刘黎明 (中国辽宁省大连市沙河口区文萃街2号, Liaoning 5, 116085, CN)
SONG, Gang (No.2 Linggong Road, Ganjingzi DistrictDalian, Liaoning 4, 116024, CN)
大连理工大学 (中国辽宁省大连市甘井子区凌工路2号, Liaoning 4, 116024, CN)
LIU, Liming (No.2 Wencui Street, Shahekou DistrictDalian, Liaoning 5, 116085, CN)
刘黎明 (中国辽宁省大连市沙河口区文萃街2号, Liaoning 5, 116085, CN)
| 权 利 要 求 书 1、一种低能耗激光诱导增强电弧复合焊接方法， 包括激光脉冲与电弧相位匹配的步骤和 激光脉冲诱导压縮电弧的步骤， 激光的脉冲由峰值脉冲和后续的基值脉冲构成， 其特征在于： 激光的峰值脉冲电流强度为 300A〜500A， 峰值脉冲宽度为 0.1ms〜0.5ms; 基值脉冲电流 强度为 100A〜150A， 基值脉冲宽度为 2ms〜15ms; 在交流电弧电流正半波的二分之一及其负半波二分之一区间内， 触发激光的峰值脉冲； 激光的峰值脉冲宽度和基值脉冲宽度之和， 等于激光脉冲触发点至交流电弧电流负半波 结束的时间宽度； 所述交流电弧的频率为所述脉冲激光频率的整数倍。 2、 如权利要求 1所述的复合焊接方法， 其特征在于： 其电弧功率密度在 103〜105数量级范围内可精细调节。 3、 如权利要求 1或 2所述的复合焊接方法， 其特征在于： 用霍尔电流传感器采集焊接电弧电流信号， 通过 A/D转换将其转换为数字信号， 继而利 用单片机计算处理判断所述电流信号的波峰和波谷， 在交流电弧电流正半波二分之一及其负 半波二分之一的区间内， 用信号控制器对激光器发出触发控制信号， 其延迟时间为一个电流 周期， 以使激光的峰值脉冲作用于交流电弧电流正半波二分之一及其负半波二分之一的区间 内。 4、 如权利要求 3所述的复合焊接方法， 其特征在于： 所述脉冲激光的频率为 25〜100Hz， 所述交流电弧的频率为脉冲激光频率的 1〜4整数倍。 5、 一种如权利要求 3所述复合焊接方法所采用的激光-电弧复合焊接装置， 包括激光器、 电弧焊枪、 霍尔电流传感器、 单片机和信号控制器， 其特征在于： 激光束轴线与竖直方向上倾角 （ 在 -50°〜50°范围内可调， 激光束轴线与电弧焊枪轴线夹 角 β在 20°〜120°内可调； 所述电弧焊枪的电弧电流在 10〜300Α内可调、 电极伸出量 d在 -5〜10mm内可调、喷嘴气流 速度 v 0〜100m/s内可调， 从而其电弧功率密度在 103〜105数量级范围内可精细调节。 |
低功率激光与电弧复合焊接方法及装置 技术领域
本发明属于材料工程技术领域， 涉及一种焊接方法， 特别是激光-电弧复合焊接方法及其 所用装置。
背景技术
在激光-电弧复合热源焊接过程中， 激光与电弧的能量匹配一直是复合热源焊接的 研究热 点。 当前的研究主要集中在大功率激光 （2 千瓦以上） 与电弧的复合焊接方式、 焊接工艺以 及钢、铝等不同材料焊接性等方面。如中国发 明专利申请 "激光-电弧复合脉冲协调控制方法" ( CN1418753A)提出， 在脉冲信号频率相同的条件下， 在电弧的基值脉冲区域触发激光峰值 功率， 而激光的基值脉冲与电弧的峰值脉冲同步， 可以显著提高焊接过程稳定性， 旨在解决 电弧空间等离子体对激光的吸收和散射作用而 产生的问题， 但该方法只涉及到直流电弧和尤 其是大功率激光复合焊接控制。 国内外研究表明， 采用激光电弧复合热源焊接技术， 能够很 好地解决单纯激光焊接出现的诸如组对间隙要 求严格、 激光能量吸收率低等一系列问题， 同 时能够减少飞溅、 裂纹等焊接缺陷， 有效提高焊接质量和焊接效率， 在航空、 造船、 汽车等 领域具有广阔的应用前景。
但是， 一方面大功率激光与电弧复合主要存在如下问 题：
