專利名稱：變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金等金屬板材或型材對接焊接的方法，具體地說是一種通過同時使用變極性方波鎢極氬弧和激光兩種熱源對鋁合金等金屬板材或型材進行對接焊接的方法，屬于金屬焊接技術領域。
背景技術：
鋁合金具有密度小、塑性好、易于加工成型、無低溫脆性轉變及耐大氣腐蝕等許多優(yōu)點，廣泛應用于航空、航天、高速軌道列車或其它運載工具的結構材料，然而，由于鋁合金材料特有的物理和化學特性，決定了其獨特的焊接性。鋁合金的TIG焊接要求既要發(fā)揮陰極清理作用去除表面致密的氧化膜，又要減少鎢極燒損，保持鎢極端頭形狀。特別是在自動焊接中，高清理低鎢極燒損的TIG焊接系統(tǒng)成為人們期望的。沿著這一思路，鋁合金TIG焊接方法經歷了直流鎢極接負(DCEN)、直流鎢極接正(DCEP)、正弦波交流、方波交流發(fā)展到變極性方波TIG焊接。變極性方波TIG焊接的核心器件就是變極性電源，其輸出波形如圖1所示，圖1 中，In為直流正接半波電流幅值，tn為直流正接半波時間，Ip為直流反接半波電流幅值，tp為直流反接半波時間，另外還包括焊槍、送氣裝置等。變極性電源作為近十年發(fā)展起來的一種新型焊接電源，繼承了方波電源的優(yōu)點，變極性電源是一種物出電源頻率和正負半波(DCEP 和DCEN)電流幅值、時間比可以分別獨立調節(jié)的方波交流電源，可按不同材料、不同焊件形狀選擇最佳范圍；其輸出電流為交流矩形波，直流輸出精確穩(wěn)定，波峰脈動率小于0.5%， 電流設定值漂移小于；功率轉換控制采用了功率IG-BT模塊，電流過零轉換極快，電弧相當穩(wěn)定，變極性電源通過進一步減少DCEP的時間和增大DCEP半波電流幅值，并且控制回路信號頻率大于10KHZ，能快速響應電流指令，方波上升和下降時間小于1 μ s，上升至峰值時無超量或不足，能在保證獲得足夠的陰極清理區(qū)條件下，最大限度地減少鎢極為正的時間，使電弧的特點向直流鎢極接負(DECN)靠近，可以最大限度地減少鎢極的燒損；變極性電源設計時考慮計算機控制，起弧采用脈沖而不是高頻，能有效阻止信號線上的電磁波干擾，變極性電源也是一種脈沖電源其脈沖電弧對熔池有很強的攪拌作用，因而可減少和抑制氣孔的產生。雖然變極性方波鎢極氬弧焊在焊接鋁合金放面有諸多優(yōu)點，但是做為單一的焊接熱源，即使焊接電弧非常集中，對于焊件的厚度也有要求，而且焊接效率不是特別高，針對目前激光焊接鋁合金的優(yōu)缺點，可以把變極性方波鎢極氬弧焊與激光焊接方法復合起來， 實現兩者的優(yōu)缺點互補。因為對于激光焊接技術已經被廣泛應用多年，主要用于焊接各種金屬材料，例如鋁合金、不銹鋼等等，一般的激光焊接設備，包括一個產生固有單色高能光束的固態(tài)或氣體激光振蕩器，一個帶有偏向鏡的光路或者允許將激光束傳輸到位于待焊接板材對面的焊頭的光纖，焊頭中包括一個透鏡或一個或多個聚焦反射鏡，以便將激光束聚焦在待焊接材料上，在待焊接材料的對接處形成一個或多個焦點，從而在局部集中足夠的功率密度去熔化待焊接材料，通常，焊頭還包括一個用來借助于與激光束同軸布置的排氣噴嘴供給焊接氣體，也稱輔助氣體的供氣裝置，該供氣裝置也可以設置在激光焊頭的外部。然而，對于焊接鋁合金板材或型材，激光焊接工藝有其固有特點。激光焊具有功率密度高、同等熱輸入量時熔深大、熱影響區(qū)窄、焊接變形小、焊接速度快和易于實現自動化等優(yōu)點，由于激光焊可以將熱源集中在很小的尺寸內，所以激光焊可以精確焊拉細微部分， 從而可以進行深熔焊，在焊接生產中具有很大的應用潛力。但是利用激光束焊接鋁合金時， 由于鋁對激光的反射率高、導熱快等特性，常需要采用較大功率的激光器進行焊接，造成焊接成本過高，且在激光焊鋁合金厚板時，也易出現穩(wěn)定性差、氣孔、裂紋、下塌等焊接缺陷。 另外，由于激光焊接的激光束聚焦點尺寸很小，所以需要待焊接工件具有高定位精度，同時對焊接接頭的加工精度和設備精度都有較高的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明主要目的在于解決上述問題和不足，提供一種變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，可大幅度提高鋁合金材料對激光的吸收率，產生焊縫深度大、熱影響區(qū)小、 外形美觀的金屬焊件，在焊接鋁合金板材及型材時可有效提高焊接質量和焊接效率。