專利名稱：一種強(qiáng)化電流磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的激光電弧復(fù)合焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種強(qiáng)化電流磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的激光電弧復(fù)合焊接方法，屬 于激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光焊接具有能量密度高，焊接速度快，熱輸入量小，焊接變形小，接 頭性能優(yōu)良等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種最先進(jìn)的材料連接技術(shù)。但是，由于 單純的激光焊接橋聯(lián)性差，對(duì)工件坡口準(zhǔn)備和裝配精度的要求極高，這在很
大程度上制約了激光焊接技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。20世紀(jì)70年代末，英國(guó)學(xué)者提出 了激光與TIG (非熔化極惰性氣體保護(hù)焊)電弧復(fù)合熱源焊接的概念，目前激 光-電弧復(fù)合焊接成為激光焊接技術(shù)研究的前沿方向之一。
激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)綜合了激光和電弧各自的優(yōu)點(diǎn)，具有激光焊接的 高速度和電弧焊接良好的橋聯(lián)性，通過(guò)激光與電弧的相互作用，焊接過(guò)程的 穩(wěn)定性和焊縫成型顯著改善，橋聯(lián)性顯著提高，大大降低了坡口準(zhǔn)備和裝配 精度的要求，同時(shí)可使焊接速度進(jìn)一步提高，焊接效率較單純激光焊接提高 60%。
ZL01118729.8公開(kāi)了一種采用輔助電流的激光焊接方法，在激光焊接過(guò) 程中利用附加電流的磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，通過(guò)改變和控制熔池的流動(dòng)狀態(tài)及 熔池的熱交換條件，達(dá)到強(qiáng)化激光能量的有效利用率和提高加工效率，改善 激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性及改善和控制焊縫成型。這種情況下需要一套外加電 源向焊接區(qū)提供輔助電流，同時(shí)由于焊接后的焊縫窄，其間隙適應(yīng)性較差。
一般的激光-電弧復(fù)合焊接，電弧電源的一極與工件相連，由于電弧自身 發(fā)散，電流進(jìn)入工件時(shí)，流過(guò)熔池內(nèi)部的電流密度較小。同時(shí)由于電弧尺寸 大，電流進(jìn)入熔池后的電流密度梯度也很小。因此電弧電流的磁流體動(dòng)力學(xué) 效應(yīng)弱，其對(duì)熔池流動(dòng)狀態(tài)及熔池的熱交換條件的影響很小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)與采用輔助電流的激光焊接方法有機(jī)結(jié) 合，在激光-電弧復(fù)合焊接的基礎(chǔ)上，使電弧電流通過(guò)填充焊絲流過(guò)熔池，充 分發(fā)揮了電弧電流的磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，對(duì)熔池流動(dòng)狀態(tài)和熱交換條件產(chǎn)生 明顯影響，增強(qiáng)能量耦合效率，改善焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。同時(shí)又利用激光電 弧復(fù)合焊接良好的橋聯(lián)性，改善了間隙適應(yīng)性，使焊縫表面成型改善。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本方法采用激光-電弧
協(xié)同布置，同時(shí)添加了填充焊絲3，電弧10與焊絲3分別布置于激光束5的 兩側(cè)，焊絲3位于激光束5的前方，并與工件13接觸從熔池11前方送入， 電弧10置于激光束5的后方；焊接時(shí)，焊接電源1的兩極分別接鎢極8和焊 絲3。
所述的電弧10為是TIG電弧，或者等離子弧。 弧焊電源1為直流或者交流或者脈沖電源。
本發(fā)明的基本原理是焊接時(shí)焊接電源1的兩極分別接鎢極8和焊絲3， 焊絲3與工件13接觸，熔化后送入熔池11，電弧10在鎢極8與工件13之間 形成，此時(shí)，焊接電流從焊絲3經(jīng)過(guò)熔池11和電弧10形成電流回路，并大 部分流過(guò)焊接熔池11，電弧電流在熔池中產(chǎn)生促使收縮的電磁吸引力，該電 磁力與電流密度的平方成正比。同時(shí)由于焊絲與工件體積的巨大差異，電流 從焊絲端部進(jìn)入烙池迅速發(fā)散，熔池內(nèi)部形成的電流密度不均勻，其中在焊 絲端部的電流密度比較大，而熔池底部的電流密度比較小，因此在熔池中形 成因電流密度變化引起的電磁收縮力梯度，即這種不均勻的電流分布產(chǎn)生了 從高電流密度區(qū)指向低電流密度區(qū)的軸向壓力，在焊接熔池中產(chǎn)生的這種電 磁收縮力形成的壓力梯度將改變?nèi)鄢氐牧鲃?dòng)狀態(tài)及熔池的熱交換條件，強(qiáng)化 能量的有效利用，提高加工效率，改善焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊縫成型。同時(shí) 由于電阻熱對(duì)焊絲1的加熱作用，使焊絲3的熔化變^導(dǎo)容易，提高了能量利 用效率。另外位于熔池后方的電弧也可以改善焊縫的表面成型。
本發(fā)明中由于電弧電流通過(guò)焊絲進(jìn)入熔池，流過(guò)熔池的電流密度很大， 同時(shí)電流在熔池中快速發(fā)散，產(chǎn)生較大的電流密度梯度，充分發(fā)揮了電弧電 流的磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)焊接過(guò)程的影響。同時(shí)充分利用了激光-電弧復(fù)合焊 接時(shí)良好的焊縫橋聯(lián)性，使間隙適應(yīng)性明顯改善。同時(shí)由于電弧位于熔池后 方，又可以改善焊縫的表面成型狀況。采用這種方法能夠提高焊接過(guò)程穩(wěn)定 性，改善焊縫表面成型，增加間隙適應(yīng)性，并最大限度的利用了電弧電流的 磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，改善能量耦合，具有很大的工業(yè)應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的復(fù)合焊接裝置示意圖
