如圖2 (a)所示為單激光焊接焊縫表面效果圖，圖2 (b)為采用本發(fā)明焊接焊縫表面效果圖，圖3 (a)為單激光焊接焊縫橫截面效果圖，圖3 (b)為采用本發(fā)明焊接焊縫橫截面效果圖，圖4 (a)為單激光焊接羽輝形態(tài)圖，圖4 (b)為采用本發(fā)明焊接羽輝形態(tài)圖，本實施例中，工件為IOmm厚的工業(yè)純鐵，實驗采用的激光器為YLS-6000光纖激光器，其波長為1.07 μ m ;焊接電弧為直流TIG電??；焊接工藝參數(shù)為:激光功率5000W，電弧電流100A，焊接速度3m/min;通過對比圖2 (a)和圖2 (b)分別為單激光焊接焊縫表面效果圖和采用本發(fā)明所得到的焊縫表面效果圖，采用本發(fā)明進行焊接顯著提高了焊接過程穩(wěn)定性，大幅減少焊接飛濺，改善了焊縫成形；圖3 (b)為采用本發(fā)明所得到的焊縫橫截面，在相同的激光功率和焊接速度情況下，焊接熔深比單光纖激光焊接，見圖3 Ca)的熔深顯著提高，而熔寬并沒有增加，可見，采用本發(fā)明能夠提高激光的能量利用率和焊接效率，同時保持了激光焊接的特點；圖4 (a)所示為光纖激光焊接時所產(chǎn)生的羽輝形態(tài)；在電弧的作用下，電弧上方的羽輝顯著削弱，體現(xiàn)了電弧對羽輝的作用效果，如圖4 (b)所示；采用本發(fā)明利用電弧和激光誘導羽輝的相互作用，大大削弱羽輝對入射激光的影響，從而提高激光的能量利用率和焊接效率，穩(wěn)定焊接過程，改善焊縫成形，同時充分保持了激光焊接的特點。
【權(quán)利要求】
1.一種激光一旁路電弧復合焊接方法，其特征在于:復合焊接裝置包括焊接電源(I)、電極a (5)、噴嘴a (6)、激光束(7)、聚焦鏡(8)、電極b (11)和噴嘴b (12)，其中工件(2)為焊接對象，深熔小孔(3)、焊接熔池(4)、電弧(9)、羽輝(10)和焊縫(13)是在焊接過程形成的；焊接時，激光束(7)作用于工件(2)，電弧(9)和激光束(7)的位置相對固定；焊接電源(I)的兩極與電極a (5)和電極b (11)相連，電弧(9)形成于兩個電極a (5)和電極b(11)之間，位于激光束(7)焊接區(qū)域上方；焊接過程中激光的能量用于熔化工件(2)實現(xiàn)深熔焊接形成焊縫(13 );電弧(9 )不直接作用于工件(2 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光一旁路電弧復合焊接方法，其特征在于:焊接電源(I)為直流或者交流或者脈沖或者變極性電源；激光束(7)為固體激光或半導體激光；電弧(9)為非熔化極電弧或者熔化極電弧；兩個電極a (5)和電極b (11)投影到工件表面的夾角為0°?360° ;焊接方法可以另外附加填充焊絲。
【文檔編號】B23K28/02GK103612018SQ201310559656
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】肖榮詩, 李飛, 孔曉芳, 鄒江林, 吳世凱 申請人:北京工業(yè)大學