專利名稱：一種激光-電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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本發(fā)明專利提出一種激光-電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，屬于精密焊接技 術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到激光與電弧復(fù)合實(shí)現(xiàn)窄間隙下的精密焊接。
背景技術(shù)：
激光焊接技術(shù)具有焊接速度高、焊接變形小，焊縫深寬比大等優(yōu)點(diǎn)在精密件的焊 接中得到了較為廣泛的應(yīng)用。在常規(guī)金屬材料的激光焊接中，焊縫金屬的冷卻速度 較快，在一定程度上可以減小焊接變形，是激光焊接的優(yōu)點(diǎn)之一，但是在特殊材料 的焊接中，激光焊縫冷卻速度快的特點(diǎn)并非是激光焊的優(yōu)點(diǎn)，反而成為了制約激光 焊接技術(shù)應(yīng)用的的缺點(diǎn)。特別是用激光焊焊接具有一定淬硬傾向的材料時(shí)，由于激 光焊縫的冷卻速度較快，焊后易生成淬硬組織，焊縫容易開裂，致使激光焊接技術(shù) 無(wú)法直接用于此類材料的焊接，為了防止焊后裂紋的產(chǎn)生，通常采取預(yù)熱和后熱處 理。但是，預(yù)熱和后熱處理會(huì)使焊接工藝變得復(fù)雜，同時(shí)會(huì)降低激光焊接效率，而 對(duì)于某些淬硬傾向較大的材料，在不填加填充金屬的條件下，即使采取預(yù)熱和后熱 處理也無(wú)法避免裂紋的產(chǎn)生， 一般而言，對(duì)于這種淬硬傾向較大材料的焊接通常采 用激光填絲焊來(lái)代替激光焊。通過(guò)選擇合適的填加金屬，激光填絲焊可以較好地改 善焊縫金屬的組織，防止焊接裂紋的產(chǎn)生，但是激光填絲焊也有一些缺點(diǎn)。由于焊 接過(guò)程中很大一部分的激光能量用來(lái)熔化填充金屬，因此激光填絲焊會(huì)嚴(yán)重影響激 光的穿透能力及焊接速度，特別是在對(duì)焊縫熔深要求較大的情況下，為了滿足焊縫 熔深要求并保障焊縫的熔合性，需要開設(shè)較大的坡口，這樣會(huì)進(jìn)一步降低焊接效率 同時(shí)還會(huì)帶來(lái)更大的焊接變形。
申請(qǐng)?zhí)?00610007614.8發(fā)明專利"一種大光斑激光與電弧復(fù)合熱源連接異種金 屬的方法"中提出了由激光和電弧組成的復(fù)合熱源，這種復(fù)合熱源由于電弧功率大、 電弧幾何外形大等因素難于用于窄間隙精密焊接。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)技術(shù)背景中尚沒有找到更好的優(yōu)質(zhì)、高效焊接方法用于窄間隙精密焊接，本 發(fā)明提出一種激光-小功率電弧復(fù)合熱源焊接方法，利用激光對(duì)小功率電弧的強(qiáng)烈引 導(dǎo)、壓縮和穩(wěn)定作用，這種激光-小功率電弧復(fù)合熱源焊接方法可以用于高質(zhì)量的窄 間隙精密焊接。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
1、 一種激光-電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，激光對(duì)小功率電弧有穩(wěn)定作用，在 高速焊條件下激光能量加入使電弧能穩(wěn)定燃燒。
其特征在于-
1) 采用功率為200W-1000W、電流為10-50A小功率電弧7，相配合的激光束3 功率為》200W，該電弧7在激光束3的引導(dǎo)和壓縮作用下進(jìn)入工件的窄間 隙，并在其中穩(wěn)定燃燒；
2) 復(fù)合熱源可以采用激光束3在前電弧7在后或電弧7在前激光束3在后的復(fù) 合方式，并且光絲間距h為0-3mm;光絲間距在此范圍內(nèi)，電弧才能被激光 吸引至窄向原內(nèi)穩(wěn)定燃燒。
3) 電弧焊槍4與水平面夾角6為45° -75° 。
2、 根據(jù)上述一種激光-電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，窄間隙1可以是工件的
"I "、 "u"型和矩形坡口形成，坡口寬度為0.2d l,2d，該d為電弧焊絲直徑， 坡口深度取決于激光功率和所需焊縫熔深。
3、 根據(jù)上述一種激光-電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，上述電弧7可以是 MIG/MAG電弧、TIG電弧、等離子弧，在采用TIG電弧或等離子弧時(shí)需進(jìn)行非 熔化極填絲；激光器可以是C02激光器、Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纖激 光器或半導(dǎo)體激光器。
