一种激光扫描结合激光热丝TIG复合焊接方法 |
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| 申请号 | CN201710682020.5 | 申请日 | 2017-08-10 | 公开(公告)号 | CN107414303A | 公开(公告)日 | 2017-12-01 |
| 申请人 | 上海交通大学; | 发明人 | 张轲; 张裕明; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种激光扫描结合激光热丝TIG复合 焊接 方法，由扫描 激光焊接 和激光热丝TIG复合焊接组成而成。焊接时，在 焊丝 送入熔池前由小功率激光加热焊丝，TIG 电弧 和扫描激光同时作用于熔池，仅需很少的一部分热量加热送入熔池的焊丝。一方面通过小功率激光的预热作用提高焊丝的 熔化 效率、另一方面扫描激光对熔池的搅拌作用，降低 温度 梯度，改善 凝固 结晶过程，提高焊接接头性能，扫描轨迹可以为圆形、正弦、三 角 形等任意形式，也可以针对特定的区域和范围扫描，同时由于激光电弧的相互增强耦合作用，也增加了熔深。该种方法既保证了TIG焊的高 质量 ，又提高了效率，改善了焊接质量，抑制了焊接 缺陷 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种激光扫描结合激光热丝TIG复合焊接方法，其特征在于，在焊丝送入熔池前，通过加热激光对焊丝进行预加热，其中，所述加热激光与熔池的TIG焊枪加热焊接形成激光热丝TIG复合焊；在焊丝送入熔池后，TIG焊枪的电弧和扫描激光同时作用于熔池。 |
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| 说明书全文 | 一种激光扫描结合激光热丝TIG复合焊接方法技术领域背景技术[0002] 传统热丝TIG焊(Tungsten Inert Gas Welding)中，多采用电阻加热的方法加热焊丝，即：使焊丝作为电路中的一部分，当其中有电流流过时，焊丝产生电阻热，因此焊丝被预热。这种工艺适用于碳钢、不锈钢等电阻率较大的材料的焊接，很难应用于铜、铝等高导电率材料的焊接。目前，鉴于铜、铝等材料在国防等领域的大量应用，适用于这些高导电率材料的热丝TIG焊焊接技术无疑对生产有着重要意义。 [0003] 经检索，专利号为CN200510009921.5、公开号为CN1686656A的专利文献提出了一种电弧加热热丝TIG焊方法，其基本原理是采用氩气保护的电弧为加热源，将输出电流可控的TIG电源的一端接于枪上，另一端接于送丝机送丝嘴处，在其间引燃电弧加热焊丝。该方法热丝效率很高,设备简单、成本低、不存在磁偏吹和高频，由于采用的是电弧作为热源，不受材料物性的影响，可加热包括铜、铝等在内的高导电率的材料。 [0004] 2006年焊接学报文献“铝合金高频感应热丝TIG焊接方法”提出高频感应加热热丝TIG焊新方法。采用高频感应加热设备，借助高频交变的磁场，在焊丝上成高密度的涡流，从而达到加热焊丝的目的。与传统热丝TIG焊接相比：加热速度快，热丝效率高，低耗环保,可以精确控制焊丝温度,没有焊丝电流磁场的干扰，消除了磁偏吹现象，可以确保焊接质量,适用于各种金属材质的焊丝，特别是低电阻率焊丝的加热。在铝镁及其合金等低电阻率材料的热丝TIG焊焊接中具有较大的优势。但缺点是高频对人健康不利，高频感应设备昂贵。 [0005] 上述热丝方法中，电阻式热丝TIG焊无法应用于铜铝等高导电率材料的加热，而高频感应加热虽然可以对任何材料都适用，但高频感应设备较为昂贵，且高频对人体健康有危害，而电弧热丝加热有微弱的弧光存在。尽管这三种热丝方法各有优缺点，但加热效率总体偏低，难以适应激光填丝等高效焊接方法。 [0006] 进一步地，激光热丝TIG复合焊接方法可通过小功率激光在焊丝送入熔池前对焊丝进行预热，既保证了具有TIG焊的焊接质量，同时又大大提高了焊接效率。但由于焊接效率提高，温度梯度增加，晶粒粗化，同时由于冷却时间较快，也容易产生裂纹，气孔等缺陷，对焊接质量和成形不利。 发明内容[0007] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种激光扫描结合激光热丝TIG复合焊接方法。