[0001] 所属技术领域
[0002] 本
发明提出的一种激光-冷金属过渡电弧复合热源焊接方法属于复合热源焊接技术领域，特别涉及到该复合热源焊接方法可改善单独冷金属过渡电弧
焊缝的铺展性，并可取代非
熔化极惰性气体保护焊(TIG焊)焊接不锈
钢、高强钢、镍基
合金。
背景技术
[0003] 冷金属过渡技术简称CMT(Cold Metal Transfer)是Fornis公司在研究薄板焊接、无飞溅过渡技术及
铝与钢异种金属连接技术
基础上逐渐发展和成熟起来的一
门新的焊接技术。冷金属过渡技术(以下简称CMT)将送丝与熔滴过渡过程进行数字化协调，该过程的完成主要通过
焊枪上的
拉丝机构和送丝系统中的
送丝机构一起实现，焊枪上的拉丝机构实现
对焊丝的送进和快速回抽动作，送丝系统中的送丝机构实现对
焊丝的推进。焊接过程中，焊丝往
工件方向送进，当焊丝端部的熔滴
接触到熔池的瞬间，处理器检测到一个
短路信号，并将信号反馈给焊枪拉丝机构，此时，拉丝机构快速回抽焊丝，熔滴小桥被拉断，焊丝与熔滴分离实现短路过渡过程，短路过渡结束，电弧重新引燃，焊丝继续向前送进，重复前面的短路过渡过程。短路过渡发生时，电弧熄灭，且流经焊丝的
电流非常小，大约20安培，确保起到无飞溅过渡的作用。
[0004] 由于上述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CMT电弧特别适合于薄板焊接。但是由于CMT电弧焊的熔池
温度相对较低，特别在焊接中厚板金属时，液态焊缝金属在
母材表面
润湿性差、铺展性差、焊缝余高大，在采用多层多道焊时，易出现未熔合或夹渣等
缺陷。
[0005] 此外，采用纯Ar保护的CMT电弧焊接
不锈钢、镍基合金或高强钢时，由于保护气体中没有
氧化性气体，因此可以减少焊缝金属中的C、O等有害杂质元素的含量，从而能够改善焊缝的冶金性能，但是由于熔池中缺少氧化物，CMT电弧的
阴极斑点难于稳定，焊接过程中阴极斑点不停地漂移，表现为电弧飘动，挺度不足，焊接过程不稳定，对焊接质量有不利的影响。
发明内容
[0006] 针对背景技术中CMT弧焊焊缝铺展性不佳以及纯Ar保护的CMT电弧焊接存在的上述不足，本发明提出一种激光-冷金属过渡电弧复合热源的焊接方法，该方法可以很好地解决上述问题，实现高质量的焊接。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 1、一种激光-冷金属过渡电弧复合热源焊接方法，其中冷金属过渡电弧5位于纯Ar保护气体中，并且冷金属过渡电弧5的焊丝4在小电流下借助焊丝4快速回抽完成金属熔滴短路过渡焊接，该焊接热输入小、飞溅小、熔池温度低，其特征在于，[0009] 1)上述冷金属过渡电弧5与功率≥800W的
激光束2形成新的复合热源；
[0010] 2)激光束2采用
散焦，激光束2照射在被焊工件1表面上的激光斑直径为1-4mm；
[0011] 3)冷金属过渡电弧5的斑点既可位于激光束2的光斑之前，也可位于激光束2的光斑之后，两斑点中心间距L为0-8mm；
[0012] 4)冷金属过渡电弧5的焊枪3与
水平面夹
角θ为45°-75°。
[0013] 2、根据上述复合热源焊接方法，所述的
激光器可为CO2激光器、Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器或
半导体激光器。
[0014] 3、根据上述的复合热源焊接方法，纯Ar保护的复合热源焊接方法，能取代非熔化极惰性气体保护焊(TIG)焊接不锈钢、高强钢、镍基合金。
