專利名稱：一種激光-雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接工程技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地說，涉及一種激光-雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
激光焊是一種先進(jìn)的制造工藝技術(shù)，與傳統(tǒng)焊接方法相比，具有高能量密度、低熱輸入、小變形、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是一般激光焊多為不加填充金屬的自熔焊接，對(duì)焊接坡口加工精度、裝配精度等要求很高，且焊縫的成分不能根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整，使得它在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中受到了一定的限制。擴(kuò)展激光焊在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域，推進(jìn)激光焊產(chǎn)業(yè)化的方案主要有兩種一種是填絲激光焊，另一種是激光-電弧復(fù)合焊。填絲激光焊與非填絲激光焊相比，主要有如下優(yōu)點(diǎn)可以降低對(duì) 工件坡口加工、裝配的精度要求，提高焊縫質(zhì)量，防止咬邊、凹陷等缺陷；可以用較小的激光功率實(shí)現(xiàn)厚板的多層焊接；可以通過對(duì)填充焊絲材料的選擇方便地調(diào)節(jié)焊縫的成分，改善材料的焊接性，提高焊縫的性能。填絲激光焊接雖然與激光焊相比有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其也有較明顯的缺點(diǎn)由于熔化焊絲的熱量需要由激光提供，因此用于熔化工件的激光功率減?。缓附z激光作用下熔化的同時(shí)，還會(huì)反射一部分激光，從而使得激光的利用率進(jìn)一步降低。因此，與激光焊相比，填絲激光焊接方法對(duì)激光功率的要求更高。當(dāng)前技術(shù)條件下，激光功率的提聞也就意味著激光器成本的大幅上升。激光-電弧復(fù)合焊是把激光熱源和電弧熱源復(fù)合作用在同一個(gè)熔池上的焊接方法。與單激光或單MIG焊接方法相比，激光-MIG復(fù)合焊接主要有如下優(yōu)點(diǎn)對(duì)坡口間隙的搭橋能力強(qiáng)，降低了對(duì)工件坡口加工裝配和焊縫對(duì)中的精度要求；可以獲得更大的熔深，可以用較小的激光功率實(shí)現(xiàn)厚板的焊接；可顯著增強(qiáng)高反射比材料對(duì)激光的吸收，改善這些材料的激光焊接性；激光有穩(wěn)定電弧的作用，可顯著提高M(jìn)IG高速焊接或小電流焊接的穩(wěn)定性和焊縫成形質(zhì)量。激光+電弧復(fù)合焊接也有其缺點(diǎn)激光-電弧復(fù)合焊接是在電弧焊接的基礎(chǔ)上引入激光這種不同形式的熱源，利用激光與電弧的相互作用實(shí)現(xiàn)焊接過程。由于引入新熱源的同時(shí)并沒有增加熔敷金屬的填充量，因此導(dǎo)致激光+電弧復(fù)合焊接單位功率熔化的填充金屬量降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種新型實(shí)用的激光一雙熔化極單電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)及方法，既能彌補(bǔ)兩種激光焊和電弧焊兩種焊接方法各自獨(dú)立焊接的不足，又能充分發(fā)揮兩種熱源各自的優(yōu)勢(shì)，大幅提高焊絲熔敷效率，實(shí)現(xiàn)高效焊接，實(shí)現(xiàn)十分穩(wěn)定的焊接過程，控制母材熱輸入量，減小出現(xiàn)焊接缺陷的可能性，有助于獲得良好的焊