本发明提供的方法是既高效、又能降低温度梯度、改善凝固结晶过程，又具有TIG的焊接质量的激光扫描结合激光热丝TIG焊接方法。 [0008] 根据本发明提供的一种激光扫描结合激光热丝TIG复合焊接方法，在焊丝送入熔池前，通过加热激光对焊丝进行预加热，其中，所述加热激光与熔池的TIG焊枪加热焊接形成激光热丝TIG复合焊；在焊丝送入熔池后，TIG焊枪的电弧和扫描激光同时作用于熔池。 [0009] 优选地，所述扫描激光为小功率激光，该小功率激光是指：焊接以TIG焊枪为主，扫描激光主要起搅拌熔池作用，改善熔池凝固结晶过程。 [0012] 优选地，所述加热激光为小功率激光；其中，所述小功率激光是指： [0013] -平均功率在10-500W的激光；或者 [0014] -激光功率小于激光加工头的激光。 [0015] 优选地，当利用TIG焊枪焊接时，通过加热激光发射激光加热焊丝，焊丝在进入熔池前进行预热，以减少电弧熔化焊丝的能量。 [0016] 优选地，用来送焊丝的送丝管的侧壁开设有激光加热焊丝小窗，所述加热激光通过激光加热焊丝小窗对送丝管中的焊丝进行预加热，焊丝经预加热后送入由TIG焊枪或者激光加工头进行加热的熔池。 [0018] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果： [0019] 1、激光的功率密度很高，只需要很小的功率就可以加热焊丝到所需的温度，其加热效率远远高于电阻热丝、电弧热丝、高频感应热丝等热丝方法； [0020] 2、相比于电阻式加热焊丝，通过小功率激光可以加热任何类型的材料，包括铝铜等高导电率的材料； [0021] 3、相比与电弧加热焊丝，由于激光的能量密度相比电弧要高很多，显然加热效率也要高很多。 [0022] 4、而相比高频感应加热焊丝，小功率激光并不贵，而且无高频感应对人体健康的危害。 [0023] 5、小功率激光加热焊丝也可以很方便与TIG复合，构成激光热丝TIG复合焊，热丝焊接的效率相比前面几种方法要高很多。 [0024] 6、增加了扫描激光就增加了熔化母材形成熔池的热量，同时激光与TIG电弧的相互耦合增强作用，进一步增加了热量，焊接效率显然进一步提高。 [0025] 7、与扫描激光复合，除了电弧与激光的相互耦合增强作用，增加了熔深，同时通过高速扫描熔池，实现了熔池的搅拌作用，改善了凝固结晶过程，细化了晶粒、改善了组织，抑制了气孔，裂纹等缺陷。 [0027] 9、对有差异性的两种材料的连接，可以通过选择特定的范围和区域进行扫描，通过有选择性的扫描，减少和平衡两种金属的热差异性，从而改善难焊材料的焊接适应性，对于具有差异性材料的连接具有较大的优势。附图说明 [0028] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。 [0029] 图1为激光热丝TIG-激光扫描焊接复合焊接方法原理示意图。 [0030] 图2、图3、图4为激光扫描的模式对比示意图，分别示出几种典型的激光扫描熔池轨迹。 [0031] 图中示出： [0032] 具体实施方式[0033] 下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。 [0034] 本发明提供了一种激光扫描结合激光热丝TIG复合焊接方法，由扫描激光焊接和激光热丝TIG复合焊接组成而成。焊接时，在焊丝送入熔池前由小功率激光加热焊丝，TIG焊枪的电弧和扫描激光同时作用于熔池，仅需很少的一部分热量加热送入熔池的焊丝。一方面通过小功率加热激光的预加热作用提高焊丝的熔化效率；另一方面扫描激光对熔池的搅拌作用，降低温度梯度，改善凝固结晶过程，提高焊接接头性能。扫描激光的扫描轨迹可以为圆形、正弦、三角形等任意形式，也可以针对特定的区域和范围扫描，同时由于扫描激光所提供激光与TIG焊枪所提供电弧之间的相互增强耦合作用，也增加了熔深。本发明提供的该种方法既保证了TIG焊的高质量，又提高了效率，改善了焊接质量，抑制了焊接缺陷。 [0035] 第一实施例 [0036] 如图1所示：第一实施例示出的为采用激光扫描结合激光热丝TIG焊复合焊接方法，如图1所示的相对位置关系。在焊丝送入熔池前，通过加热激光3对焊丝5进行预加热，其中，所述加热激光3与熔池的TIG焊枪2加热焊接形成激光热丝TIG复合焊；在焊丝5送入熔池后，TIG焊枪2的电弧和扫描激光1同时作用于熔池。 [0037] 扫描激光1的激光功率可在10-10KW，TIG焊枪2的电弧功率可在500-5KW，扫描激光1与TIG焊枪2之间的角度在15-60度。扫描激光1中心点与电弧熔池中心的距离DLA为1-6mm，而电极尖端至工件8的距离h为1-5mm，扫描激光1的激光扫描频率2-1000Hz,扫描范围0- 10mm。小功率的加热激光10-500W，氩气保护，保护气流量10-20l/min，焊丝送进速度1-22m/min。例如，扫描激光1的激光束的中心与TIG焊枪的电弧电极焊接熔池中心距离DLA为2mm； TIG焊枪2与扫描激光1中心位置的轴向之间的夹角为30度；TIG焊枪2的电极尖端距工件表面的距离h为4mm。扫描激光1的平均功率150W，激光扫描频率100Hz，用来焊丝预加热的加热激光3的激光功率100W，焊接脉冲电流100A，基值电流20A，脉冲频率为40Hz，焊接区氩气保护气流量为15L/min，热丝区氩气保护气流量为10l/min，焊接材料为3mm不锈钢对接，焊接速度为1.0m/min。 [0038] 其中，所述扫描激光1可以是小功率的，也可以是大功率的。当用小功率激光器形成所述扫描激光时，焊接以热丝TIG为主，小功率的扫描激光主要起搅拌熔池作用，通过激光扫描搅拌熔池，改善熔池的凝固结晶过程，细化晶粒、提高焊接质量和抑制焊接缺陷。当用大功率激光器形成所述扫描激光时，扫描激光主要与TIG焊电弧一起熔化母材，增加熔池，提高焊接效率为主，同时激光扫描熔池也对熔池进行了搅拌，降低了熔池的温度梯度，改善了熔池的凝固结晶过程，也有助于提高焊接质量和减少裂纹、气孔等缺陷。由于大功率激光的作用，热量要远高于小功率激光，同时通过小功率激光对焊丝进行预热，采用这种方法在改善焊接质量的同时，焊接效率同时得以大大提高。 [0039] 具体地，加热焊丝的加热激光3，在送丝管6的激光加热焊丝小窗位置加热焊丝5，焊丝5在溶入熔池前已经达到一定的温度，甚至在送入熔池时已经基本熔化，大大减小了TIG焊枪2的电弧7熔化焊丝5要消耗的热量。在加热激光3加热焊丝5的位置处同时采用氩气等惰性保护气4进行保护，避免加热的焊丝5氧化，从而保证焊接质量。其中，由于激光的功率密度很高，因此加热激光3优选为是一种小功率加热激光。 [0040] 当TIG焊接时，激光热丝TIG复合焊接，同时扫描激光1开始扫描焊接熔池。扫描激光1和TIG焊接2电弧同时加热母材形成熔池，同时用很少一部分的热量加热熔化已经通过小功率的加热激光3加热的焊丝。小功率加热激光3对焊丝5进行预热，降低了对TIG焊2电弧和扫描激光1热量的需求，这样可显著提高焊接过程的效率。同利用扫描激光1与电弧的相互增强耦合作用，增加熔深及提高效率，另外利用扫描激光1的扫描对熔池的搅拌作用，降低熔池的温度梯度、改善凝固结晶过程，细化晶粒，减少缺陷。焊接时扫描激光1对熔池施加搅拌的轨迹方法有多种多样，比如脉冲、圆形、正弦波、三角波等多种方法。当然还可以针对两种有差异性材料的连接选择有方向性地，选择性地扫描，减少和平衡两种金属的热差异性，从而改善难焊金属的焊接适应性。 [0041] 与所述激光热丝TIG复合焊接方法相应的复合焊接系统包括加热激光3、送丝管6、保护气4，还包括TIG焊枪2；其中，送丝管6的侧壁开设有激光加热焊丝小窗，加热激光3通过激光加热焊丝小窗对送丝管6中的焊丝5进行预加热，焊丝5经预加热后送入由TIG焊枪3结合扫描激光1进行加热的熔池。 [0042] 具体实现过程如下：当TIG焊接时，通过加热激光3发射小功率激光加热焊丝5，焊丝5在进入熔池前进行预热，减少了电弧以及激光熔化焊丝的能量，大大提高焊丝的填充效率，同时又保持有TIG焊类似的高焊接质量，可广泛用于航天、核电等许多重要构件的焊接，也方便用于电弧或者激光增材方面的焊接应用。 [0043] 进一步地，为达到更好的效果，需要设定材料，厚度、焊丝的类型，加热焊丝的功率，激光焊接的功率、TIG焊的功率(或者电流和电压)，焊接的速度等，保护的气流量等。对于第一实施例，加热激光3的激光平均功率可在10-500W，TIG焊的电弧功率可在5-50KW；例如，小功率的加热激光2的平均功率150W，TIG焊接脉冲电流100A，基值电流20A，脉冲频率为40Hz，保护气流量为15L/min，焊接材料为3mm不锈钢对接，焊接速度为0.6m/min。 |
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