脉冲激光-交流电弧复合焊接脉冲相位控制方法

摘要

本发明属于材料工程技术领域，涉及一种焊接方法，特别是脉冲激光-交流电弧复合焊接方法。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，宽度为0.1ms～0.5ms，基值脉冲电流强度为100A～200A，宽度为3ms～15ms，在交流电弧电流正半波的二分之一处，触发激光的峰值脉冲，后续激光基值脉冲延续到交流电弧同一周期负半波结束；交流电弧频率为脉冲激光频率的整数倍。本方法实现了能量优化配置，能在较低激光功率下形成激光小孔，利用小孔效应，使焊接熔深比相同焊接参数下的已有技术增加10％～25％，并提高了电弧稳定性，改善了焊缝质量，适合工业化应用。

说明书

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，特别是脉冲激光-交流电弧复合焊接方法。

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。发明专利申请“激光-电弧复合脉冲协调控制方法”(申请号CN02156592.9)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，该方法只涉及到直流电弧和高功率激光复合焊接控制，目的在于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。

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。

发明内容

本发明的目的，是提供一种脉冲激光-交流电弧复合焊接的脉冲相位的优化匹配方法，在现有脉冲激光-交流电弧复合焊接基础上，获得更大的熔深，提高焊接效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

脉冲激光-交流电弧复合焊接脉冲相位控制方法，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～200A，基值脉冲宽度为3ms～15ms；在交流电弧电流正半波的二分之一处，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，等于交流电弧电流的周期减去正半波宽度的二分之一；交流电弧的频率为脉冲激光频率的整数倍。

在交流电弧电流正半波二分之一处，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交流电弧的周期减去正半波宽度的二分之一，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。

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术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，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调整，交流电弧的波形及正半波二分之一点可以用电流传感器及单片机测得，可采用同步脉冲触发信号控制方法在交流电弧电流正半波二分之一点对激光脉冲进行触发控制。

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10％～25％，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为一种激光脉冲波形示意图。

图中横轴和纵轴分别为时间和电流强度，1为激光峰值脉冲，2为激光基值脉冲，t₁、t₂分别为激光峰值脉冲和基值脉冲的宽度。

图2是当交流电弧电流为正负不对称波形时，图1所示的激光脉冲与交流电弧电流的相位匹配示意图。

图中3为交流电弧电流波形，t₃为交流电弧电流正半波宽度，t₄为交流电弧周期，t₁+t₂＝t₄-t₃/2；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是当交流电弧电流为方波时，激光脉冲与交流电弧电流的相位匹配示意图。

图中t₅、t₆分别为激光峰值脉冲和基值脉冲的宽度，t₇为交流电弧电流的正半波宽度，t₈为交流电弧周期，t₅+t₆＝t₈-t₇/2；交流电弧电流波形3为方波。

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，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AZ31B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t₁为0.2ms，后续的基值脉冲2的电流强度为100A，宽度t₂为7.6ms；交流电弧电流周期t₄为12.8ms，正半波宽度t₃为10.0ms，t₁+t₂＝t₄-t₃/2。

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，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2.4×10⁶W/cm²，基值脉冲的功率密度为1.1×10⁶W/cm²。

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t₃/2处，用信号控制器对激光器发出触发控制信号(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。

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6.3mm。

实施例2，用脉冲相位控制方法，YAG脉冲激光-交流TIG电弧复合焊接5mm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。如图3所示，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t₅为0.5ms，后续的基值脉冲2的电流强度为110A，宽度t₆为14.5ms；交流电弧电流周期t₈为20ms，正半波宽度t₇为10ms，t₅+t₆＝t₈-t₇/2；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2.8×10⁶W/cm²，基值脉冲的功率密度为1.2×10⁶W/cm²。

参数调整好后，在交流电弧电流正半波二分之一时间点，即t₇/2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。

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4.8mm。