接質(zhì)量。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案與以實(shí)現(xiàn)一種激光-雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)，包括第一焊機(jī)、第二焊機(jī)、第一焊絲、第二焊絲和激光源，其中第一焊機(jī)和第二焊機(jī)的陽(yáng)極共同與第一焊絲連接，第一焊機(jī)的陰極與工件相連接，第二焊機(jī)的陰極與第二焊絲連接，其中第一焊絲與工件形成電弧，第二焊絲與工件不形成電弧；激光源位于第一焊絲和第二焊絲之間。在本發(fā)明的復(fù)合焊接系統(tǒng)中，焊接過程中燃弧的焊絲(第一焊絲)稱為主絲，其對(duì)應(yīng)的電弧稱為主弧，工作電流為來自兩個(gè)焊機(jī)的電流之和(Itl=IAI2)。焊接過程中不燃弧的焊絲(第二焊絲)稱為從絲，焊絲插在熔池中或熔池邊緣，并始終與工件接觸。第一焊機(jī)的陽(yáng)極與第二焊機(jī)的陽(yáng)極共同與主絲送絲機(jī)相連接，第一焊機(jī)的陰極與工件相連接，第二焊機(jī)的陰極與從絲送絲機(jī)相連接。焊接總電流由主絲流出，一部分分電流通過工件流入第一焊機(jī)，另一部分分電流通過從絲流入第二焊機(jī)。本復(fù)合系統(tǒng)的核心在于兩個(gè)焊接電源的組合方式與兩個(gè)焊絲之間、激光的組合形式。通過合理地設(shè)置幾何參數(shù)，激光與主絲之間可以形成激光-電弧復(fù)合焊接的組合方式。 激光-電弧復(fù)合焊接過程中，激光與電弧這兩種不同性質(zhì)的熱源協(xié)同作用，激光導(dǎo)致的金屬蒸氣可以在很大程度上影響電弧等離子體的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能。激光作用在工件上產(chǎn)生激光等離子體，而激光等離子體的存在可以協(xié)助電弧形成一個(gè)良好的導(dǎo)電通道。并且，激光等離子體的存在提高的工件表面的溫度，因此也更加有利于電弧的熱電子發(fā)熱?？傊?，激光-電弧復(fù)合焊接過程中，激光可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電弧的作用，尤其在高速焊接過程中可以引導(dǎo)電弧，有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接過程。激光與從絲之間則可以形成填絲激光焊接的組合方式，并且從絲在此焊接方法中經(jīng)過了從絲電流的加熱，因此為熱絲，因此熔化狀況較冷絲更良好。通過設(shè)置不同的幾何參數(shù)，從絲與工件間的位置關(guān)系可以分為兩種(1)從絲與工件在焊接過程中始終保持開路狀態(tài)，各自分別作為電弧的兩個(gè)獨(dú)立陰極，此時(shí)激光與從絲組合形成的填絲激光焊接方法，從絲的熔滴過渡方式為滴狀過渡，促進(jìn)熔滴過渡的作用力主要為重力，阻礙熔滴過渡的作用力主要為焊絲與熔滴之間的表面張力。但此種方式焊接過程不穩(wěn)定，一般不予采用(2)從絲與工件在焊接過程中始終保持短路狀態(tài)，從絲端頭與熔池金屬的邊緣相接觸。從絲的熔滴過渡方式為橋絡(luò)過渡，從絲的熔化熱一部分來自于雙熔化極旁路耦合焊接系統(tǒng)，另一部分來自于激光對(duì)從絲的熱作用。在合理的焊接工藝參數(shù)下，從絲可以實(shí)現(xiàn)從固態(tài)焊絲到液態(tài)熔池金屬的順利平穩(wěn)過渡。激光-雙熔化極旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)中，一方面激光與主絲形成激光-電弧復(fù)合焊接方法，對(duì)從絲加熱起到了至關(guān)重要的作用，彌補(bǔ)了填絲激光中對(duì)激光功率的較高要求；另一方面，激光與從絲形成填絲激光焊接的方法，并且從絲作為陰極分流走了一部分本用于熔化工件的電流用于熔化從絲，因此，增大的焊接過程的熔敷金屬填充效率，彌補(bǔ)了激光-電弧復(fù)合焊接方法能量利用率低的不足。在本發(fā)明的激光-雙熔化極旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)中，激光器可以采用Nd: YAG激光，CO2激光或光纖激光,激光輸出模式可以米用恒定輸出或脈沖輸出。第一焊機(jī)可以米用脈沖輸出或恒壓輸出，第二焊機(jī)可以采用脈沖輸出、恒壓輸出或恒流輸出。如上面所述，焊接系統(tǒng)焊接部分的幾何設(shè)置十分關(guān)鍵，激光與兩把焊槍(即兩個(gè)焊絲)均位于焊道所在的豎直平面內(nèi)，并且激光入射方向與工件所在平面垂直。