一種激光-toptig復合焊接的方法
【專利摘要】一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，它涉及一種激光-TOPTIG復合焊接的方法。本發(fā)明的方法如下：步驟一：將待焊工件表面進行打磨或清洗，裝夾具；步驟二：設置幾何參數；步驟三：設置激光-TOPTIG復合焊接的焊接參數；步驟四：啟動控制開關，先通入保護氣，再引燃電弧1.0～2.0s后，發(fā)射激光，在激光束和電弧相互作用的溫度最高的區(qū)域送給焊絲，然后使激光器和焊槍沿焊縫一起移動，進行激光-TIG電弧焊焊接。采用本發(fā)明的焊接方法，簡化了操作程序，提高效率，保證焊接精度和穩(wěn)定性，提高焊縫質量。
【專利說明】—種激光-TOPTIG復合焊接的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，屬于材料加工工程領域。
【背景技術】
[0002]眾所周知，激光-電弧復合焊接作為一種新的現代激光焊接新方法，具有獨特的優(yōu)勢:①高效節(jié)能增加焊縫熔深，穩(wěn)定焊接電??；③提高了焊接適應性，可進行高速焊接；④通過調節(jié)兩種熱源能量的匹配，改善焊縫成型。復合焊接過程中，激光熱源主要有CO2激光，YAG激光，光纖激光等，復合的對象可以是TIG，MIG或者等離子弧等；其復合方式有同軸復合，旁軸復合，甚至是多電極與單激光復合。目前，激光電弧復合焊接已經應用于造船、汽車，石油化工等領域，表現出了很好的應用潛力。在復合焊接過程中，一般對于中厚板焊接，主要應用激光-GMA電弧復合焊接；對于薄板，一般應用激光-TIG電弧復合焊接。但是，在激光-TIG電弧復合焊接過程中，由于裝配不可避免的存在間隙、錯邊等問題，一般采用激光-TIG電弧復合填絲的焊接方法進行焊接，尤其是隨著板厚增加，都必須采用激光-TIG電弧復合填絲的焊接方法。
[0003]在激光-TIG電弧復合填絲焊接過程中，存在以下問題:
[0004]1、TIG焊槍和送絲裝置通過夾具固定在激光頭上，不能嚴格保證送絲的精確度，從而不能保證焊縫質量；
[0005]2、鎢極和送絲嘴的位置十分敏感，使得焊絲的送給角度和位置對熔滴的形成、長大、和過渡等過程影響較大，從而影響焊件過程的穩(wěn)定性；
[0006]3、TIG焊槍和送絲裝置固定在激光頭上，使得激光工作頭體積增大，限制了機器人的靈活性和可達性；
[0007]4、由于需人工調節(jié)鎢極、激光束和焊絲三者保持一條直線，調節(jié)優(yōu)化的工藝變量較多，提高了操作難度，降低了焊接精確性；
[0008]5、當焊接方向改變時，焊槍方向需要借助機器人的第六軸來控制，對于復雜的工件，還得增加一個轉胎(第七軸)。
[0009]這些缺點都限制了激光-TIG復合填絲焊接方法的普及和應用。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明針對現有激光-TIG電弧復合填絲焊接存在的上述問題，而提供了一種激光-TOPTIG復合焊接的方法。
[0011]本發(fā)明的一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，具體操作如下:
[0012]步驟一:焊接前，將待焊工件表面進行打磨或清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上；
[0013]步驟二:將激光和TOPTIG焊接共同作用在被焊區(qū)域，設置幾何參數:光斑直徑為
0.1?0.5mm,離焦量為-3?+ 3mm ;
[0014]步驟三:設置激光-TOPTIG復合焊接的焊接參數:電弧電流為50?400A，焊槍與豎直方向夾角為25°?55° ,焊接速度為50?500mm/min,送絲速度為50?600mm/min,焊絲與鎢極延長線的夾角為15°?30°，保護氣為惰性氣體；