為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，該方法包括如下步驟(1)將變極性方波鎢極槍和激光束發(fā)射槍固定，其中變極性方波鎢極氬弧槍在前， 激光束發(fā)射槍在后，將待焊接工件需要對接的部分對接，其中，變極性方波鎢極氬弧槍應在待焊部位的正上方，激光束的焦點在待焊工件焊接部分的中間；(2)連續(xù)移動待焊接工件，使用變極性方波鎢極氬弧槍對待焊接工件的焊接部位進行陰極清理和初始熔化，使焊接部分表面處于高溫熔融狀態(tài)；(3)隨后使激光束照射到所述焊接部分，從而加深變極性方波鎢極氬弧熔焊的熔深，完成焊接。其中變極性方波鎢極氬弧的鎢極為負和鎢極為正半波電流可獨立調節(jié)，調節(jié)范圍為5 300A。其中激光束的離焦量為-2至-3mm。其中變極性方波鎢極氬弧焊的鎢極中心與激光束中心之間的間距為1至3mm。所述變極性方波鎢極槍和激光束發(fā)射槍固定于一個螺桿上，通過調節(jié)變極性方波鎢極中心與激光束中心之間的距離來進行焊接。其中所述待焊接工件的焊接部分具有0. Imm或者更小的對接空間。所述變極性方波鎢極所發(fā)射出來的電弧方向和激光束的照射方向相互平行且垂直作用于待焊接工件的焊接部分上。所述待焊接工件的材料為鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金和低合金鋼中的一種或兩種。所述待焊接工件焊接部分的截面彼此相對形成I形或者Y形槽，所述Y形槽的夾角應小于或者等于10°。綜上內容，本發(fā)明所提供的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，采用待焊接工件移動而變極性方波鎢極氬弧和激光束固定的方式，進行鋁合金等金屬板材或型材的焊接。變極性方波鎢極氬弧槍和激光束發(fā)射槍固定于一個螺桿上，可以根據需要任意調節(jié)激光束中心與變極性方波鎢極氬弧中心之間的距離，保證焊接質量達到最佳。本發(fā)明中，焊件沿著變極性方波鎢極氬弧到激光束的方向移動，形成變極性方波鎢極氬弧前置的方式。在焊接開始時，變極性方波鎢極氬弧熱源首先加熱鋁合金等金屬材料，由于變極性脈沖可在焊接周期內對負極性半波電流的比例進行全程調節(jié)，以獲得滿意的陰極破碎作用和合適的電弧穿透力；而且，負極性半波負載周期由程序來控制，也可使用安裝在焊矩上滑動開關來進行手動焊接；因此，變極性TIG焊接時反極性脈沖DCEP所產生陰極破碎作用可有效去除焊接熔池前方的氧化物和污染物；同時又防止了鎢電極的燒損而帶來夾鎢的焊接缺陷，而在正極半波電流內高速的電子流撞擊陽極即焊件，產生熔深從而使焊接接頭的焊縫表面層區(qū)處于高溫熔融狀態(tài)，這時待焊接工件開始移動并開啟激光束， 由于焊縫表面處于高溫熔融狀態(tài)，降低了金屬對激光的反射率，提高了金屬對激光能量的吸收率，從而提高了激光的有效加熱深度，加大焊縫熔深，有效降低了焊縫寬度和熱影響區(qū)寬度，最后能獲得熔深較深，而熱影響區(qū)特別小，外形美觀的焊件，同時，降低了對焊接接頭的加工精度和裝備精度等方面的要求，提高了焊接質量和焊接效率，使得變極性方波鎢極氬弧和激光束產生了 1+1 > 2的效果。由于在本焊接方法中變極性方波鎢極氬弧的正極性半波主要作用是清除鋁合金材料表面的污染物、氧化膜等，負極性半波內預加熱鋁合金等金屬材料使其焊接接頭的焊縫表層區(qū)處于高溫熔融狀態(tài)，減少激光反射，增加激光吸收率，提高激光能量的有效利用， 且要保證熔融面積不要過大，保證熱影響區(qū)處于極小的范圍內；同時還能滿足焊接速度快， 變形小等要求；并且變極性方波鎢極自身輸出電源DCEN、DCEP半波時間、幅值獨立可調，可實現陰極清理作用去除表面致密的氧化膜，又能減少鎢極燒損，保持鎢極端頭形狀，使焊接電弧挺度好，能量集中，具有焊接速度快、焊縫窄、熱影響區(qū)小、焊接變形小等特點恰好滿足上述要求，變極性方波鎢極氬弧與激光復合的方法進行焊接正好彌補了兩者的不足之處。 另外，采用本發(fā)明所述的焊接方法，在焊接鋁合金等金屬材料時不用預先清理，而且變極性電流過零無死區(qū)時間的超快速變換，電流極性變換頻率達kHz以上，可對鋁合金的電弧焊接過程產生特殊作用，明顯改善和提高鋁合金的電弧焊接質量。該焊方法還同時適用于鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、低合金鋼等多種材料的對接焊接作業(yè)。