[0015] 4、根据上述复合热源焊接方法，该复合热源主要用于上述各类金属板材或管材焊接。
[0016] 本发明提出的一种激光-冷金属过渡电弧复合热源焊接方法解决了液态熔池铺展性不佳的问题，改善了焊缝成形，同时明显改善了纯Ar保护CMT电弧的
稳定性，提高了焊接质量和焊接效率。
附图说明
[0017] 图1本发明的一种激光-冷金属过渡电弧复合热源的焊接方法的示意图[0018] 图中1为被焊工件，2为激光束，3为CMT电弧5的焊枪，4为焊丝，箭头表示复合热源焊接方向，6为复合热源焊接形成的焊缝，L表示CMT电弧5的斑点与激光束2的斑点之间的中心距离，θ为焊枪3与水平面间的夹角。
[0019] 如图1所示，本发明提出的复合热源由CMT电弧5与激光束2组成，激光束2采用散焦的形式，即激光束2照射在被焊工件1表面上的激光束2的光斑直径为1-4mm，CMT电弧5的斑点与激光束2的光斑之间的中心距离L为0-8mm，焊枪3与工件表面夹角θ为45-75度。
[0020] 利用本发明提出的激光-冷金属过渡电弧复合热源焊接方法，在充分利用CMT电弧热输入低、飞溅小、焊缝变形小，焊接冶金质量高的优点的基础上，利用复合热源中激光的作用，克服了CMT电弧焊方法的不足，得到高质量的焊接。
[0021] 激光束对CMT电弧具有引导、压缩和稳定的作用，激光束对CMT电弧作用的机理大致如下：
[0022] 在采用Ar保护的CMT弧焊过程中，正如背景技术中说明的，由于阴极斑点难于稳定，电弧飘动、电弧挺度不够，焊接过程不稳定，当采用本发明的复合热源焊接方法时，
能量密度很高的激光束照射到工件熔池表面，被照射的区域温度迅速升高，达到金属
汽化温度后，熔池表面金属产生强烈汽化，结果使得电弧
等离子体中的金属
原子密度提高，金属原子与来自保护气体的原子相比，具有更低的电离能，这样，电弧就被强烈地吸引在金属
蒸汽密度比较高的区域燃烧，这时电弧的根部被牢固地吸引在工件表面激光照射区域，产生激光引导电弧的现象，起到了稳定CMT电弧阴极斑点的作用，从而增加了电弧的挺度，抑制了电弧漂移，因此，在无氧化气体的纯Ar保护条件下，可以稳定地实现优质、高效的焊接。
[0023] 在复合热源中，由于激光束2功率较大(≥800W)，激光束2能充分地对工件加热，从而改善熔池金属的铺展性和焊缝成形。
[0024] 具体实施方案
[0025] 利用本发明提出的一种激光-冷金属过渡电弧复合热源进行焊接试验，试验采用德国TRUMPF公司生产的HL2006D型Nd:YAG固体激光器，最大输出功率2.6KW，输出
波长为1.06μm的连续光波，采用焦距为200mm的聚焦透镜，CMT电弧电源为奥地利FRONIUS公司生产的TPS4000型数字化CMT
焊接电源及送丝系统。
[0026] 1、试验母材为304不锈钢，试板规格为200mm×40mm×7mm，采用Ф1.2mm的308L不锈钢焊丝，保护气体为纯Ar，气体流量为25L/min，试验为平板堆焊，焊后考察焊缝成形。
[0027] 焊接规范参数如下：
[0028] 焊接速度0.8m/min，送丝速度6.6m/min，焊接电流169A，电弧
电压19V，激光功率1000W，工件表面的光斑直径为1.8mm，光丝间距3mm，干伸长度16mm。
[0029] 焊后对平板堆焊焊缝的熔深、熔宽及余高进行测量，结果如下：
[0030]熔深(mm) 熔宽(mm) 余高(mm)
CMT弧焊 1.28 4.72 1.68
激光-冷金属过渡电弧复合热源 1.60 7.68 1.36