[0015]步驟四:啟動控制開關，先通入保護氣，再引燃電弧1.0?2.0s后，發(fā)射激光，在激光束和電弧相互作用的溫度最高的區(qū)域送給焊絲，然后使激光器和焊槍沿焊縫一起移動，進行激光-TIG電弧焊焊接。
[0016]本發(fā)明的激光-TOPTIG復合焊接技術是利用激光焊接和TOPTIG焊接技術兩種不同熱源共同作用在同一區(qū)域形成熔池的新的焊接方法，如圖2所示。其中，TOPTIG焊的核心特點是送絲嘴和焊槍一體化集成設計并固定在激光工作頭上，焊絲以20°通過氣體噴嘴送入到鎢極端部的下方，焊絲的軸線方向和鎢極端部的錐面平行，焊絲端部可以十分靠近鎢極端部。激光束、鎢極端部和焊絲端部延長線相交于一點，共同作用形成一個匙孔。
[0017]本發(fā)明的激光-TOPTIG復合焊接技術相比于激光-TIG復合填絲焊的優(yōu)點表現為以下幾點:
[0018]1、熔滴的生成、長大和過渡過程穩(wěn)定，復合熱源形成的等離子體降低了送絲精度，簡化了操作程序；
[0019]2、相對TOPTIG焊單電弧能量，熔絲熔化來自于激光與電弧兩種熱源的作用，使得焊絲熔化速度加快，提高效率；
[0020]3、焊槍和送絲嘴的一體化集成設計減少了焊槍端部體積尺寸，減少了定位變量，可以提聞定位精確度和穩(wěn)定性，保證焊接精度和穩(wěn)定性，提聞焊縫質量；
[0021]4、由于這種特殊的送絲形式使得焊接過程中無需考慮焊絲的送進方向，提高了焊接機器人的靈活性和可達性，甚至可和激光-MIG復合焊接靈活性相媲美；
[0022]5、由于焊絲端部可以十分接近鎢極端部，激光束和電弧的能量能夠較多的使焊絲迅速熔化，獲得較高的熔覆率和焊接速度，在焊接薄板時，焊接速度可以接近甚至優(yōu)于激光-MIG復合焊；
[0023]6、鎢極到焊件的距離不再敏感，送絲嘴固定在焊槍上，無需調整焊絲位置和角度等特點使得焊接操作變得簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為激光-TIG復合填絲焊接示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明的激光-TOPTIG復合焊接示意圖；
[0026]圖3為激光-TIG復合填絲焊接鋁合金的焊縫表面成形圖；
[0027]圖4為激光-TIG復合填絲焊接鋁合金的焊縫縱截面金相圖；
[0028]圖5為激光-TIG復合填絲焊接鋁合金的焊縫X光檢測結果圖；
[0029]圖6為實施例1的激光-TOPTIG復合焊接鋁合金的焊縫表面成形圖；
[0030]圖7為實施例1的激光-TOPTIG復合焊接鋁合金的焊縫縱截面金相鏡圖；
[0031]圖8為實施例1的激光-TOPTIG復合焊接鋁合金的焊縫X光檢測結果圖。
【具體實施方式】
[0032]【具體實施方式】一:本實施方式的一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，具體操作如下:[0033]步驟一:焊接前，將待焊工件表面進行打磨或清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上；
[0034]步驟二:將激光和TOPTIG焊接共同作用在被焊區(qū)域，設置幾何參數:光斑直徑為
0.1?0.5mm,離焦量為-3?+ 3mm ;
[0035]步驟三:設置激光-TOPTIG復合焊接的焊接參數:電弧電流為50?400A，焊槍與豎直方向夾角為25°?55° ,焊接速度為50?500mm/min,送絲速度為50?600mm/min,焊絲與鎢極延長線的夾角為15°?30°，保護氣為惰性氣體；
[0036]步驟四:啟動控制開關，先通入保護氣，再引燃電弧1.0?2.0s后，發(fā)射激光，在激光束和電弧相互作用的溫度最高的區(qū)域送給焊絲，然后使激光器和焊槍沿焊縫一起移動，進行激光-TIG電弧焊焊接。