激光與兩個(gè)焊絲之間各自的距離及兩個(gè)焊絲端頭在工件上的距離，激光與兩個(gè)焊絲各自之間的夾角及兩個(gè)焊絲之間的夾角，主絲(第一焊絲)與從絲(第二焊絲)的干伸長(zhǎng)度需要按如下參數(shù)精確配置(I)激光與主絲之間的距離Dn :(T5mm(2)激光與從絲之間的距離Dpsw :(T3mm(3)主絲與從絲之間的距離D _sw :0 8臟(4)激光與主絲之間的夾角a :15° 60°(5)激光與從絲之間的夾角P 30° 75°(6)主絲與從絲之間的夾角Y 45° 110°(7)主絲的干伸長(zhǎng)度Lniw :12 22mm(8)從絲的干伸長(zhǎng)度Lsw :15 25mm上述位置參數(shù)優(yōu)選如下(I)激光與主絲之間的距離Dn :0 5_(2)激光與從絲之間的距離Dpsw :(T3mm(3)主絲與從絲之間的距離D _sw :(T8mm(4)激光與主絲之間的夾角a :20° 55°(5)激光與從絲之間的夾角@ 35° 70°(6)主絲與從絲之間的夾角Y 45° 80°(7)主絲的干伸長(zhǎng)度Lniw :15 20mm(8)從絲的干伸長(zhǎng)度Lsw :2(T25mm其中送絲速度為fl0m/min(根據(jù)焊接需要，主絲送絲速度高于從絲送絲速度)，焊接速度為1-lOmm/s，可根據(jù)實(shí)際焊接情況進(jìn)行調(diào)整，以便于與送絲速度相適應(yīng)。焊接過程中，主絲由電弧熱熔化，而從絲熔化熱由兩部分組成電弧的熱作用和從絲導(dǎo)電嘴與工件之間這一段焊絲的電阻熱。雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊焊接過程的高速攝像圖片如圖3所示，一個(gè)熔滴過渡周期為0. 021s。其對(duì)應(yīng)的電信號(hào)如圖4中0. 786s至
0.807s時(shí)間區(qū)間(時(shí)間軸上0至虛線處)所示，第一張圖片對(duì)應(yīng)的電信號(hào)時(shí)刻為0. 786s,最后一張圖片對(duì)應(yīng)的電信號(hào)時(shí)刻為0. 807s，由圖4可知，工件電流與從絲電流相位相反。工件電流達(dá)到峰值時(shí)，從絲電流恰好為基值。這樣可以避免主焊機(jī)輸出脈沖峰值時(shí)熱輸入突然增大導(dǎo)致的從絲爆斷。雙熔化極旁路耦合焊接方法是一種新型的焊接方法，其可以在提高填充金屬熔敷效率的同時(shí)，合理分配焊接過程中產(chǎn)生的熱量，有效調(diào)節(jié)用于熔化焊絲的熱量和對(duì)母材的熱輸入量。將雙熔化極旁路耦合焊與激光焊復(fù)合，本發(fā)明公開了一種全新的焊接方法一激光+雙熔化極旁路耦合復(fù)合焊接。激光+雙熔化極旁路耦合復(fù)合焊接將激光+電弧復(fù)合焊接的優(yōu)點(diǎn)與填絲激光焊接的優(yōu)點(diǎn)有效結(jié)合起來，同時(shí)避免了這兩種焊接方法的不足。激光與主絲之間可以形成激光+電弧復(fù)合焊接的方法，在具備此焊接方法的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，電弧對(duì)從絲的加熱以及通過從絲的電流產(chǎn)生的電阻熱可以對(duì)熔化從絲起到相當(dāng)?shù)淖饔?，因此可以避免填絲激光焊時(shí)為熔化從絲而對(duì)激光功率的較高要求，以及對(duì)激光與從絲相對(duì)位置的嚴(yán)格限制；激光與從絲之間則可以形成填絲激光焊接的方法。其在一個(gè)焊接系統(tǒng)中與激光+電弧復(fù)合焊接同時(shí)存在，可以提高單位功率熔化的填充金屬量，從而提高焊接系統(tǒng)整體的熔敷金屬填充效率。并且，由于單位電流熔化的金屬量增大，可以使得激光+雙熔化極旁路耦合復(fù)合焊接在坡口焊接的情況下在較低熱輸入時(shí)獲得相同的熔敷金屬填充量，也可以在對(duì)母材熱輸入相同的情況下獲得更大的熔敷金屬填充量，從而可以在獲得良好焊接質(zhì)量的同時(shí)得到更高的焊接效率。與激光+雙MAG/MIG電弧復(fù)合焊接方法相比，激光+雙熔化極旁路耦合焊接方法可以在焊接過程對(duì)工件的熔敷金屬量相同的情況下減小對(duì)母材的熱輸入。這是由于雙熔化極旁路耦合焊接系統(tǒng)中利用了常規(guī)雙絲焊接中本用熔化工件一部分熱量用于熔化焊絲。而在熔化極氣體保護(hù)焊中，焊絲作用冷陰極，其陰極產(chǎn)熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陽(yáng)極產(chǎn)熱。因此，雙熔化極旁路耦合焊接系統(tǒng)中焊絲熔化效率大大提高，從而可以大大提高焊接過程的熔敷效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的復(fù)合焊接系統(tǒng)和方法具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)與激光焊相比，激光+雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接方法可以向焊縫填充大量熔敷金屬，從而可以顯著改善橋接能力，擴(kuò)展激光焊接的應(yīng)用范圍。