首先， 目前商业激光器的电光转换效率低（小于 3%)， 输出 1千瓦激光需要近 35千瓦的 电能 [Graf T， Staufer H， Welding Journal, 2003, 82(1)], 而激光功率越大， 能量消耗就越大； 同时， 大功率激光器体积大、 成本及维护费用高 （1千瓦激光器成本约为 10万欧元）； 同时研究表明电弧对激光具有散焦作用， 导致激光能量密度减小， 并且激光功率越大， 电弧 对其散焦作用就越明显 [陈彦宾等， 焊接学报， 2003， 24(3)]， 因此大功率级别激光与电弧的复 合将造成能源的极大消耗， 焊接成本高， 不利于实际生产需求。
另一方面， 当焊接有色金属时， 一般选用交流电弧， 利用交流电弧的阴极雾化作用来清 除焊接板材表面的氧化膜。 由于交流电弧电流的周期性变化， 激光脉冲与交流电弧匹配时， 激光脉冲作用在交流电弧波形的不同区域， 会产生不同的能量分布方式， 对焊接过程及其结 果有不同的影响， 例如， 会直接影响到焊缝熔深的大小以及焊接过程电 弧的稳定性。 因此， 脉冲激光与交流电弧脉冲相位的优化匹配， 对提高复合热源焊接质量和效率具有重要意义 。
上述问题已引起人们的高度重视， 并且已经开始探索采用低功率激光与交流电弧 进行复 合焊接， 试图在保持以往激光电弧复合焊接技术优点的 同时通过降低激光功率来达到降低能 耗、 节约成本的目的。 发明内容
鉴于现有技术所存在的上述问题， 本发明旨在提供一种低能耗激光诱导增强电弧 复合焊 接方法， 在现有激光-电弧复合焊接技术基础上， 采用低功率激光与电弧复合， 获得与大功率 激光焊接以及大功率激光与电弧焊接相当的焊 接熔深， 从而在提高焊接效率的同时， 实现降 低能耗、 节约成本之目的。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种低能耗激光诱导增强电弧复合焊接方法， 包括激光脉冲与电弧相位匹配的步骤和激 光脉冲诱导压縮电弧的步骤， 激光的脉冲由峰值脉冲和后续的基值脉冲构成 ， 其特征在于： 激光的峰值脉冲电流强度为 300A〜500A， 峰值脉冲宽度为 0.1ms〜0.5ms; 基值脉冲电流 强度为 100A〜150A， 基值脉冲宽度为 2ms〜15ms;
在交流电弧电流正半波的二分之一及其负半波 二分之一区间内， 触发激光的峰值脉冲； 激光的峰值脉冲宽度和基值脉冲宽度之和， 等于激光脉冲触发点至交流电弧电流负半波 结束的时间宽度；
所述交流电弧的频率为所述脉冲激光频率的整 数倍。
在交流电弧电流正半波二分之一和交流电弧负 半波二分之一区间内， 在电弧的作用下焊 接材料开始融化， 这时加入激光的峰值脉冲， 能够保证激光在焊接板材上瞬间形成小孔， 而 后续较宽的激光的基值脉冲能维持激光小孔的 张开状态， 这样可以充分利用小孔效应实现深 熔焊。
交流电弧电流负半波时， 电弧的稳定性一般相对较差， 对焊缝质量不利。 设定激光的峰 值脉冲宽度和后续的基值脉冲宽度之和等于激 光脉冲触发点至交流电弧负半波结束的时间宽 度， 是为了使基值脉冲一直延续到交流电弧同一周 期负半波结束， 激光脉冲产生的大量金属 蒸汽有利于提高交流电弧在负半波时的电弧放 电能力， 从而提高了电弧的稳定性， 改善了焊 缝的质量。
进一步的， 其电弧功率密度在 10 3 〜10 5 数量级范围内可精细调节。
采用本方法焊接时， 可以按照已有脉冲激光-交流电弧复合焊接技 工艺要求确定脉冲激 光和交流电弧的参数， 已有的交流电弧主要有 TIG (非熔化极惰性气体保护焊） 电弧、 MIG (熔化极惰性气体保护） 电弧、 MAG (熔化极活性气体保护） 电弧及等离子弧， 交流电弧的 频率一般为 50〜100Hz， 交流电弧频率最好为脉冲激光频率的 1〜4整数倍， 则相应的脉冲激光 频率范围为 25〜100Hz。
激光脉冲波形的设置和调整可以通过调节激光 装置的参数实现， 交流电弧的波形也可以 通过调节其电源参数实现。
其中脉冲激光与交流电弧相位匹配采用下列方 式实现： 采用霍尔电流传感器采集焊接电 弧电流信号， 通过 A/D转换将其转换为数字信号， 继而利用单片机计算处理判断所述电流信 号的波峰和波谷， 在交流电弧电流正半波二分之一及其负半波二 分之一的区间内， 用信号控 制器对激光器发出触发控制信号， 其延迟时间为一个电流周期， 以使激光的峰值脉冲作用于 交流电弧电流正半波二分之一及其负半波二分 之一的区间内。