[0037]本實施方式的激光-TOPTIG復合焊接技術相比于激光-TIG復合填絲焊的優(yōu)點表現為以下幾點:
[0038]3、熔滴的生成和長大的過渡過程穩(wěn)定，復合熱源形成的等離子體降低了送絲精度，簡化了操作程序；
[0039]4、相對TOPTIG焊單電弧能量，熔絲熔化來自于激光與電弧兩種熱源的作用，使得焊絲熔化速度加快，提高效率；
[0040]3.焊槍和送絲嘴的一體化集成設計減少了焊槍端部體積尺寸，減少了定位變量，可以提聞定位精確度和穩(wěn)定性，保證焊接精度和穩(wěn)定性，提聞焊縫質量；
[0041]4、由于這種特殊的送絲形式使得焊接過程中無需考慮焊絲的送進方向，提高了焊接機器人的靈活性和可達性，甚至可和激光-MIG復合焊接靈活性相媲美；
[0042]5、由于焊絲端部可以十分接近鎢極端部，激光束和電弧的能量能夠較多的使焊絲迅速熔化，獲得較高的熔覆率和焊接速度，在焊接薄板時，焊接速度可以接近甚至優(yōu)于激光-MIG復合焊；
[0043]6、鎢極到焊件的距離不再敏感，送絲嘴固定在焊槍上，無需調整焊絲位置和角度等特點使得焊接操作變得簡單。
[0044]本實施方式根據TOPTIG焊的焊絲熔化的熔滴過渡形式分為連續(xù)接觸過渡和滴狀過渡兩種形式，激光-TOPTIG復合焊接的熔滴過渡形式也可以根據送絲速度不同分為如下兩種:
[0045]1、送絲速度較大時的連續(xù)接觸過渡，這是送絲速度和熔化速度達到平衡時在焊絲熔化的金屬盒熔池之間形成的連續(xù)接觸的熔滴過渡形式。其過程為，在電弧引燃穩(wěn)定和激光束共同作用下焊絲端部的熔化金屬盒熔池接觸，持續(xù)接觸建立起金屬橋，熔化的金屬以金屬橋的形式持續(xù)過渡，當送絲速度減小時，液態(tài)金屬橋形成頸縮，當停止送絲時，液態(tài)金屬橋發(fā)生斷裂。此種過渡形式下，焊絲過程穩(wěn)定，熔覆率高，焊接速度快且焊縫成形均勻一致，適合于所有的普通熔焊和釬焊焊絲的高速焊接。
[0046]2、送絲速度較小時的滴狀過渡，這是與MIG焊接過程中的短弧長亞射流過渡類似。焊絲熔化形成熔滴，隨著焊絲送進熔滴長大并與熔池接觸，形成液態(tài)金屬小橋頸縮，當頸縮斷開焊絲繼續(xù)熔化，形成一個個熔滴，當焊接過程結束后，熔滴停留在焊絲端部。此種過渡形式下的熔滴對熔池產生持續(xù)的沖擊力使得熔池產生振蕩，可以減少氣孔的缺陷，焊縫較寬且均勻一致，可用于小電流和低送絲速度的焊接。[0047]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述的TOPTIG焊的焊絲熔化的熔滴過渡形式分為連續(xù)接觸過渡和滴狀過渡。其它與【具體實施方式】一相同。
[0048]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:所述的連續(xù)接觸過渡形式的焊絲送絲速度大于滴狀過渡的焊絲送絲速度。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0049]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:所述的激光的發(fā)生的激光器為CO2氣體激光器、YAG固體激光器、半導體激光器或光纖激光器。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0050]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:所述的TIG電弧采用交流進行焊接。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0051]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:所述的惰性氣體為Ar氣。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0052]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是:所述的惰性氣體為惰性氣體的流量為10?30L/min。其它與【具體實施方式】一至六之一相同。
