技术领域
[0001] 本
发明属于焊接技术领域，特别是涉及一种法向送丝的激光-热丝TIG 复合焊接方法。
背景技术
[0002] 激光
电弧复合焊接是将物理性能、
能量传输机制截然不同的两种热源 复合在一起，同时作用于同一加工
位置，既能充分发挥两种热源各自的优 势，又相互弥补了各自的不足，从而形成了一种全新高效的焊接方法。其 中激光-TIG电弧复合焊接过程平稳，电弧
稳定性好，易获得良好的
焊缝成 形。
[0003]
激光焊接有深
熔焊和热导焊两种焊接模式，在厚板、中厚板窄间隙多 层焊接过程中，当采用深熔焊接模式的
激光束实现激光-TIG电弧复合焊接 时，极易产生小孔型气孔且很难消除；当采用热导焊接模式的激光束实现 激光引导TIG电弧的复合焊时，虽然焊接
质量较好，然而熔敷效率低、焊 接速度慢、热影响区大、焊接道次多，易导致较大的焊接应
力和残余变 形，对后期焊件校形增加了难度。
[0004] 热丝焊是在填充金属被送入熔池之前，通过加热使之达到一定
温度， 也就是
对焊丝进行预热，实现高速高效焊接的目的。目前，热丝的加热方 法主要包括
电阻加热和高频
感应加热。与电阻加热相比，高频感应加热具 有热丝效率高、加热速度快；适用于各种金属材料的
焊丝，特别是低电阻 率焊丝的加热；没有旁路
电流磁场干扰，消除了磁偏吹现象。因此，为提 高焊丝的熔敷速度，减少焊接道次并降低焊接
应力和残余
变形，采用热丝 焊是最佳解决方案之一。
[0005] 目前，激光-热丝TIG复合焊接时，均是将激光置中，热丝和TIG电 弧分别置于激光束的前后侧，三者作用于同一熔池及其附近区域。当采用 高频感应加热热丝时，焊丝加热区间的加热温度和加热深度均可实现精确 控制。然而，由于加热装置原因，焊丝的加热区间距离熔池还有一段距 离，精确控温的焊丝经过该距离、送入熔池前，在热
辐射和热传导等因素 的影响下，热丝存在一定的热损耗，即热丝温度会产生一定下降。对于散 热快的金属材料，热丝的热损耗相对更大，降低了热丝的熔敷效率。
[0006] 因此，基于
现有技术的不足，
发明人提供了一种法向送丝的激光-热丝 TIG复合焊接方法。
发明内容
[0007] 本发明
实施例提供了一种法向送丝的激光-热丝TIG复合焊接方法， 通过将激光束、非
熔化电极与持续加热的焊丝进行优化复合，使高频感应 加热热丝在加热区间到熔池的
散热区间内，获得激光束和非熔化电极弧柱 区的二次加热，能够显著降低热丝在该散热区间内的热损耗，进一步提高 热丝的熔敷效率。
[0008] 本发明的实施例提出了一种法向送丝的激光-热丝TIG复合焊接方 法，该方法包括：
[0009] 在被焊接厚板上的焊接部位设计出焊接坡口，利用大功率激光深熔穿 透焊接实现坡口钝边的打底焊；
[0010] 采用激光束、非熔化电极与持续加热的焊丝复合的方式对被焊接厚板 坡口进行逐层填充焊，焊接过程中，应依据
单层填充厚度调节复合焊炬到 熔池的高度位置，其中，所述焊丝通
过热丝加热装置感应加热，在焊接进 给方向上，所述激光束设在所述焊丝的前方，所述非熔化电极设在所述焊 丝的后方，并置于惰性气体
保护罩中；
[0011] 采用上述复合焊接方式对被焊接厚板的坡口焊缝进行盖面焊，完成复 合焊接。
[0012] 进一步地，在采用激光束、非熔化电极与持续加热的焊丝复合的方式 焊接过程中，三者共同作用在被焊接厚板坡口的熔池及其附近，激光束的 焦点与焊接表面的离焦形式为正离焦，离焦量为5mm～30mm。
[0013] 进一步地，离焦激光束在焊接表面的光斑直径为3mm～10mm。
[0014] 进一步地，在复合焊接过程中，激光束与焊接表面法向的夹
角为 30°～45°，在复合焊接过程中，激光束能够同时对焊接表面和焊丝进行 直接照射加热，在整个焊接过程起到预热作用。
[0015] 进一步地，所述激光束为光纤激光或YAG激光，激光束的焦长为 150mm～500mm。
[0016] 进一步地，在复合焊接过程中，加热的焊丝与焊接表面法向的夹角为- 10°～+10°。
[0017] 进一步地，非熔化电极的TIG电弧钨极尖端与焊接表面法向的倾角为 30°～45°，所述钨极尖端与焊接表面的垂直距离为3mm～5mm，所述钨极 尖端与加热焊丝到焊接表面的作用点之间的
水平距离为3mm～5mm。
[0018] 进一步地，所述焊丝的直径为0.8mm～1.6mm，所述激光束的轴心与 所述焊丝的轴心距离为±2mm。
[0019] 进一步地，所述热丝加热装置和所述焊丝的
送丝机构均连接热丝电 源，用于为送丝机构提供动力源，同时提供热丝加热装置的热源。
[0020] 进一步地，在被焊接厚板上的焊接部位设计出的焊接坡口为Y型坡口 或U型坡口，采用Y型坡口或U型坡口时，坡口与钝边交界处设计有一 小平台，平台宽度为2mm～4mm，钝边的单边为2mm～4mm；采用Y型 坡口时，Y型坡口的坡口角度常取20°～60°。