对应上述低能耗激光诱导增强电弧复合焊接方 法使用的一种激光-电弧复合焊接装置， 包 括激光器、 电弧焊枪、 霍尔电流传感器、 单片机和信号控制器， 其特征在于： 激光束轴线与 竖直方向上倾角 α在 -50°〜50°范围内可调， 激光束轴线与电弧焊枪轴线夹角 β在 20°〜120°内 可调；
所述电弧焊枪的电弧电流在 10〜300Α内可调、 电极伸出量 d在 -5〜10mm
内可调、 喷嘴气流速度 V在 0〜100m/s内可调， 使用时， 通过对电弧焊枪的上述参数的调节， 从而实现其电弧功率密度在 10 3 〜10 5 数量级范围内的精细调节。
通过该装置， 实现了激光与不同功率密度电弧的有机复合焊 接， 尤其是， 满足低能耗激 光与电弧复合焊接的需求， 实现了降低能耗、 节约成本之目的。
本方法实现了脉冲激光和交流电弧两种焊接热 源能量的优化配置， 实现了在较低激光功 率下激光小孔的形成， 并延长了激光小孔的存在时间， 充分利用小孔效应使复合焊接熔深较 现有技术增大 25%〜50%； 同时， 提高了交流电弧的稳定性， 改善了焊缝成形质量， 并能避免 气孔等焊接缺陷， 适合工业化应用。 附图说明
图 1是一种激光脉冲波形示意图， 图中
1为激光峰值脉冲， 2为激光基值脉冲， t 2 分别为激光峰值脉冲和基值脉冲的宽度；
图 2是实施例 1中当交流电弧电流为正负不对称波形时， 图 1所示的激光脉冲触发交流 电弧电流正半波二分之一时间点的相位匹配示 意图， 图中
3为交流电弧电流波形， t 3 为交流电弧电流正半波宽度， t 4 为交流电弧周期， + tf tft^; 在 交流电弧电流正半波二分之一时间点触发激光 峰值脉冲。
图 3是实施例 2中当交流电弧电流为方波时， 激光脉冲触发交流电弧电流负半波二分之 一时间点的相位匹配示意图， 图中
t 5 、 t 6 分别为激光峰值脉冲和基值脉冲的宽度， t 7 为交流电弧电流的负半波宽度， t 5 + t 6 = t 7 /2; 在交流电弧电流负半波二分之一时间点触发激 光峰值脉冲。
图 4是实施例 3中当交流电弧电流为方波时， 激光脉冲触发交流电弧电流时间点位于交 流电弧电流过零点处的相位匹配示意图， 图中
t 8 、 t 9 分别为激光峰值脉冲和基值脉冲的宽度， t 1Q 交流电弧正半波宽度， t u 为交流电弧周期， t 8 +t 9 = t n -t 10 ; 在交流电弧电流过零点处触发激光峰值脉冲。
图 5为实施例所述的激光-电弧复合焊接装置示意 ， 图中
①为激光束， ②为电弧焊枪， ③为电极； （ 为激光束轴线与竖直方向上倾角； β为激光束轴线 与电弧焊枪轴线夹角； d为电极伸出量； V为喷嘴气体流量。 具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例 1是采用脉冲相位控制方法， YAG脉冲激光 -交流 TIG电弧复合焊接 8mm厚 AZ3 IB 镁合金板材。
交流电弧电流强度为 100A, 电弧电压 12V， 焊接速度 1000mm/min。通过调节 YAG脉冲 激光和交流 TIG电弧的电源参数使激光脉冲和交流电弧电流 的波形、 频率达到设定要求， 如 图 1和图 2所示。
激光峰值脉冲 1的电流强度为 400A, 宽度 ^为 0.2ms， 后续的基值脉冲 2的电流强度为 100A, 宽度 t 2 为 7.6ms， 如图 1所示； 交流电弧电流周期 t 4 为 12.8ms， 正半波宽度 为 10.0ms， ti+ t 2 = t 4 -t 3 /2, 如图 2所示。
激光脉冲频率为 39Hz， 交流电弧频率为 78Hz。 交流电弧电流波形 3为正负不对称形， 如图 2所示，激光脉冲的平均输出功率为 600W,其中峰值脉冲的功率密度为 2.4xl0 6 W/cm 2 ， 基值脉冲的功率密度为 l.lxl0 6 W/cm 2 。
用霍尔电流传感器采集焊接电弧电流信号， 通过 A/D转换将其转换为数字信号， 利用单 片机计算处理判断电流信号的波峰和波谷， 在交流电弧电流正半波二分之一时间点， 即 t 3 /2 处， 用信号控制器对激光器发出触发控制信号， 其延迟时间为一个电流周期， 使激光的峰值 脉冲作用于交流电弧电流的正半波二分之一处 。
