一種高效高質(zhì)的激光-微弧等離子復(fù)合焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料加工工程技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種可用于焊接如鐵路車廂零 件、汽車車身、火箭外殼等各種輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)件的高效高質(zhì)的激光-微弧等離子復(fù)合焊接方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 等離子焊接方法是將氣體通過電弧加熱產(chǎn)生離解，在高速通過水冷噴嘴時受到壓 縮，增大能量密度和離解度，形成等離子弧，將其作為焊接熱源的一種焊接方法。通過氣動 力壓縮效應(yīng)，提高等離子反極性直流中反極性電弧的熔化能力，增加噴嘴和零件間電弧的 燃燒。同等條件下采用異極脈沖等離子焊接可以獲得質(zhì)量更好的焊縫，主弧正極性脈沖電 流作用可以增加電弧的熔化能力，而主弧反極性脈沖電流作用則可破壞金屬表面氧化膜 (如Al 2〇3)。等離子焊接在焊接效率和焊接質(zhì)量上都優(yōu)于傳統(tǒng)的TIG焊接。然而，激光焊接具 有更高的焊接效率，同時焊縫和熱影響區(qū)寬度較小，焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力較小。不過，激 光焊接不僅對工件裝配要求高，在焊接鋁合金這種高熱導(dǎo)材料時，由于工件表面的高反射 率，導(dǎo)致激光熔透率較低，造成焊接效率低。高熱導(dǎo)材料焊接時需要更高的激光功率，這將 提高材料加工成本，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，申請?zhí)枮?01210357600.4名稱為"一種激光-等離子弧雙面復(fù)合焊接 方法"的中國專利申請，也采用了激光-等離子弧進(jìn)行復(fù)合焊接，該法是分別將激光和等離 子弧置于工件上下方同時進(jìn)行焊接。但是，該法只是將兩種電源單純疊加，只能達(dá)到"1+Γ 效果，沒有利用激光和等離子弧互相影響的復(fù)合效應(yīng)，達(dá)到">1+1"的效果，并不是真正的復(fù) 合焊接。另一申請?zhí)枮?00910165663.8名稱為"微束等離子弧和激光復(fù)合焊接方法"的中 國專利申請，是將15-30A等離子弧焊槍和激光焊槍平行垂直于待焊工件固定，采用工件移 動的方式進(jìn)行復(fù)合焊接。該法兩熱源平行，兩束熱源之間存在距離，雖簡化控制工藝，但減 弱了復(fù)合焊效果。另一申請?zhí)枮?01510412092.9名稱為"一種中厚度鎂合金的激光-變極性 等離子復(fù)合焊接方法"的中國專利申請，是針對中厚（l〇mm-50mm)鎂合金板，采用激光焊槍 垂直，等離子槍傾斜的組合進(jìn)行復(fù)合焊接，但是兩束熱源之間也存在距離，無法實現(xiàn)真正的 復(fù)合效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種能夠適應(yīng)不同領(lǐng)域的金屬 材料焊接需求的高效高質(zhì)的激光-微弧等離子復(fù)合焊接方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的： 本發(fā)明所述的高效高質(zhì)的激光-微弧等離子復(fù)合焊接方法，其特點是:包括以下步驟： 1) 選取厚度為l-4mm的輕金屬結(jié)構(gòu)材料作為待焊工件； 2) 將激光束和等離子電弧結(jié)合并集成于同一把焊槍中； 3) 將聚焦的激光束和等離子電弧共同作用在同一點并直接作用于待焊工件上形成同 一熔池； 4) 設(shè)置焊接速度為30-300m/h; 5) 將氬氣作為等離子發(fā)生氣體和焊接保護(hù)氣體。
[0006] 其中，所述激光束采用由功率為1000W的連續(xù)或碟片或光纖或⑶2或NchYAG激光器 產(chǎn)生的激光脈沖光束。
[0007] 所述等離子電弧采用10-100A正極性和5-80A反極性的異極脈沖電流電源。