[0021] 综上，本发明的法向送丝的激光-热丝TIG复合焊接方法的有益效果 有：
[0022] (1)热丝置于激光束和非熔化电弧的中间且基本与焊接平面呈法 向，三者共同作用于熔池及其附近。焊丝经热丝加热装置加热后，在送入 熔池前的散热区间，热丝同时受激光束和TIG电弧弧柱的二次加热，不仅 抑制了热丝在散热区间的热损耗，而且能够进一步提高热丝温度，从而进 一步提高热丝的熔敷效率。。
[0023] (2)呈离焦状态的激光束作用于热丝的同时，还能够直接照射熔池 前沿附近的
母材，对母材起到预热作用，而且激光束产生的
等离子体也有 利于吸引和稳定TIG电弧，使TIG电弧弧柱区的等离子体
密度增加，更有 利于二次加热热丝。
[0024] (3)整个焊接过程在保持复合焊接过程稳定性的同时，填充效率更 高，更有利于抑制焊接
缺陷的产生和长大，尤其适用于厚板、中厚板的多 层焊或多层多道焊，在克服层间未熔合、
侧壁未熔合以及内部气孔等缺陷 方面具有显著优势，进而获得高质量的焊接接头。
附图说明
[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性 劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026] 图1是本发明实施例的一种法向送丝的激光-热丝TIG复合焊接方法 应用场景示意图。
[0027] 图中：
[0028] 1-激光束；2-焊丝；3-热丝加热装置；4-非熔化电极；5-惰性气体保护 罩；6-惰性气流；7-液态熔池；8-焊缝金属；9-焊接母材。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下 实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限 制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精 神的前提下
覆盖了零件、部件和连接方式的任何
修改、替换和改进。
[0030] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本
申请中的实施例及实施例中的 特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0031] 激光电弧复合焊接是将物理性能、能量传输机制截然不同的两种热源 复合在一起，同时作用于同一加工位置，既能充分发挥两种热源各自的优 势，又相互弥补了各自的不足，从而形成了一种全新高效的焊接方法。其 中激光-TIG电弧复合焊接过程平稳，电弧稳定性好，易获得良好的焊缝成 形。
[0032] 图1是一种法向送丝的激光-热丝TIG复合焊接方法应用场景示意 图。参见如图1所示，该复合焊接方法至少包括了以下步骤S110～步骤 S130：
[0033] 步骤S110：在被焊接厚板(参照图1中的焊接母材9)上的焊接部位 设计出焊接坡口，利用大功率激光深熔穿透焊接实现坡口钝边的打底焊。
[0034] 步骤S120：采用激光束1、非熔化电极4(TIG电弧钨极)与持续加 热的焊丝2复合的方式对被焊接厚板坡口进行逐层填充焊，焊接过程中， 应依据单层填充厚度调节复合焊炬到熔池(图1中的液态熔池7)的高度 位置，其中，所述焊丝2通过热丝加热装置3感应加热，在焊接进给方向 上，所述激光束1设在所述焊丝2的前方，所述非熔化电极4设在所述焊 丝2的后方，并置于惰性气体保护罩5中，在复合焊接过程中能够持续提 供惰性气流6。
[0035] 步骤S130：采用上述复合焊接方式对被焊接厚板的坡口焊缝进行盖面 焊，完成复合焊接。
[0036] 由上，本发明的法向送丝的激光-热丝TIG复合焊接方法，是在非熔 化极TIG电弧所形成的熔池前端，持续提供经热丝加热装置3加热的焊丝 2，焊丝2与焊接表面基本呈法向位置，焊丝2在热丝加热装置3的作用 下形成热丝加热区间，当焊丝2经过上述加热区间到熔池(图1中的液态 熔池7)之间的散热区间时，焊丝2的前方由激光束1辐射加热，焊丝2 的后方由非熔化极TIG电弧的弧柱区辐射加热，焊丝2的下方受熔池上方 的金属
蒸汽/等离子体
云辐射加热。在激光电弧复合焊接的能量耦合作用 下，焊丝2受激光束和TIG电弧的共同作用，不仅抑制了焊丝2在上述散 热区间的热损耗，而且还能够进一步提高焊丝温度，从而进一步提高热丝 的熔敷效率。