4、 根據(jù)上述一種激光-電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，該焊接方法的填充金屬可 以是熔化極焊接的焊絲填充、非熔化極焊接的焊絲填充，也可以是在窄間隙根部 預(yù)置焊絲或與焊絲同材質(zhì)的薄金屬片。
利用本發(fā)明提出的激光-電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法可以通過(guò)開窄間隙或 坡口實(shí)現(xiàn)精密部件的高速度、低變形、高質(zhì)量焊接，特別是用該方法焊接淬硬傾向 大的特殊材料的精密部件時(shí)，焊接效果和優(yōu)勢(shì)更為明顯。


圖1為本發(fā)明提出的一種激光-電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法的示意圖。 圖l中l(wèi)為窄間隙，該窄間隙l由兩工件2的坡口形成，3為激光束，4為電弧
焊槍，5為電弧焊槍焊絲，6為復(fù)合熱源形成的焊縫，7為電弧。
箭頭表示復(fù)合熱源的焊接方法，圖1中表示的是激光束3在前電弧7在后的復(fù)合
形式，當(dāng)然也可以采用電弧7在前激光束3在后的復(fù)合形式。h表示光絲間距，即激
光束斑點(diǎn)中心與電弧焊絲端頭間的距離h， h最佳為0-3mm， 9為電弧焊槍4與水平 面之夾角，該0最佳為45 °-75°。
圖1中窄間隙1可以由工件的"I" 、 "U"型和矩形坡口形成，該坡口寬度為 0. 2d 1. 2d，其中d為電弧焊絲直徑，坡口深度取決于激光功率和所需的焊接熔深， 當(dāng)熔深較深時(shí)為確保窄間隙的根部焊縫熔合良好，可以在窄間隙根部預(yù)置焊絲或與 焊絲同材質(zhì)的金屬片。
在激光-電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法中，激光束3對(duì)電弧7的引導(dǎo)、壓縮 和穩(wěn)定作用的機(jī)理大致如下
在激光-電弧復(fù)合熱源焊接中，能量密度很高的激光束照射到工件表面，被照射 的區(qū)域溫度迅速升高。達(dá)到金屬的汽化溫度后，工件表面的金屬便產(chǎn)生強(qiáng)烈的汽化， 結(jié)果使得在電弧等離子體中金屬原子的密度提高，金屬原子與來(lái)自保護(hù)氣體的氣體 原子相比具有更低的電離能，這樣電弧就被強(qiáng)烈地吸附在金屬蒸汽密度比較高的區(qū) 域燃燒，這時(shí)電弧的根部被牢固地吸引在激光的工件表面的照射區(qū)域，從而產(chǎn)生激 光引導(dǎo)電弧的現(xiàn)象，此外，由于光致等離子體的電子和離子密度比較高，這樣激光 等離子體為電弧提供了一條導(dǎo)電通道，該通道的電阻最小，使得電弧主要集中在該 區(qū)域燃燒。從而電弧被壓縮，電弧電流密度也得到提高。由于激光對(duì)電弧的強(qiáng)烈吸 引和壓縮作用，使得單獨(dú)弧焊中原本無(wú)法穩(wěn)定燃燒的小功率或超小功率電弧(電弧 功率最小可以達(dá)到200 W左右)在與一定功率的激光復(fù)合后變得穩(wěn)定，從而可以實(shí) 現(xiàn)激光-小功率電弧復(fù)合熱源的高速、穩(wěn)定焊接。激光-小功率電弧復(fù)合熱源焊接更多 地表現(xiàn)為激光焊接的特征，小功率電弧的加入并沒有影響激光的穿透能力，得到的 復(fù)合焊縫與激光焊縫相似，具有較大的熔深和較小熔寬，且焊后的焊接變形相對(duì)較 ?。粡暮缚p金屬的組織來(lái)看，由于填充金屬的加入，焊縫組織與同條件下的激光焊 接有了很大的改善。
基于激光-小功率電弧復(fù)合熱源焊接的上述特點(diǎn)，它適用于工件窄間隙下的精密 焊接，并能得到高質(zhì)量的焊接接頭。 最佳實(shí)施方式
試驗(yàn)所用的激光器為德國(guó)HAAS公司生產(chǎn)的HL2006D型Nd: YAG固體激光器， 最大輸出功率2.6KW，輸出波長(zhǎng)為1.06ixm的連續(xù)激光波，采用焦距為200mm的聚 焦透鏡；電弧焊機(jī)為奧地利FONIUS公司生產(chǎn)的TPS5000型數(shù)字化GMA焊接電源及送 絲機(jī)；所用試驗(yàn)材料為38CrMoAlA滲氮鋼與1Crl7Ni2馬氏體不銹鋼，試板規(guī)格為
200mmX40mmX8mm;選用哈爾濱焊接研究所自行開發(fā)研制的直徑為①1.0mm的309不 銹鋼焊絲。試板分別采用由"I"和矩型坡口形成的窄間隙，坡口尺寸分別為寬度 0. 8mm、深度3. 0隱和寬度0. 8mm、深度3. 5mm，后者因深度較深，在坡口根部預(yù)置 焊料。
具體焊接規(guī)范參數(shù)如下-
焊接速度1.0m/min，送絲速度1. 2m/min，焊接電流36A，電弧電壓20. 3V，激光 功率1800W，離焦量+lmm，光絲間距1.0mm，干伸長(zhǎng)16腦，保護(hù)氣為Ar+C02(2%)，氣體 流量20L/ min。