[0053]通過以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果:
[0054]實施例1
[0055]本實施例的一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，是按照以下步驟進行的:
[0056]步驟一:焊接前，將3mmLF6鋁合金表面進行打磨或清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上；
[0057]步驟二:將激光和TOPTIG復合焊共同作用在被焊區(qū)域，設置焊接參數:激光功率為2500W，離焦量為+2mm，激光束與豎直方向夾角為3°，電弧電流為60A，焊槍與豎直方向夾角為45°，鎢極端部延長線和激光束焦點的距離為2mm，焊絲與豎直方向夾角為20°，焊接速度為2.5m/min,送絲速度為200mm/min ；
[0058]步驟三:啟動控制開關，先通入保護氣，再引燃電弧1.0?2.0s后，發(fā)射激光，采用前進式送絲方式，在激光束和電弧相互作用的溫度最高的區(qū)域送給焊絲，然后使激光器和焊槍沿焊縫一起移動，進行激光-TIG電弧焊焊接。
[0059]激光-TOPTIG復合焊時，由于鋁合金激光焊接性較差，故本實施方式所述的TOPTIG焊的焊絲熔化的熔滴過渡形式為滴狀過渡形式保證焊接質量。
[0060]圖3至圖5為采用激光-TIG復合填絲焊焊接3mmLF6鋁合金焊縫表面成形、宏觀金相和X光檢測結果。由圖中可知看出，其焊縫表面成形粗糙不平，魚鱗狀花紋紊亂，說明在焊接過程中焊槍和送絲嘴的穩(wěn)定性和精確度不能得到保證，導致焊接穩(wěn)定性較差，縱截面表面其含有氣孔缺陷，焊縫的X光檢測結果進一步驗證了這個現象，焊縫中沿焊接方向氣孔率為6%，其對焊縫力學性能存在較大影響。
[0061]圖6至圖8為采用本實施例的激光-TOPTIG復合焊方法焊接3mmLF6鋁合金焊縫表面成形、宏觀金相和X光檢測結果。由圖可知看出，采用本實施例的方法，焊縫表面成形平整美觀、均勻一致，說明其焊接過程中TOPTIG焊槍的穩(wěn)定性和精度得到了保證，從而使得焊接過程穩(wěn)定，焊縫縱截面的金相結果表面不存在氣孔，X光檢測結果表明焊縫氣孔率有所下降，為3%，可以提高焊縫力學性能。
[0062]綜上所述，激光-TOPTIG復合焊新方法能夠在激光-TIG復合填絲焊接的基礎上提高焊接穩(wěn)定性和精度，改善焊縫成形和減少氣孔率，且提高焊接速度，是一個具有實際應用價值的新的復合焊接新方法。
[0063]實施例2
[0064]本實施例的一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，是按照以下步驟進行的:
[0065]步驟一:焊接前，將3mmLF6鋁合金表面進行打磨或清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上；
[0066]步驟二:將激光和TOPTIG復合焊共同作用在被焊區(qū)域，設置焊接參數:激光功率為2500W，離焦量為+2mm，激光束與豎直方向夾角為3°，電弧電流為60A，焊槍與豎直方向夾角為45°，鎢極端部延長線和激光束焦點的距離為2mm，焊絲與豎直方向夾角為20°，焊接速度為2.5m/min,送絲速度為200mm/min ；
[0067]步驟三:啟動控制開關，先通入保護氣，再引燃電弧1.0?2.0s后，發(fā)射激光，采用前進式送絲方式，在激光束和電弧相互作用的溫度最高的區(qū)域送給焊絲，然后使激光器和焊槍沿焊縫一起移動，進行激光-TIG電弧焊焊接。
