一种双CMT/双丝CMT辅助的激光焊接方法

摘要

一种双CMT/双丝CMT辅助的激光焊接方法，它涉及材料加工工程领域。本发明要避免单激光焊接存在过程不稳定、间隙适应性差等问题。本发明在CMT短路过渡的基础上，利用其短路过渡抑制激光等离子体喷发的特点，使用双CMT或双丝CMT辅助激光进行焊接，通过对两个CMT焊机脉冲进行控制，实现脉冲协调，二者交替起弧、短路，保证至少有一个焊丝与熔池接触处于短路状态，以实现抑制激光等离子体的作用。利用CMT短路过渡的特点，通过协调控制其交替短路过渡，可抑制激光等离子体喷发，保证焊接过程稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双CMT/双丝CMT辅助的激光焊接方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

激光焊接具有许多传统焊接方法无可比拟的优势，但激光焊仍存在许多局限性，如：(1)对接头间隙要求严格，装配难度高。(2)激光焊接时产生的匙孔及等离子体周期性波动，导致气孔缺陷等问题。(3)焊接高反射性材料时激光能量损失较多(4)熔池体积较小，冷却速度过快，尤其是在焊接裂纹敏感材料及高导热性材料时容易产生裂纹。而采用激光填丝焊时，焊丝会干扰激光能量的输入，熔化的液态金属在熔池前方也会对匙孔产生一定压力，不利于匙孔稳定。

激光-电弧复合热源焊接由于具有对焊缝装配适应性好、焊接一致性和稳定性好等明显优点，近年来在德国、日本等发达国家已先后进入了工业化应用阶段，电弧热源的加入有助于形成熔池，极大地增强桥接能力，避免激光反射，同时减缓冷却速度。但使用传统电弧焊方法(MIG/TIG)辅助激光进行焊接时，热输入量增加较多，且其目的更多的在于使用激光稳定电弧，而不是借助电弧提高激光焊接效果。当使用双丝或双电弧与激光进行复合时，主要目的在于增加熔覆效率，热输入量增加显著。

CMT技术是由奥地利FRONIUS公司开发的，它将送丝与熔滴过渡过程进行数字化协调。CMT电弧焊接电流小、热输入小、飞溅小和焊后变形小，焊缝金属的冶金质量高，这种方法特别适合于薄板焊接。由于CMT过渡模式与普通MIG/MAG焊不同，因此其复合方式及复合效果也有所改变，目前，关于激光-CMT复合焊接的相关专利CN200910078404.1提出了一种激光-冷金属过渡电弧复合热源焊接方法，CN201410818119.X提出了一种铜合金激光-冷金属过渡复合热源增材制造的方法，但前者只是表明激光可以稳定电弧，而后者是针对铜合金提出了一种工艺规范，激光也只是起到稳定电弧的作用。关于双电弧辅助激光焊接的相关专利如CN201210290257.6与CN201611035438.9，其目的均为增加熔覆效率。

在前期进行激光-CMT复合焊接工艺特性探索时发现，由于CMT过渡形式不同于普通的MIG/MAG焊，为短路过渡，因此当焊丝接触熔池时，对激光匙孔施加一定的压力，激光等离子体迅速消失，在焊丝开始回抽后等离子体又恢复喷发状态的迹象，如图1所示。

由于采用的是旁轴复合方式，当焊丝回抽，而电弧能量较小时，激光与电弧完全分离，甚至失去复合效果，图2为光丝间距3mm时的高速摄像图片，可以看到电弧与激光间距较大，无法形成复合等离子体。除此之外，即使光丝间距满足激光与电弧耦合的要求，通过改变焊枪角度，同样可以利用其回抽作用达到分离电弧与激光的目的，减小电弧对激光的影响，避免引起激光等离子体喷发。

发明内容

本发明提出了一种双CMT/双丝CMT辅助的激光焊接方法，用以避免单激光焊接所存在过程不稳定、间隙适应性差等问题，同时可起到消除气孔、裂纹缺陷的作用。

本发明的一种双CMT/双丝CMT辅助的激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

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、I型坡口或Y型坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，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:利用夹具将激光头与两个CMT焊枪或一个双丝CMT焊枪刚性固定，焊枪轴线与母材夹角为30～40°，两CMT焊枪/焊丝夹角为0～30°；

步骤三:设置焊接工艺参数:

离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为500～5000W，电弧电流为30～50A，弧长修正系数为-30％～+30％，电感修正系数为-20％～+20％，光丝间距为1～3mm，焊接速度为0.8～5m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO₂与Ar混合气，流量在0.2～0.6MPa；

步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后电弧起弧焊接，采用电流电压检测设备对CMT焊接状态进行检测，使用软件对其进行分析，控制CMT焊机使两者交替起弧，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。

