一种基于微束等离子弧诱导的低功率激光高效焊接方法

摘要

本发明公开一种基于微束等离子弧诱导的低功率激光高效焊接方法，该方法借助微束等离子弧对激光等离子体的诱导作用及其辅热作用，实现对匙孔效应不稳定性的抑制，提高材料对激光热源能量的热吸收率。该方法采用的微束等离子弧主弧电流范围为20A～50A，脉冲激光束脉冲峰值功率范围为5kW～10kW，通过调整激光束与微束等离子弧的相对位置关系、束斑重合度以及微束等离子弧和激光束的输出能量，充分激发出低功率脉冲激光热源的最高能效，拓展低功率激光获得稳定深熔焊接效果的焊接参数范围。利用本发明能够实现常用金属材料的高效深熔焊接，尤其适用于铝合金、镁合金等轻合金材料的高效率、低能耗焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及激光焊接方法，适用于常用金属薄板结构材料的高效焊接，尤其适用于对激光能量具有较高反射率的铝合金、镁合金等材料的焊接。

背景技术

由于环保和节能的需要，汽车等交通工具的轻量化已经成为发展潮流，使铝合金、镁合金等轻合金材料在交通工具制造中的推广应用成为必然趋势。铝合金等轻合金材料具有较高的导热、导电性，在生产制造环节，需要提供相对更高的焊接能量才能实现高效率、高质量焊接，这无疑增大了能源消耗，增加了生产中的能源成本。随着科技的高速发展，焊接制造对生产效率、制造精度和质量稳定性提出了越来越高的要求。同时，高效率、低能耗的现代制造技术已经成为制造领域一个重要的发展方向。

激光焊是一种高效率的焊接技术，由于激光焊接热源能量密度大，热输入低、使焊接热影响区窄、热变形小，容易实现深熔和高重复精度焊接。但是，较低的间隙搭桥能力却使激光焊接对装配精度提出了更高要求。激光+电弧复合焊接技术利用电弧热源作用面积大的特点弥补了单一激光焊接热源间隙搭桥能力不足的缺点，同时也能实现高效率的深熔焊接。经过三十余年的研究与推广，激光+电弧复合焊接已经为国内外学者所广泛认同，使不同形式的电弧热源，如TIG、MIG、MAG电弧等，通过旁轴或同轴方式与激光热源实现了复合，并不断开发出焊接新工艺应用于不同材料与结构。

为了获得较大的焊接熔深，实现较高的焊接效率，激光+电弧复合焊接技术基本选用激光功率在2kW以上甚至更大功率的激光器，并大多匹配具有相对较大焊接电流的自由电弧。这使激光+电弧复合焊接技术在获得高效率制造的同时，生产设备成本投入较高，能量消耗较大。即使选用激光功率在1kW以下的小功率激光器，也一般匹配能量作用较为发散的TIG电弧(自由电弧)用于复合焊接，其电弧电流数值常常在80～100A以上，使低功率激光+电弧复合焊接获得的焊接效率提升较为有限，否则就要提高电弧电流，造成能量消耗的进一步增加。并且，在激光+电弧复合焊接过程中，由于自由电弧能量作用相对发散，使电弧热源的能量并没有获得高效利用，也直接影响了激光能量的高效利用，这为低功率激光+电弧复合焊接熔透效果和焊接效率的提升留下了进一步改进的空间。

相对于常用于激光+电弧复合焊接的TIG、MIG、MAG等自由电弧，微束等离子弧具有能量作用集中、电弧稳定、能量消耗小、焊接质量重复精度高等优点。但由于微束等离子弧 往往基于极小的焊接电流产生，使其在用于焊接时熔深较小，生产效率低，一般仅用于小而薄的金属器件焊接，限制了其应用范围。而脉冲激光焊接热源具有单脉冲功率高、平均热输入低、能量密度大等特点，可以实现深熔和高重复精度焊接。但对于铝合金等轻合金材料，由于材料热导率和电导率大，对激光的反射率较高，使材料对激光能量的吸收率较低，影响焊接效率和熔深质量，这在低功率激光焊接中表现得尤为突出。因此，对于铝合金等轻合金材料，无论选用微束等离子弧焊接或者低功率脉冲激光焊接，虽然能耗低，但是均难以实现高效率深熔焊接。基于上述情况，焊接效率、焊接能耗和制造成本仿佛难以实现三者兼顾。