(2)與激光填絲激光焊接相比，由于激光+雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接方法引入電弧，因此可以在激光功率相同的情況下獲得更高的生產(chǎn)效率，并且激光與電弧的 復(fù)合作用可以有效控制焊縫成形。( 3 )與激光+MIG復(fù)合焊接相比，激光+雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接方法可以通過雙熔化極單電弧旁路耦合焊系統(tǒng)更加有效地調(diào)節(jié)焊接過程對(duì)母材的熱輸入量，有益于薄板高速焊接，從而獲得良好的焊接質(zhì)量。


圖I激光一雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)示意圖，其中I為第一焊機(jī)，2為第一焊絲(主絲)，3為第一焊槍，4為激光，5為第二焊槍，6為第二焊絲(從絲)，7為第二焊機(jī)，8為工件。圖2激光一熔化極旁路耦合復(fù)合焊激光與焊槍相對(duì)位置示意圖，其中I為第一焊槍，2為激光，3為第二焊槍，Dn為激光與主絲之間在工件表面的距離，D1^sw為激光與從絲之間在工件表面的距離，a為激光與主絲之間的夾角，P為激光與從絲之間的夾角。圖3激光一雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接過程高速攝像圖片，圖中虛線位置為焊接過程中激光的作用中心線。圖4激光一雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接過程的電信號(hào)波形。圖5激光一雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接焊道表面照片。圖6激光-雙熔化極旁路耦合復(fù)合焊接焊道截面照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明采用的復(fù)合焊接系統(tǒng)，包括如下組成部分JK2003SM的Nd :YAG激光器(I臺(tái))，林肯 INVERTEC V350 PRO 型焊機(jī)(I 臺(tái))，林肯 INVERTEC V300 — I 焊機(jī)(I 臺(tái))，S-86A型半自動(dòng)送絲機(jī)(2臺(tái))，角度與位置可調(diào)的雙槍夾具(I個(gè))，工作臺(tái)(I臺(tái))。此外，還包括氣瓶氣閥、遙控盒等焊接輔助設(shè)備，焊絲選用H08Mn2SiA焊絲，工件選用Q235鋼。采用如圖I所示的方式進(jìn)行連接成焊接系統(tǒng)，焊接工藝具體參數(shù)見表I和表2。試驗(yàn)過程中采集到的與圖4對(duì)應(yīng)的電信號(hào)區(qū)間的激光功率與電信號(hào)參數(shù)對(duì)比如表3所示。
表I激光-雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接基本參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種激光-雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)，包括第一焊機(jī)、第二焊機(jī)、第一焊絲、第二焊絲和激光源，其特征在于，其中 第一焊機(jī)和第二焊機(jī)的陽(yáng)極共同與第一焊絲連接，第一焊機(jī)的陰極與工件相連接，第二焊機(jī)的陰極與第二焊絲連接，其中第一焊絲與工件形成電弧，第二焊絲與工件不形成電?。