焊后對(duì)焊縫進(jìn)行X射線探傷檢驗(yàn)，并對(duì)焊縫的成型及接頭的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)分析， X射線探傷結(jié)果表明，各焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合缺陷(對(duì)這兩種金屬材料直接用 激光焊進(jìn)行焊接，焊后出現(xiàn)了貫穿整個(gè)焊縫的冷裂紋)；焊縫成型分析表明，焊縫的 形狀與激光焊縫的形態(tài)相似，各焊縫的深度比均大于3. 0(焊縫的熔深均大于3. 3mra); 拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭的抗拉強(qiáng)度均大于760Mpa，試樣的破壞位置發(fā)生在40Cr母 料一側(cè)，表明接頭具有較高的強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1、一種激光—電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，激光對(duì)小功率電弧有強(qiáng)烈的吸引 和穩(wěn)定作用，在高速焊條件下，激光可以使電弧穩(wěn)定燃燒，其特征在于， 1)采用功率為大于200-1000W、電流為10-50A的小功率電弧(7)，相配合的激光束(3)功率≥200W，該電弧(7)在激光(3)的引導(dǎo)和壓縮作用下進(jìn)入工件窄間隙，并在其中穩(wěn)定燃燒； 2)復(fù)合熱源可以采用激光束(3)在前電弧(7)在后或電弧(7)在前激光束(3)在后的復(fù)合形式，并且光絲間距h為0-3mm，光絲間距在此范圍內(nèi)，電弧才能被激光吸引至窄間隙內(nèi)穩(wěn)定燃燒。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種激光一電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，其特征在 于，窄間隙坡口 (1)可以是工件的"I"、"U"型或矩形坡口，坡口寬度為0.2d 1.2d， 該d為電弧焊絲直徑，坡口深度d取決于激光功率和所需的焊縫熔深。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種激光一電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，其特征在 于，當(dāng)窄間隙坡口 (1)深度較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)在坡口根部預(yù)置焊絲或與焊絲同材質(zhì)的薄 金屬片，借助激光的穿透力使根部預(yù)置的焊絲或金屬片熔化，以確保坡口根部焊縫 熔合良好。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種激光一電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，其特征在 于，電弧(7)可以是MIG/MAG電弧、TIG電弧和等離??；激光器可以是C(V激光器、 Nd: YAG激光器、碟型激光器、光纖激光器或半導(dǎo)體激光器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種激光一電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，其特征在 于，該焊接方法的填充金屬可以是熔化極焊接的焊絲填充、非熔化極焊接的焊絲填 充，也可以是在窄間隙坡口根部預(yù)置焊絲或與焊絲同材質(zhì)的薄金屬片。
全文摘要
本發(fā)明提出一種激光—電弧復(fù)合熱源窄間隙精密焊接方法，屬于精密焊接技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明要解決不能直接采用激光進(jìn)行焊接的難焊金屬材料的高質(zhì)量窄間隙精密焊接技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明主要包括復(fù)合熱源可采用激光束(3)在前電弧(7)在后或電弧(7)在前激光束(3)在后的復(fù)合熱源形式，并且光絲間距h為0-3mm；采用功率為200-1000W、電流為10-50A的小功率電弧(7)，相配合的激光束功率≥200W，該電弧(7)在激光束(3)的引導(dǎo)和壓縮作用下進(jìn)入工件窄間隙坡口(1)，并在其中穩(wěn)定燃燒，窄間隙坡口(1)的寬度為0.2d～1.2d，其中d為焊絲直徑。該復(fù)合熱源焊接方法主要用于窄間隙坡口下的精密焊接。
文檔編號(hào)B23K28/00GK101362256SQ200810222139
公開日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2008年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月10日
發(fā)明者于洪軍, 卜大川, 偉 張, 徐孝福, 兵 杜, 林尚揚(yáng), 彬 滕, 威 王, 王旭友, 王海龍, 秦國(guó)梁, 穆瑞驥, 振 雷 申請(qǐng)人:機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所