[0008]所述等離子電弧的中軸線位于焊炬中軸線的一側(cè)，所述激光束的中軸線位于焊炬 中軸線的另一側(cè);且在焊接的過程中，等離子電弧位于前面，激光束位于后面。
[0009]所述激光束的中軸線與焊炬中軸線之間的夾角為5-20°，所述等離子電弧的中軸 線與焊炬中軸線之間的夾角為30-40°。
[0010]所述激光束焦點離焦量為〇-lmm。
[0011] 本發(fā)明由于采用了將激光和微弧等離子復(fù)合進(jìn)行焊接，采用能量密度高、指向性 好的等離子弧作為第二熱源與激光復(fù)合可以實現(xiàn)薄板的高速、精密焊接，且在焊接過程中 無熔滴過渡過程、無飛濺，因此在焊接薄板時具有優(yōu)勢，雖然本發(fā)明技術(shù)原理與現(xiàn)有的激 光-電弧復(fù)合焊接接近，但本發(fā)明的效果更好，兩者具有本質(zhì)的區(qū)別，因為激光和等離子復(fù) 合焊接不是對兩種熱源的簡單疊加，而是產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，即激光束作用導(dǎo)致焊接材料蒸發(fā) 可改善電擊穿條件(蒸發(fā)金屬并形成離子蒸氣），等離子弧在同一位置形成，將施加壓力壓 縮工件表面的電弧尺寸，使其大小接近激光束直徑，從而在其作用區(qū)域會形成小孔，優(yōu)化了 激光束的吸收條件，由于大部分激光束被吸收，小孔深度加大，可改善等離子作用。由于激 光和等離子共同作用可改善激光吸收條件，增加金屬對熱源的吸收效率，提高整個過程的 有效作用，因此通過本發(fā)明可以有效地提高焊接速度，減小焊縫和熱影響區(qū)，從而提高接頭 的強度和沖擊韌性，還降低了焊接零件的殘余應(yīng)力，而且節(jié)約了設(shè)備成本，同時本發(fā)明能夠 增加等離子放電的穩(wěn)定性，改善焊接接頭質(zhì)量并保持接頭質(zhì)量穩(wěn)定。由于本發(fā)明是將激光 束和等離子電弧集成于同一焊槍上，這樣既提高了焊接效率，又提高了焊接精度和靈活性。
[0012] 而且，本發(fā)明中，激光束的中軸線與焊炬中軸線成5-20°角，這樣既可以避免發(fā)射 的激光束影響激光器，又可以避免焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物污染激光器。同時，等離子電弧 的中軸線與焊炬中軸線成30-40°角，這樣可以避免反射的激光束影響用于產(chǎn)生等離子電弧 的媽電極。
[0013] 并且，本發(fā)明與單獨激光焊相比，可顯著提高焊接速度和大間隙適應(yīng)能力，能有效 地減少氣孔和熱裂紋，改善焊縫成形質(zhì)量，可應(yīng)用于剪裁拼板焊、涂層鋼的搭接焊、填絲焊、 薄板高速焊及表面合金化，而且適合于低碳鋼、不銹鋼及鋁合金等材料的焊接，并且能用于 立焊。而且采用本發(fā)明，假如維持激光功率不變，激光與金屬相互作用效果將會顯著增加， 假如維持單獨激光焊接效果，則需要的激光功率密度為原來的一半。因此，從成本角度考 慮，在獲得相同效果的條件下，本發(fā)明焊接耗電量降低15%_20%，運行成本降低至少30%;復(fù) 合焊接設(shè)備相對于單獨激光焊接設(shè)備，成本降低20%。因此，本發(fā)明可以在大幅降低成本的 基礎(chǔ)上，又能獲得高質(zhì)量的焊縫，而且可適用于不同領(lǐng)域例如:鐵路車廂、汽車車身、火箭外 殼等各種輕金屬薄板結(jié)構(gòu)的焊接。
[0014] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明所述焊槍的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為1.4_鋁合金采用微弧等離子焊接與本發(fā)明所述復(fù)合焊接的效果對比圖。
[0017] 圖3為1.4_鋁合金采用激光焊接與本發(fā)明所述復(fù)合焊接的效果對比圖。
[0018] 圖4為采用本發(fā)明焊接的力學(xué)性能對比圖。
【具體實施方式】
[0019] 本發(fā)明所述的高效高質(zhì)的激光-微弧等離子復(fù)合焊接方法，包括以下步驟： 1) 選取厚度為l-4mm的輕金屬結(jié)構(gòu)材料作為待焊工件； 2) 將激光束和等離子電弧結(jié)合并集成于同一把焊槍中，該焊槍的結(jié)構(gòu)如圖1所示；其