发明内容

本发明针对常用金属板结构材料，尤其是对激光能量具有较高反射率的铝合金、镁合金等材料，提供一种基于微束等离子弧诱导的低功率激光高效焊接方法。该方法能够实现常用金属材料的高效深熔焊接，尤其适用于铝合金、镁合金等轻合金材料的高效率、低能耗焊接。

本发明采取以下技术方案：

一种基于微束等离子弧诱导的低功率激光高效焊接方法，该方法借助微束等离子弧对激光等离子体的诱导作用及其辅热作用，实现对匙孔效应不稳定性的抑制，提高材料对激光热源能量的热吸收率，所述焊接方法的步骤如下：

(1)调整激光束出射方向，使其与铅垂面成0°～15°夹角；

(2)调整微束等离子焊枪，使微束等离子弧出射方向与激光束成15°～30°夹角；

(3)校准激光焊枪与微束等离子弧焊枪相对位置，使出射激光束与出射微束等离子弧位于同一平面，且以焊接前进方向为参照，微束等离子焊枪在前，激光焊枪在后；

(4)使微束等离子弧的引燃弧工作，校准激光焊枪与微束等离子焊枪相对位置，使激光束在工件平面的束斑与微束等离子弧束斑重合，重合度判断原则为：激光束斑位于微束等离子弧束斑范围内前进方向的后侧。

(5)使引燃弧短暂作用于工件表面待焊位置不超过5秒时长产生预热效果，继而引弧使微束等离子弧的主弧开始工作，主弧电流范围为20A～50A，且为连续输出的直流电弧电流。同时启动激光器工作，出射激光束，焊接开始，激光束为脉冲激光束，脉冲峰值功率范围为5kW～10kW，额定激光功率不超过600W。

(6)焊接结束时，先关停激光束出射，再熄灭微束等离子弧，延迟停止保护气，并结束全部焊接流程。

所述产生微束等离子弧的电源为直流电源，电极接法为钨极为阴极接电源负极，工件为阳极接电源正极。

本发明借助微束等离子弧对激光等离子体的诱导作用及其辅热作用，实现对匙孔效应不 稳定性的抑制，提高材料对激光热源能量的热吸收率。其创新在于利用微束等离子弧能量作用相对自由电弧更加集中的特性，以及更加优良的电弧稳定性和导电性，提高材料对激光热源能量的热吸收率，诱导激光等离子体的活性，降低其对激光能量的吸收和散射，并抑制匙孔效应的不稳定性。从而充分激发出低功率脉冲激光热源的最高能效，拓展低功率激光获得稳定深熔焊接效果的焊接参数范围，实现铝合金、镁合金等轻合金材料的高效率、低能耗焊接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)焊接热源能量密度大，间隙搭桥能力强，热输入低，焊接热影响区窄，热变形小，容易实现高重复精度焊接；

(2)焊接热源穿透力强，可实现深熔焊接，且气孔等空腔型缺陷的发生率低；

(3)适应性强，适合多种金属材料焊接，尤其适合铝合金等对激光具有较高反射率的轻合金材料焊接；

(4)能量消耗低，焊接效率高，可实现低功率激光深熔焊接。

附图说明

图1是微束等离子弧诱导的脉冲激光焊接系统组成示意图。

图2是实施例1焊接得到的镁合金焊缝横截面形貌。

图3是实施例2焊接得到的钛合金焊缝横截面形貌。

图中，1激光器、2微束等离子弧焊接电源、3光学系统、4激光焊枪、5工作气体、6保护气体、7微束等离子弧焊枪、8激光束、9微束等离子弧、10工件、11、焊接前进方向。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