在CMT短路过渡的基础上，利用其短路过渡抑制激光等离子体喷发的特点，使用双CMT或双丝CMT辅助激光进行焊接，其复合示意图如图3所示，其中，α为焊枪轴线与母材夹角，β为两CMT焊枪/焊丝夹角，当使用双CMT辅助激光进行焊接时，可以更自由的调整两个CMT焊枪的位置，并进行协调控制；而当仅需要固定两个CMT焊丝位置，且焊丝间夹角β较小时，可使用双丝CMT辅助激光进行焊接，便于调整和控制。

使用基于LabVIEW软件控制系统对其电流电压波形进行分析，通过对两个CMT焊机脉冲进行控制，实现脉冲协调，如图4所示，二者交替起弧、短路，如图5及图6所示，分别为图4中波形处于A、B两点时的电弧状态，保证至少有一个焊丝与熔池接触处于短路状态，以实现抑制激光等离子体的作用。

在本发明的双CMT/双丝CMT辅助的激光焊接方法中，激光器可以采用CO₂气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器，焊机可以采用型号CMT2700的福尼斯CMT焊机，最大焊接电流270A；1台KUKA机器人，焊接过程中工艺参数的调整通过KUKA机器人编程实现。

本发明相比于常规的激光焊或激光填丝焊来说，主要有以下几点优势：

1、利用CMT短路过渡的特点，通过协调控制其交替短路过渡，可抑制激光等离子体喷发，保证焊接过程稳定性。

2、CMT电弧电流及电弧压力较小，熔池较为稳定，同时由于起到了填充焊丝和扩大、延长熔池的作用，可改善焊缝成形及减少气孔裂纹等缺陷。

3、相比于常规的激光填丝焊，焊丝并没有直接干扰激光，焊接过程较为稳定，且当使用CMT在前、激光在后的复合方式时，可在熔池侧方送进焊丝，减小对激光匙孔前壁的压力，减少气孔缺陷。

附图说明

图1为短路过渡抑制等离子体喷发照片；

图2为光丝间距3mm时的高速摄像照片；

图3为双CMT/双丝CMT辅助的激光焊接复合示意图；

图4为双CMT脉冲控制示意图；其中，A为CMT2的脉冲曲线；B为CMT1的脉冲曲线；

图5为图4中A点对应的CMT1脉冲控制示意图；

图6为图4中B点对应的CMT2脉冲控制示意图；

图7为实施例1常规激光焊接的焊缝正面成形图；

图8为实施例1常规激光焊接的焊缝正面宏观金相图；

图9为实施例1常规激光焊接装配间隙较大时的焊缝正面成形图；

图10为实施例2激光填丝焊获得的端接接头正面成形图；

图11为实施例2激光填丝焊获得的端接接头纵截面图；

图12为实施例3焊接得到的焊缝正面成形图；

图13为实施例3的焊缝纵截面图；

图14为实施例3的焊缝X光检测结果图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种双CMT/双丝CMT辅助的激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

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、I型坡口或Y型坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，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:利用夹具将激光头与两个CMT焊枪或一个双丝CMT焊枪刚性固定，焊枪轴线与母材夹角为30～40°，两CMT焊枪/焊丝夹角为0～30°；

步骤三:设置焊接工艺参数:

离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为500～5000W，电弧电流为30～50A，弧长修正系数为-30％～+30％，电感修正系数为-20％～+20％，光丝间距为1～3mm，焊接速度为0.8～5m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO₂与Ar混合气，流量在0.2～0.6MPa；

步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后电弧起弧焊接，采用电流电压检测设备对CMT焊接状态进行检测，使用软件对其进行分析，控制CMT焊机使两者交替起弧，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：利用夹具将激光头与两个CMT焊枪或一个双丝CMT焊枪刚性固定，焊枪轴线与母材夹角为30～40°，两CMT焊枪/焊丝夹角为10～30°。其它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点在于：利用夹具将激光头与两个CMT焊枪或一个双丝CMT焊枪刚性固定，焊枪轴线与母材夹角为30～40°，两CMT焊枪/焊丝夹角为20～30°。其它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点在于：设置焊接工艺参数:

离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为1000～5000W，电弧电流为30～50A，弧长修正系数为-20％～+20％，电感修正系数为-10％～+10％，光丝间距为1～3mm，焊接速度为0.8～4m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO₂与Ar混合气，流量在0.2～0.6MPa。其它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点在于：设置焊接工艺参数:

离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为1000～4000W，电弧电流为30～50A，弧长修正系数为-10％～+20％，电感修正系数为-10％～+10％，光丝间距为1～3mm，焊接速度为0.8～3m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO₂与Ar混合气，流量在0.2～0.6MPa。其它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点在于：设置焊接工艺参数:

