一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法

摘要

一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，它涉及一种焊接方法。它的操作步骤为：一、对待焊工件的进行坡口加工打磨并清洗，装夹；二、调节激光束与InFocus电弧焊枪位置；三、设置焊接工艺参数:光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率500～5000W；电弧电流为50～1000A，焊接速度为50～900mm/min，保护气采用Ar气，保护气流量为10～30L/min；四、通过控制机器人使激光工作头和InFocus焊枪共同运动。InFocus可实现高速焊接，既解决了激光-TIG复合焊接时，激光与TIG焊接速度不匹配的问题，也极大的提高了生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

自从上世纪七十年代提出激光-电弧复合焊接方法以后，激光-电弧复合焊接方法得到 了广泛的应用，其主要思想是充分利用电弧能量，在较小的激光功率条件下获得较大的焊 接熔深，同时提高激光焊接对接焊缝间隙适应性，实现效率高、质量高的焊接过程。复合 焊接过程中，激光热源主要有CO₂激光，YAG激光，光纤激光等。激光-TIG电弧复合焊 接作为一种典型的复合焊接方式，具有很多优点：①降低激光能量输入，高效节能；②增 加焊缝熔深，稳定焊接电弧；③提高了焊接适应性，可进行高速焊接；④通过调节两种热 源能量的匹配，改善焊缝成型。虽然激光-TIG电弧复合焊接最早开始研究，传统激光-TIG 电弧复合焊接一般主要用于薄板高速焊接或者不等厚板焊接，但在应用方面一直没有实质 性的进展。

目前，主要是因为激光-TIG电弧焊接存在以下一些问题：

(1)传统的TIG电弧等离子体体积较大，能量密度低，使得焊缝熔深较浅；

(2)当TIG电弧电流较大时，容易导致InFocus焊枪阴极烧损；

(3)相对于激光焊接，激光-TIG电弧复合焊接速度可以到达其两倍以上，但在高速 焊接过程中，TIG电弧稳定性较差，焊接质量不易保证；

(4)在薄板焊接时，由于TIG电弧的特性使得进一步提高焊接速度受到限制。

发明内容

本发明的目的是针对激光-TIG复合焊接存在的问题，提出一种新方法—激光-InFocus 电弧双焦点复合焊接新技术。

本发明的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

一、焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，并对加工后的双面坡口及两侧表 面进行打磨并清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；

二、利用夹具将激光头与InFocus焊枪固定，若焊接对象为对焊接激光无反射的材料， 则将激光头垂直于焊接对象，调节InFocus焊枪与焊接对象角度至45～60°，并使InFocus 焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～3mm，两热源作用点相距1～2mm；若焊接对象 为对焊接激光有反射的材料，则将InFocus焊枪垂直于焊接对象，调节激光束与水平面的 夹角至45～60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～6mm，两热源作 用点相距1～2mm；

三、设置焊接工艺参数:光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率 500～5000W；电弧电流为50～1000A，焊接速度为50～900mm/min，保护气采用Ar气， 保护气流量为10～30L/min；

四、采用机器人集成系统控制步骤三设置的焊接工艺参数，首先采用InFocus电弧起 弧，在电弧稳定1～2S后，向激光束和电弧相互作用的熔池区域送给焊丝，通过控制机 器人使激光工作头和InFocus焊枪共同运动完成焊接过程，即完成所述的激光-InFocus电 弧双焦点复合焊接。

激光-InFocus电弧双焦点复合焊接是指将激光与InFocus电弧两种热源互成一定角度 共同作用于一个焊接熔池的新方法，如图1所示。激光-InFocus电弧双焦点复合焊接有两 种复合方式：复合方式一，激光垂直作用于母材，InFocus电弧与竖直方向呈一定角度作 用于母材；复合方式二，电弧垂直作用与母材，而激光与竖直方向呈一定角度作用于母材。

InFocus技术是一种利用特殊材料设计制成的阴极，并且对阴极充分冷却，使电弧高 度聚集于电极尖端，极大的提高了能量密度，电弧稳定性和电弧压力。InFocus技术具有 传统的TIG焊的优点，尤其在于：(1)低投入，相比等离子弧焊、激光焊接，其设备成本 大幅降低；(2)对装配要求低；(3)应用广泛，可适用于各种材料焊接，焊接参数可识别性 好；(3)焊接烟尘小，飞溅小；(4)保护需求与TIG一致；(5)加工稳定性和可重复性好。