[0037] 上述复合焊接过程中，激光束1在前方，加热的焊丝2在中间，非熔 化极TIG电弧(图1中的非熔化电极4)在后方，三者共同作用于熔池及 其附近。激光束的焦点与焊接表面的离焦形式为正离焦，离焦量为5mm～ 30mm，激光束与竖直方面的倾角为30°～45°；热丝与竖直方面的倾角 为±10°；TIG电弧的钨极尖端与竖直方面的倾角为30°～45°，TIG电 弧的钨极尖端与被焊接厚板上焊接表面的垂直距离为3mm～5mm,TIG电 弧的钨极尖端与热丝到焊接表面的作用点之间的水平距离为3mm～5mm。
[0038] 上述复合焊接方法中，离焦激光束在
工件表面的光斑直径为3mm～ 10mm，上述焊丝的直径为0.8mm～1.6mm。在工件表面，上述激光束的 轴心与上述焊丝的轴心的距离为±2mm。焊接时，上述激光束能够同时对 工件表面和焊丝进行直接照射加热，对整个焊接过程起到预热功能，能够 有效克服窄间隙多层焊接过程中易产生的层间未熔合和侧壁未熔合缺陷。
[0039] 此外，热丝加热装置3和焊丝2的送丝机构均连接热丝电源，该热丝 电源能为焊丝2的送丝机构提供稳定动力源，并为热丝加热装置3的加热 功能提供了热源。本发明通过控制高频输出电流实现热丝温度的精确控 制，通过改变输出振荡
频率，利用高频感应
集肤效应，实现控制感应加热 的深度。
[0040] 上述激光束1为光纤激光或YAG激光，激光束的焦长为150mm～ 500mm。在上述激光束的作用下，由于激光电弧的耦合作用，TIG电弧弧 柱更趋于偏向激光束侧，更利于加热热丝。同时，利用激光束的功率动态 调节，更有利于实现焊丝的稳定过渡。
[0041] 上述焊丝2在未进入熔池前，依次经过热丝加热装置3的一次加热， 经过激光束1的照射和TIG电弧弧柱(图1中的非熔化电极4)共同作用 的二次加热，液态熔池7上方的金属蒸汽/等离子体云的三次加热，能够快 速到达或接近熔融状态；当焊丝2进入熔池中后，在高温液态熔池的第四 重热作用下，
加速转化为液态并成为熔池的一部分，与焊缝金属8熔焊形 成一体结构。整个焊接过程更加平稳，填充效率更高，更有利于抑制焊接 缺陷的产生和长大，进而获得高质量的焊接接头。
[0042] 下面采用机械手带动复合焊炬以实现焊接厚度为10mm～20mm的中 厚板焊件为例说明本发明的复合焊接方法，具体操作时，可以采用动光式 焊接或动件式焊接。参见图1所示，复合焊炬夹持激光焊接加工头、送丝 加热装置和TIG
焊枪，实现上述方法中的激光束1、焊丝2和非熔化电极 4的相对几何位置保持不变。针对厚板、中厚板的多层焊接或多层多道焊 接，采用下列步骤实现：
[0043] 步骤一：设计优化的焊接坡口，常取Y型坡口或U型坡口，坡口与 钝边交界处设计一小平台，平台宽度2mm～4mm，钝边一般取2mm～ 4mm；Y型坡口的坡口角度常取20°～60°。
[0044] 步骤二：利用大功率激光深熔穿透焊接实现钝边的打底焊。本步骤 中，激光深熔焊接的离焦量取0mm。
[0045] 步骤三：采用上述激光-热丝TIG复合焊接方法实现中间的逐层填充 焊，焊接过程中应依据单层填充厚度调节复合焊炬的高度位置，使激光束1、焊丝2和非熔化电极4与焊接平面的相对几何位置基本保持不变。采 用的激光束为光纤激光，激光束焦长为255mm，焦斑直径0.525mm。
[0046] 本步骤中，光束与竖直方面的倾角为40°，热丝与竖直方面的倾角为 0°，TIG电弧的钨极尖端与竖直方面的倾角为40°，TIG电弧的钨极尖 端与工件表面的垂直距离为4mm，TIG电弧的钨极尖端与热丝到工作表面 的作用点之间的水平距离为4mm。激光束的离焦量为+20mm，离焦后在 工件表面的光斑直径约为6mm；焊丝直径为1.2mm。
[0047] 步骤四：采用上述激光-热丝TIG复合焊接方法实现盖面焊；
[0048] 步骤五：完成激光及激光复合焊接。经验证，采用本发明的方法，能 够显著降低热丝在散热区间内的热损耗，进一步提高热丝的熔敷效率。
[0049] 需要明确的是，本
说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各 个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见装 置实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定 步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描 述。
[0050] 以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本 发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和 变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本申请的
权利要求范围内。