[0031] 可见，与单独的CMT弧焊焊缝相比，激光-冷金属过渡复合热源焊缝的熔深和熔宽增加，余高减小，其中熔深增加大约25％，熔宽增加大约63％，而余高减小大约19％，在其它CMT弧焊参数相同的条件下，熔宽越大，余高越小，表明焊缝的铺展性越好。余高熔宽比是一个更直观反映焊缝铺展性好坏的指标，该指标越小，焊缝铺展性越好。计算表明，单独CMT弧焊焊缝余高-熔宽比为0.36，而激光-冷金属过渡电弧复合热源焊缝余高-熔宽比为0.18，这表明对不锈钢而言，激光-冷金属过渡电弧复合热源焊缝铺展性明显好于单独CMT弧焊焊缝的铺展性。
[0032] 2、试验选材为Q235普通低
碳钢板，试板规格为200mm×40mm×8mm，采用直径Ф1.2mm的ER50-6CO2气体保护焊丝，保护气体为90％Ar+10％CO2，气体流量20L/min。试验为平板堆焊，分别进行单独的CMT弧焊试验和激光-CMT复合热源试验，焊后测量焊缝的熔深、熔宽及余高，比较焊缝成形情况。
[0033] 焊接规范参数如下：
[0034] 焊接速度0.8m/min，送丝速度6.6m/min，焊接电流168A，电弧电压19V，激光功率1200W，工件表面的光斑直径为1.8mm，光丝间距3mm，干伸长度16mm。
[0035] 焊后对平板堆焊焊缝的熔深、熔宽及余高进行测量，结果如下：
[0036]熔深(mm) 熔宽(mm) 余高(mm)
CMT弧焊 1.20 4.86 1.62
激光-CMT复合热源 1.71 7.72 1.33
[0037] 可见，与单独的CMT弧焊焊缝相比，激光-CMT复合焊缝的熔深和熔宽增加，余高减小，其中熔深增加大约43％，熔宽增加大约59％，而余高减小大约18％，单独的CMT弧焊的余高-熔宽比为0.33，而激光-CMT复合热源余高-熔宽比为0.17。
[0038] 这表明，对普通
碳钢而言，激光-冷金属过渡电弧复合热源焊缝的铺展性也明显好于单独的CMT弧焊焊缝的铺展性。
[0039] 3、选用哈尔滨焊接研究所自行开发研制的直径Ф1.2mm的HS13/5L不锈钢焊丝(Cr11.0-13.0％，Ni4.5-5％)，依据GB/T17493-1998分别进行常规MAG焊、CMT弧焊和激光-冷金属过渡电弧电弧复合热源焊熔敷金属性能试验，焊后检测熔敷金属的冲击韧性。
[0040] (1)常规MAG焊
[0041] 焊接速度0.5m/min，焊接电流178A，电弧电压22V，激光功率1000W，干伸长度16mm，保护气体Ar+3％CO2，气体流量20L/min。
[0042] (2)CMT弧焊
[0043] 焊接速度0.5m/min，送丝速度6.6m/min，焊接电流168A，电弧电压19V，干伸长度16mm，保护气体Ar+3％CO2，气体流量20L/min。
[0044] (3)激光-冷金属过渡电弧复合热源焊
[0045] 焊接速度0.6m/min，送丝速度6.6m/min，焊接电流168A，电弧电压19V，激光功率1000W，干伸长度16mm，工件表面的光斑直径为1.8mm，光丝间距3mm，保护气体纯Ar，气体流量20L/min。
[0046] 熔敷金属的冲击韧性试验结果如下：
[0047] 表1常温下试验结果
[0048]平均冲击韧性(J)
常规MAG焊 30
CMT弧焊 98
激光-冷金属过渡电弧复合热源焊 120
[0050]平均冲击韧性(J)
常规MAG焊 70
CMT弧焊 141
激光-冷金属过渡电弧复 162
合热源焊
[0051] 热处理规范：590℃×12h热处理，炉冷到100℃以下出炉空冷。
[0052] 从上述表1和表2可以看出，无论是焊态，还是热处理状态，激光-冷金属过渡电弧复合热源焊的熔敷金属常温冲击韧性均高于常规MAG焊和CMT弧焊熔敷金属的冲击韧性。