[0068]激光-TOPTIG復合焊時，由于鋁合金激光焊接性較差，故本實施方式所述的TOPTIG焊的焊絲熔化的熔滴過渡形式為連續(xù)接觸過渡形式保證焊接質量。
[0069]本實施例的激光-TOPTIG復合焊接技術優(yōu)點為:
[0070]1、熔滴的生成和長大的過渡過程穩(wěn)定，復合熱源形成的等離子體降低了送絲精度，簡化了操作程序；
[0071 ] 2、相對TOPTIG焊單電弧能量，熔絲熔化來自于激光與電弧兩種熱源的作用，使得焊絲熔化速度加快，提高效率；
[0072]3、焊槍和送絲嘴的一體化集成設計減少了焊槍端部體積尺寸，減少了定位變量，可以提聞定位精確度和穩(wěn)定性，保證焊接精度和穩(wěn)定性，提聞焊縫質量；
[0073]4、由于這種特殊的送絲形式使得焊接過程中無需考慮焊絲的送進方向，提高了焊接機器人的靈活性和可達性，甚至可和激光-MIG復合焊接靈活性相媲美；
[0074]5、由于焊絲端部可以十分接近鎢極端部，激光束和電弧的能量能夠較多的使焊絲迅速熔化，獲得較高的熔覆率和焊接速度，在焊接薄板時，焊接速度可以接近甚至優(yōu)于激光-MIG復合焊；
[0075]6、鎢極到焊件的距離不再敏感，送絲嘴固定在焊槍上，無需調整焊絲位置和角度等特點使得焊接操作變得簡單。
【權利要求】
1.一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，其特征在于它的具體操作如下: 步驟一:焊接前，將待焊工件表面進行打磨或清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上； 步驟二:將激光和TOPTIG焊接共同作用在被焊區(qū)域，設置幾何參數:光斑直徑為0.1~0.5mm,離焦量為-3~+ 3mm ; 步驟三:設置激光-TOPTIG復合焊接的焊接參數:電弧電流為50~400A，焊槍與豎直方向夾角為25°~55° ,焊接速度為50~500mm/min,送絲速度為50~600mm/min,焊絲與鎢極延長線的夾角為15°~30°，保護氣為惰性氣體； 步驟四:啟動控制開關，先通入保護氣，再引燃電弧1.0~2.0s后，發(fā)射激光，在激光束和電弧相互作用的溫度最高的區(qū)域送給焊絲，然后使激光器和焊槍沿焊縫一起移動，進行激光-TIG電弧焊焊接。
2.根據權利要求1一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，其特征在于所述的TOPTIG焊的焊絲熔化的熔滴過渡形式分為連續(xù)接觸過渡和滴狀過渡。
3.根據權利要求2—種激光-TOPTIG復合焊接的方法，其特征在于所述的連續(xù)接觸過渡形式的焊絲送絲速度大于滴狀過渡的焊絲送絲速度。
4.根據權利要求1一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，其特征在于所述的激光的發(fā)生的激光器為CO2氣體激 光器、YAG固體激光器、半導體激光器或光纖激光器。
5.根據權利要求1一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，其特征在于所述的TIG電弧采用交流進行焊接。
6.根據權利要求1一種激光-TOPTIG復合焊接的方法，其特征在于所述的惰性氣體為Ar氣。
7.根據權利要求1或6—種激光-TOPTIG復合焊接的方法，其特征在于所述的惰性氣體為惰性氣體的流量為10~30L/min。
【文檔編號】B23K26/348GK104014933SQ201410255666
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權日:2014年6月10日
【發(fā)明者】雷正龍, 劉鳴, 陳彥賓, 胡雪, 楊雨禾, 陳曦, 吳藝超, 張芙蓉, 黃樂 申請人:哈爾濱工業(yè)大學