InFocus电弧受到机械压缩并优化了阴极冷却设计，使其具有一下优点：(1)电弧能 量高度集中，能量利用率提高，电流峰值高达1000A，可进行匙孔焊接，焊接熔深显著增 加，深宽比加大，显著提高了生产效率；(2)电弧等离子体体积减小，气体保护效果更好； (3)无磁偏吹(4)InFocus焊枪设计科学，经久耐用，耗材更换简单，且更易实现机械 化和自动化。

基于此，本发明提出了一种新的激光-TIG电弧复合焊接方法——激光-InFocus电弧 双焦点复合焊接。

激光-InFocus电弧双焦点复合焊接相比于激光-TIG复合焊的有益效果表现为以下几 点：

1、InFocus电弧能量密度集中，电弧电流峰值可以高达1000A，相对于传统的TIG 电弧400A的峰值提高了能量利用率，从而可以降低激光能量，降低生产成本。激光 -InFocus电弧双焦点复合焊接可焊接中厚板，弥补了激光-TIG电弧复合焊接主要应用在 薄板焊接的不足；

2、InFocus可实现高速焊接，既解决了激光-TIG复合焊接时，激光与TIG焊接速度 不匹配的问题，也极大的提高了生产效率；

3、由于InFocus电弧重新设计了阴极位置，电弧受到外部约束压缩，在复合焊接过 程中，等离子体受到保护气的效果更好，提高焊接质量；InFocus电弧更易实现机械化和 自动化，激光-InFocus电弧双焦点复合焊接也相应地更易实现自动化，可以提高焊接效率， 降低焊接成本。

附图说明

图1为激光-InFocus电弧双焦点复合焊接针对焊接激光无反射的材料的焊接示意图；

图2为激光-InFocus电弧双焦点复合焊接针对焊接激光有反射的材料的焊接示意图；

图3为采用激光-InFocus电弧双焦点复合焊接的焊缝表面成型图；

图4为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度 为500mm/min的焊缝表面成型图；

图5为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度 为200mm/min的焊缝表面成型图；

图6为采用激光-InFocus电弧双焦点复合焊接焊缝宏观金相图；

图7为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度 为500mm/min的焊缝宏观金相图；

图8为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度 为200mm/min的焊缝宏观金相图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法，它是按 照以下步骤进行的：

一、焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，并对加工后的双面坡口及两侧表 面进行打磨并清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；

二、利用夹具将激光头与InFocus焊枪固定，若焊接对象为对焊接激光无反射的材料， 则将激光头垂直于焊接对象，调节InFocus焊枪与焊接对象角度至45～60°，并使InFocus 焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～3mm，两热源作用点相距1～2mm；若焊接对象 为对焊接激光有反射的材料，则将InFocus焊枪垂直于焊接对象，调节激光束与水平面的 夹角至45～60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2～6mm，两热源作 用点相距1～2mm；

三、设置焊接工艺参数:光斑直径为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率 500～5000W；电弧电流为50～1000A，焊接速度为50～900mm/min，保护气采用Ar气， 保护气流量为10～30L/min；

四、采用机器人集成系统控制步骤三设置的焊接工艺参数，首先采用InFocus电弧起 弧，在电弧稳定1～2S后，向激光束和电弧相互作用的熔池区域送给焊丝，通过控制机 器人使激光工作头和InFocus焊枪共同运动完成焊接过程，即完成所述的激光-InFocus电 弧双焦点复合焊接。