上述复合焊接方法所采用激光-电弧复合焊接 置， 包括激光器①、 电弧焊枪②、 霍尔电 流传感器、 单片机和信号控制器。
激光束①轴线与竖直方向上倾角 e为 10°; 激光束①轴线与电弧焊枪②轴线夹角 β为 30°， 如图 5所示； 电极③伸出量 d为 5mm; 喷嘴气体流量 v为 30m/ S ; 电弧的功率密度为 5.5xl0 4 W/cm
与相同焊接参数条件下已有的脉冲 YAG激光 -交流 TIG电弧复合焊接相比， 本实施例焊 接熔深由 5.5mm提高到 6.8mm。 实施例 2是采用脉冲相位控制方法， YAG脉冲激光 -交流 TIG电弧复合焊接 6mm厚 Q235 碳钢板材。 交流电弧电流强度为 200A， 电弧电压 14V， 焊接速度 800mm/min， 通过调节 YAG脉冲 激光和交流 TIG电弧的电源参数使激光脉冲和交流电弧电流 的波形、 频率达到设定要求。
激光峰值脉冲 1的电流强度为 450A, 宽度 ^为 0.3ms， 后续的基值脉冲 2的电流强度为 11 OA, 宽度 t 6 为 4.7ms; 交流电弧电流负半波宽度 t 7 为 10ms， t 5 + t 6 = t 7 /2， 如图 3所示； 脉冲 激光频率为 50Hz， 交流电弧频率为 50Hz。 交流电弧电流波形 3为方波， 激光平均输出功率 为 700W,其中峰值脉冲的功率密度为 2.8x l0 6 W/cm 2 ,基值脉冲的功率密度为 1.2x l0 6 W/cm 2 。
参数调整好后， 在交流电弧电流负半波二分之一时间点， 即1 7 /2处， 触发脉冲激光， 达到 激光脉冲与交流电弧的能量匹配及相位匹配， 方法同实施例 1。
所述激光-电弧复合焊枪装置， 如图 5所示， 其激光束①轴线与竖直方向上倾角 (为 40°; 激光束①轴线与电弧焊枪②轴线夹角 β为 70°; 电极伸出量 d为- 2mm; 喷嘴气体流量 v为 3m/ S; 电弧的功率密度为 1.2x l0 4 W/cm 2 。
与相同焊接参数条件下已有的脉冲 YAG激光 -交流 TIG电弧复合焊接相比， 本实施例焊 接熔深由 4.2mm提高到 5.4mm。 实施例 3是采用脉冲相位控制方法， YAG脉冲激光 -交流 TIG电弧复合焊接 10mm厚 Q235 碳钢板材。
交流电弧电流强度为 250A, 电弧电压 15V, 焊接速度 600mm/min。 通过调节 YAG脉冲 激光和交流 TIG电弧的电源参数使激光脉冲和交流电弧电流 的波形、 频率达到设定要求。
激光峰值脉冲 1的电流强度为 500A, 宽度 ^为 0.5ms， 后续的基值脉冲 2的电流强度为 11 OA, 宽度 t 9 为 9.5ms; 交流电弧电流周期 t u 为 20ms， 正半波宽度 t 1Q 为 10ms， t 8 + t 9 = t u _t 10 ， 如图 4所示； 脉冲激光频率为 50Hz， 交流电弧频率为 50Hz。 交流电弧电流波形 3为方波， 激光平均输出功率为 800W, 其中峰值脉冲的功率密度为 4.0x l0 6 W/cm 2 ， 基值脉冲的功率密 度为 1.35x l0 6 W/cm 2 。
参数调整好后， 在交流电弧电流过零点处， 触发脉冲激光， 达到激光脉冲与交流电弧的 能量匹配及相位匹配， 方法同实施例 1。
所述激光-电弧复合焊枪装置， 如图 5所示， 其激光束①轴线与竖直方向上倾角 (为 20°; 激光束①轴线与电弧焊枪②轴线夹角 β为 40°; 电极伸出量 d为- 2mm; 喷嘴气体流量 v为 5m/ S; 电弧的功率密度为 2.5x l0 4 W/cm 2 。
与相同焊接参数条件下已有的脉冲 YAG激光 -交流 TIG电弧复合焊接相比， 本实施例焊 接熔深由 5.0mm提高到 7.2mm。 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技 术范围内， 根据本发明的技术方案及其发明构 思加以等同替换或改变， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。