参见图1，实现本发明方法的微束等离子弧诱导的脉冲激光焊接系统包括有激光器1、微束等离子弧焊接电源2、光学系统3、激光焊枪4、微束等离子弧焊枪7等装置。激光器1发出的激光通过光学系统3由激光焊枪4出射激光束，激光束与铅垂面保持0-15°的夹角。微束等离子弧焊接电源2为微束等离子弧焊枪7提供范围为20A～50A连续输出的直流电弧电流。微束等离子焊枪和激光焊枪4的相对位置满足：微束等离子弧出射方向与激光束成15°～30°夹角，出射激光束与出射微束等离子弧位于同一平面，且以焊接前进方向为参照，微束等离子焊枪在前，激光焊枪在后。

实施例1：

待焊接的工件为两块厚度4mm的AZ31B镁合金薄板结构材料的I型坡口对接，所使用 的钨极为铈钨电极，电极接法为钨极为阴极接电源负极，工件为阳极接电源正极。微束等离子弧主弧电流为40A，脉冲激光峰值功率为5kW，脉冲宽度为6ms，激光束与铅垂面夹角为5°，微束等离子弧9出射方向与激光束成25°夹角。微束等离子弧和激光使用的保护气体和工作气体均为纯氩气，且保护气体流量为15L/min。焊接时，先校正激光焊枪4与微束等离子弧焊枪7相对位置，使激光束与铅垂面夹角为5°，微束等离子弧出射方向与激光束成25°夹角，且以焊接前进方向11为参照，使微束等离子焊枪7在前，激光焊枪4在后，使激光束在工件平面的束斑与微束等离子弧束斑重合，激光束斑位于微束等离子弧束斑范围内前进方向的后侧。在保护气体6的保护下，先后引燃微束等离子弧引燃弧、主弧，并出射激光束8，对准工件10待焊部位，开始焊接，焊接速度为15mm/s。焊接结束后，关停激光束出射，熄灭微束等离子弧，延迟停止保护气体，结束全部焊接流程。焊接得到的焊缝横截面形貌如图2所示，可以看出，在所设置的焊接工艺参数下，实现了4mm厚镁合金板材的一次性焊透。

该结果表明，利用本发明所述方法可以实现镁合金材料的深熔焊接，焊接热源穿透能力强，从而具有较高的焊接效率。

实施例2：

待焊接的工件为两块厚度3mm的TC4钛合金薄板结构材料的I型坡口对接，所使用的钨极为铈钨电极，电极接法为钨极为阴极接电源负极，工件为阳极接电源正极。微束等离子弧主弧电流为35A，脉冲激光峰值功率为5.5kW，脉冲宽度为6ms，激光束8与铅垂面夹角为5°，微束等离子弧9出射方向与激光束8成25°夹角。微束等离子弧和激光使用的保护气体6和工作气体5均为纯氩气，且保护气体流量为20L/min。校正激光焊枪4与微束等离子弧焊枪7相对位置，且以焊接前进方向11为参照，使微束等离子焊枪在前，激光焊枪在后，使激光束在工件平面的束斑与微束等离子弧束斑重合，激光束斑位于微束等离子弧束斑范围内前进方向的后侧。先后引燃微束等离子弧引燃弧、主弧，并出射激光束，开始焊接，焊接速度为15mm/s。焊接结束后，关停激光束出射，熄灭微束等离子弧，延迟停止保护气，结束全部焊接流程。焊接得到的焊缝横截面形貌如图3所示，可以看出，在所设置的焊接工艺参数下，实现了3mm厚钛合金板材的一次性焊透。

该结果表明，利用本发明所述方法可以实现钛合金材料的深熔焊接，焊接热源穿透能力强，从而具有较高的焊接效率。