本实施方式的InFocus焊接采用Kjellberg公司生产的InFocus 1000A型号的焊机。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的坡口加工 是指加工成双V型坡口、双U型坡口、双Y型坡口或带钝边双U型坡口。其他与具体实 施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的对焊接激 光无反射的材料为普通碳钢、低合金钢、TC₄钛合金或铜基铁基金属基复合材料。其他与 具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：激光器为CO₂气体激光 器、YAG固体激光器或半导体激光器。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的InFocus 焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离均为5mm，两热源作用点相距1～2mm。其他与具体 实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径 为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率1000～5000W；电弧电流为200～1000A，焊 接速度为100～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为15～30L/min。其他与具体实施方 式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径 为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率2000～5000W；电弧电流为500～1000A，焊 接速度为300～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min。其他与具体实施方 式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径 为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率3000～5000W；电弧电流为700～1000A，焊 接速度为500～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为25～30L/min。其他与具体实施方 式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径 为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率4000～5000W；电弧电流为800～1000A，焊 接速度为700～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为28～30L/min。其他与具体实施方 式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的光斑直径 为0.3mm，离焦量在﹣3～﹢3mm，激光功率4500～5000W；电弧电流为900～1000A，焊 接速度为800～900mm/min，保护气采用Ar气，流量为28～30L/min。其他与具体实施方 式一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：对焊接激光有反射的材 料为铝合金。其他与具体实施方式一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同 样也可以实现发明的目的。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

分别采用激光-InFocus电弧双焦点复合焊接与激光-TIG复合焊接方法来焊接5mm厚 的2219铝合金。

实施例1

本实施例激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法操作如下：

步骤一：焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口，钝边厚度 为4mm，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固 定在焊接工装夹具上；

步骤二:采用激光-InFocus电弧双焦点复合焊接5mm厚2219铝合金，利用夹具将激 光头与InFocus焊枪刚性固定，由于铝合金表面反射率较大，为避免激光被熔池近距离反 射经光路系统返回激光器内部损坏激光器，采用复合方式二，此时，将InFocus焊枪垂直 于母材，激光束与水平面的夹角约为60°，保证InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的 距离约为5mm，两热源作用点相距1～2mm，离焦量设定为0mm，激光功率1500W，电 弧电流在700A左右，焊接速度在500mm/min，保护气采用Ar气，流量在25L/min，在 焊接中，首先InFocus电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，在激光束和电弧相互作用的温 度最高的区域送给焊丝，使得焊丝能够迅速熔化，最后控制机器人使得激光工作头和 InFocus焊枪共同运动完成焊接过程；

步骤三:采用激光-TIG电弧复合焊接5mm厚2219铝合金，其焊接系统的组装与激 光-InFocus电弧双焦点复合焊接类似，焊接过程参见步骤二，焊接中，离焦量设定为0mm， 激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min和200mm/min，保护气采 用Ar气，流量在25L/min。

图3，图6为采用激光-InFocus焊接方式，在激光功率为1500W，电弧电流为700A， 焊接速度为500mm/min时焊缝表面成型和宏观金相。图4，图7为采用激光-TIG电弧复 合焊接方式，在激光功率为3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min焊缝表 面成型和宏观金相。图5，图8为采用激光-TIG电弧复合焊接方式，在激光功率为3500W， 电弧电流为250A，焊接速度为200mm/min焊缝表面成型和宏观金相。

可以看出，当采用激光-InFocus焊接方法时，电弧电流峰值可以高达700A，InFocus 电弧能量密度集中，可以实现匙孔焊接，与激光复合后可以实现双焦点焊接，从而可以降 低激光能量，降低生产成本。从图3，图6看出，表面成形平整美观、均匀一致，宏观金 相检查也没有明显的缺陷，在焊接5mm厚2219铝合金时焊接效果较好。

传统的TIG电弧等离子体体积较大，能量密度低，使得焊缝熔深较浅，在焊接较厚 板时则需要激光功率较大。图4，图7为采用激光-TIG电弧复合焊接方式，在激光功率 3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min的焊缝表面成型和宏观金相。可以看 出，当焊接速度为500mm/min时，焊缝表面鱼鳞状花纹紊乱，说明在焊接过程中激光与 电弧复合过程稳定性不能得到保证，导致焊接稳定性较差，纵截面表面表明其未能焊透， 说明焊接线能量不足不能使焊缝完全熔透。较低焊接速度，其效果如图5，图8所示，此 时，焊接效果与激光-InFocus焊接类似，但焊缝正面宽度较大，这是由于速度减小后，焊 缝上部热输入较大，使金属大量熔化。在降低了焊接速度后，相比于激光-InFocus复合双 焦点焊接，其焊接效率较低。

综上所述，激光-InFocus复合双焦点焊接方法是一种成本较低高效的中厚板焊接方 法。