离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为2000～4000W，电弧电流为30～50A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，光丝间距为1～3mm，焊接速度为0.8～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO₂与Ar混合气，流量在0.2～0.6MPa。其它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点在于：设置焊接工艺参数:

离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为2000～3000W，电弧电流为30～50A，弧长修正系数为-10％～+10％，电感修正系数为-10％～+10％，光丝间距为1～3mm，焊接速度为1.0～2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO₂与Ar混合气，流量在0.2～0.6MPa。其它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点在于：设置焊接工艺参数:

离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为2000～3000W，电弧电流为30～50A，弧长修正系数为-10％，电感修正系数为-10％，光丝间距为1～3mm，焊接速度为1.0～1.5m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO₂与Ar混合气，流量在0.2～0.6MPa。其它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点在于：设置焊接工艺参数:

离焦量为﹣2～﹢3mm，激光功率为3000W，电弧电流为30～50A，弧长修正系数为-10％，电感修正系数为-10％，光丝间距为2mm，焊接速度为1.2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO₂与Ar混合气，流量在0.3～0.6MPa。其它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点在于：设置焊接工艺参数:

离焦量为1mm，激光功率为3000W，电弧电流为30A，弧长修正系数为-10％，电感修正系数为-10％，光丝间距为2mm，焊接速度为1.2m/min；焊枪保护气采用纯Ar气或CO₂与Ar混合气，流量在0.4MPa。其它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点在于：所述的使用软件对其进行分析是采用基于LabVIEW软件控制系统进行的。其它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：

利用本发明方法及常规激光焊、激光填丝焊进行2mm厚不锈钢端接接头焊接试验。具体试验方法如下：

实施例1

常规激光焊焊接2mm厚不锈钢端接接头：

步骤一:焊接前，将待焊工件的待焊接部位及两侧表面进行打磨和清洗，不开坡口，对接间隙0mm，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:利用特制夹具将激光头与保护气装置刚性固定；

步骤三:设置焊接工艺参数:

离焦量+1mm，激光功率3500W，焊接速度1.2m/min。保护气采用CO₂与Ar混合气，流量在0.6MPa。

步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后控制机器人使得激光头运动完成焊接过程。

实施例2

常规激光填丝焊焊接2mm厚不锈钢端接接头：

步骤一:焊接前，将待焊工件的待焊接部位及两侧表面进行打磨和清洗，不开坡口，对接间隙0mm，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:利用特制夹具将激光头与保护气装置、送丝装置刚性固定；

步骤三:设置焊接工艺参数:

离焦量+1mm，激光功率3500W，送丝速度1m/min，焊接速度1.2m/min。保护气采用CO₂与Ar混合气，流量在0.6MPa。

步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后开始送丝，最后控制机器人使得激光头运动完成焊接过程。

实施例3

采用本发明的方法焊接2mm厚不锈钢端接接头：

步骤一:焊接前，将待焊工件的待焊接部位及两侧表面进行打磨和清洗，不开坡口，对接间隙0mm，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:利用特制夹具将激光头与两个CMT焊枪刚性固定，调整其方位及角度，焊枪轴线与母材夹角40°，两CMT焊丝夹角30°；

步骤三:设置焊接工艺参数:

离焦量为﹢1mm，激光功率3000W，电弧电流30A，弧长修正系数-10％，电感修正系数-10％，光丝间距2mm，焊接速度1.2m/min。焊枪保护气采用CO₂与Ar混合气，流量均为0.4MPa。

步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后电弧起弧焊接，采用电流电压检测设备对CMT焊接状态进行检测，使用软件对其进行分析，控制CMT焊机使两者交替起弧，最后控制机器人使得激光头和焊枪共同运动完成焊接过程。

图7及图8为实施例1采用常规激光焊焊接的2mm厚不锈钢端接接头的焊缝正面成形及焊缝横截面宏观金相。可以看到，使用常规激光焊接方法，由于没有外加金属填充，焊缝有所内凹，严重时形成塌陷，如图9，为装配间隙较大时的焊缝正面成形，可看到正面熔化不够充分，中心塌陷，成形较差。

图10为实施例2使用激光填丝焊获得的端接接头，可发现焊缝经过填充，消除塌陷，但成形有明显波动，图11为该接头纵向截面宏观照片，可看到沿焊缝中心分布较多气孔，说明焊接过程不够稳定。

图12为实施例3使用本发明方法焊接2mm厚不锈钢端接接头获得的焊缝正面成形，图13为其纵向截面，图14为其X光检测结果。可发现焊缝正面成形较好，且较为稳定，焊缝内部不存在气孔缺陷，符合ISO13919的Ⅰ级焊缝标准。

经过拉伸/剥离测试，常规激光焊接头平均断裂强度为181MPa左右，而使用本方法焊接获得的接头平均强度为216MPa。