圖2 (1)采用本發(fā)明的焊接效果
圖2 (2)采用常規(guī)激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)的焊接效果
圖中1、焊接電源，2、第一焊接電纜，3、焊絲，4、送絲咀，5、激光 束6、光致等離子體及深熔小孔，7、保護(hù)氣，8、鎢極，9、焊炬，10、電弧， 11、熔池，12、焊縫，13、工件，14、第二焊接電纜。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例的技術(shù)方案參見(jiàn)附圖1，采用激光-電弧協(xié)同布置，同時(shí)添加了 填充焊絲3，電弧10與焊絲3分別布置于激光束5的兩側(cè)，其中焊絲3位于 激光束5的前方，電弧10置于激光束5的后方，其中電弧10可以是TIG電 弧，也可以是等離子弧。
填充焊絲3從熔池11前方送入，焊接電流從焊絲3經(jīng)過(guò)熔池11和電弧 IO形成電流回路。其電流大部分流過(guò)熔池，在熔池中產(chǎn)生電磁力。
焊接時(shí)，焊接電源1的兩極分別接鎢極8和焊絲3，焊接電流大部分通過(guò) 焊絲3流過(guò)熔池11，強(qiáng)化了電弧電流的磁流體力學(xué)效應(yīng)。由于電磁力與電流 密度的平方成正比，而與電流的極性、種類無(wú)關(guān)，焊接電源1可以是直流、 交流或脈沖電源。
以下為本發(fā)明與常規(guī)激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)的焊接效果比較
圖2 (1)、 (2)、是本發(fā)明復(fù)合焊接與常規(guī)復(fù)合焊接的焊接效果對(duì)比。焊 接電流都是150A，其中圖2 (2)為常規(guī)復(fù)合焊接時(shí)測(cè)得。
參見(jiàn)附圖1,焊絲3通過(guò)第一焊接電纜2接直流弧焊電源1的正極，焊炬 9通過(guò)第二焊接電纜14接電源1的負(fù)極，焊接時(shí)鎢極8與熔池11，焊絲3形 成電流回路，焊接電流大部分流過(guò)熔池。電弧10中心與激光束5中心的距離 為10mm，鎢極8末端與工件13的距離為2mm。實(shí)施例中焊接的工件材料為6061 鋁合金，板厚為3咖，焊絲為直徑1.2mm的AlSi12，采用3500W的0)2激光束 8與TIG電弧10復(fù)合，悍接電流150A，送絲速度為3m/min，焊接速度為3m/min。 焊接效果如圖2 (1)所示。相比圖2 (2)中同樣條件下采用常規(guī)激光-電弧 復(fù)合焊接(第一焊接電纜2接工件13)時(shí)的焊接效果，采用本發(fā)明的焊縫熔 透效果明顯改善，背面凸起0.8mra;焊縫背面寬度為2. 4ram，比圖2 (2)中增 加了1.5mm;焊縫橫截面積相比圖2 (2)也增加了 50%，焊接效率明顯提高， 這是由于電流通過(guò)焊絲3大部分流過(guò)熔池，電流的磁流體效應(yīng)強(qiáng)化了熔池的 流動(dòng)狀態(tài)及熔池的熱交換條件。同時(shí)由于電弧10位與熔池后方，可以使熔寬 增加，焊縫的間隙適應(yīng)性及表面成型較輔助電流的激光焊接又有明顯改善。
權(quán)利要求
1、一種強(qiáng)化電流磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的激光電弧復(fù)合焊接方法，采用激光-電弧協(xié)同布置，同時(shí)添加了填充焊絲(3)，其特征在于電弧(10)與焊絲(3)分別布置于激光束(5)的兩側(cè)，焊絲(3)位于激光束(5)的前方，并與工件(13)接觸從熔池(11)前方送入，電弧(10)置于激光束(5)的后方；焊接時(shí)，焊接電源(1)的兩極分別接鎢極(8)和焊絲(3)。
2、 根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種強(qiáng)化電流磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的激光電弧復(fù)合焊 接方法，其特征在于所述的電弧(10)為是TIG電弧，或者等離子弧。
3、 根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種強(qiáng)化電流磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的激光電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于弧焊電源(1)為直流或者交流或者脈沖電源。
全文摘要
本發(fā)明是一種強(qiáng)化電流磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的激光-電弧復(fù)合焊接方法，屬于激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用激光-電弧協(xié)同布置，同時(shí)添加了填充焊絲，其中電弧與焊絲分別布置于激光束的兩側(cè)，焊絲位于激光束的前方與工件接觸，電弧則布置于激光束的后方。焊接時(shí)焊接電源的兩極分別接鎢極和焊絲，焊接電流從焊絲經(jīng)過(guò)熔池和電弧形成電流回路，焊接電流大部分流過(guò)熔池，在熔池中產(chǎn)生電磁力，充分利用電弧電流的磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)熔池流動(dòng)狀態(tài)和熱交換條件的影響，增強(qiáng)能量耦合效率，改善焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。同時(shí)由于電弧位于熔池后方，對(duì)焊絲波動(dòng)的容忍性大大提高，顯著改善焊縫的表面成型狀況。
文檔編號(hào)B23K28/00GK101176954SQ20071017892
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者吳世凱, 松 張, 張寰臻, 楊武雄, 肖榮詩(shī), 鎧 陳 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)