患す庠次挥诘谝缓附z和第二焊絲之間；其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要如下 (1)激光與第一焊絲之間的距離Dpmw:(T5mm ； (2)激光與第二焊絲之間的距離Dpsw0"3mm ； (3)第一焊絲與第二焊絲之間的距離D _sw:(T8mm ； (4)激光與第一焊絲之間的夾角a:15° 60° ； (5)激光與第二焊絲之間的夾角P:30° ^75° ； (6)第一焊絲與第二焊絲之間的夾角Y:45° 110° ； (7)第一焊絲的干伸長(zhǎng)度Lmw12^22mm ； (8)第二焊絲的干伸長(zhǎng)度Lsw: 15 25mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種激光-雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)，其特征在于，結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選如下 (1)激光與第一焊絲之間的距離Dpmw:(T5mm ； (2)激光與第二焊絲之間的距離Dpsw0"3mm ； (3)第一焊絲與第二焊絲之間的距離D _sw:(T8mm ； (4)激光與第一焊絲之間的夾角a:20° 55° ； (5)激光與第二焊絲之間的夾角P:35° ^70° ； (6)第一焊絲與第二焊絲之間的夾角Y:45° ^80° ； (7)第一焊絲的干伸長(zhǎng)度Lmw15^20mm ； (8)第二焊絲的干伸長(zhǎng)度Lsw:2(T25mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或者2所述的一種激光-雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述激光米用Nd:YAG激光，CO2激光或光纖激光,輸出模式米用恒定輸出或脈沖輸出；所述第一焊機(jī)采用脈沖輸出或恒壓輸出，所述第二焊機(jī)采用脈沖輸出、恒壓輸出或恒流輸出。
4.一種利用如權(quán)利要求I所述的激光-雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接的方法，其特征在于，具體步驟如下 (1)按照權(quán)利要求I所述的復(fù)合焊接系統(tǒng)連接電弧焊接設(shè)備和設(shè)置焊接系統(tǒng)； (2)調(diào)整兩個(gè)焊絲各自的角度，兩個(gè)焊絲的干伸長(zhǎng)度，兩個(gè)焊絲端頭在工件上的距離； (3)調(diào)節(jié)激光在工件上的聚焦位置，配置激光與兩個(gè)焊絲的幾何位置； (4)調(diào)節(jié)激光功率，調(diào)節(jié)第一焊接和第二焊接的電源設(shè)置參數(shù)； (5)調(diào)節(jié)焊接速度與送絲速度； (6)施焊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述激光采用Nd:YAG激光，CO2激光或光纖激光，輸出模式米用恒定輸出或脈沖輸出；所述第一焊機(jī)米用脈沖輸出或恒壓輸出，所述第二焊機(jī)采用脈沖輸出、恒壓輸出或恒流輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接方法，其特征在于，結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選如下(1)激光與第一焊絲之間的距離Dpmw:(T5mm ； (2)激光與第二焊絲之間的距離Dpsw0"3mm ； (3)第一焊絲與第二焊絲之間的距離D _sw:(T8mm ； (4)激光與第一焊絲之間的夾角a:20° 55° ； (5)激光與第二焊絲之間的夾角P:35° ^70° ； (6)第一焊絲與第二焊絲之間的夾角Y:45° ^80° ； (7)第一焊絲的干伸長(zhǎng)度Lmw15^20mm ； (8)第二焊絲的干伸長(zhǎng)度Lsw:2(T25mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述步驟(5)中的送絲速度為I 10m/min,焊接速度為 I一10mm/s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光-雙熔化極單電弧旁路耦合復(fù)合焊接系統(tǒng)及方法，采用主絲起弧，從絲不燃弧，并利用激光提供熱源，進(jìn)行復(fù)合焊接。本發(fā)明既能彌補(bǔ)兩種激光焊和電弧焊兩種焊接方法各自獨(dú)立焊接的不足，又能充分發(fā)揮兩種熱源各自的優(yōu)勢(shì)，大幅提高焊絲熔敷效率，實(shí)現(xiàn)高效焊接，實(shí)現(xiàn)十分穩(wěn)定的焊接過程，控制母材熱輸入量，減小出現(xiàn)焊接缺陷的可能性，有助于獲得良好的焊接質(zhì)量。
文檔編號(hào)B23K28/02GK102699546SQ20121018268
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者于露, 李桓, 楊立軍, 狄勇, 韋輝亮 申請(qǐng)人:天津大學(xué)