圖1本發(fā)明結構示意圖。如圖1所示，待焊接工件1，變極性方波鎢極槍2，激光發(fā)射槍3。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述如圖2所示，本發(fā)明所述的復合焊接方法，采用變極性方波鎢極氬弧和激光復合熱源進行鋁合金等金屬板材或型材的對接焊接，金屬板材或型材可以是鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、低合金鋼中的一種或兩種材料，本實施例以焊接兩塊鋁合金板材的對接焊為例進行詳細說明，其中，鋁合金板材的厚度為8mm，寬度為200mm，長度1000mm。變極性方波鎢極槍電極為Φ 2. 4mm WC20,電極頂端與工件表面距離3mm，噴嘴直徑6. 0mm，鎢極干伸長為6. 0mm，主要技術參數其中變極性方波鎢極氬弧的正、反向電流幅值分別為80A和120A ；高頻脈沖電流幅值80A ；高頻脈沖頻率20kHz ；占空比50% ；電流極性變換頻率500Hz ；電流正、反向導通時間比為4 1，保護氣體為高純氬氣。激光焊機采用HL2006D型Nd:YAG連續(xù)激光器，波長為1.06微米、激光輸出為 0-2000W(平均功率)，單脈沖能量為0-200J、脈沖波形可任意設定、0. 6mm光纖傳輸，聚焦透鏡焦距為200mm，焦點直徑為0. 6mm，保護氣體為高純氬氣。該復合焊接方法包括如下步驟第一步將變極性方波鎢極槍2和激光束發(fā)射槍3間隔一定距離固定一個螺桿 (圖中未顯示)上，如圖1所示，相對待焊接工件1的移動方向，變極性方波鎢極槍2固定在前面，激光束發(fā)射槍3固定在后面，通過滑動螺桿上的螺絲就可以調節(jié)變極性方波鎢極槍2 和激光束發(fā)射槍3之間的距離。如圖1所示，該焊接方法中，保證變極性方波鎢極槍2的中心與激光束焦點5的水平距離為1至3mm，為焊接上述8mm厚的鋁合金板材，變極性方波鎢極槍2的中心與激光束焦點5的水平距離選為2. 0mm，此距離可以保證變極性方波鎢極氬弧熱源進行完陰極理清和陽極初熔后，再進行激光束的焊接，以保證焊接質量。如果兩中心的距離過近，會造成變極性方波鎢極氬弧熱源陰極清理不充分，氧化物等殘渣未能完全清除，并且會出現未等工件1表面處于高溫熔融狀態(tài)時，激光束就作用于焊件表面了，會影響工件1表面對激光的吸收率；如果兩中心的距離過大，不能得到復合的作用，且處于高溫熔融狀態(tài)的焊接表面會被污染，結果是進行了二次焊接，從而影響焊接質量和焊接效率。變極性方波鎢極氬弧的預熱效果可提高熱源效率，一方面氬弧焊的陰極清除作用去除了影響焊接質量的一些雜質、氧化膜、油污等，另一方面陽極初熔作用對工件表面的預熱提高了金屬對激光的吸收，與此同時，由于鎢極為變極性，使電子和金屬離子的加速方向產生周期性變化，可以起到消散等離子的作用，從而使激光的透射率進一步加大，使激光能量轉換率增大，因此焊接區(qū)的光譜線強度增強；另一方面，激光產生的金屬蒸氣為陰極清理過程提供了高速撞擊焊件表面的金屬離子，只需較小的加速電壓即可獲得滿意的陰極清理作用，同時使電弧弧柱收縮，電弧挺度提高。將具有一定寬度和厚度的兩個待焊接工件1對接的部位對接，使得變極性方波鎢極中心和激光束中心的焦點正好落在待焊工件1焊縫的中間。待焊接工件1的焊接部分的截面彼此相對形成I形或者Y形槽，如圖1所示，形成的是I形槽，并在I形槽中具有大約0. Imm或更小的對接空間。根據鋁合金板材的形狀和厚度尺寸也可能形成Y形槽，Y形槽的夾角應小于或者等于10°，是由于陰極清理過程中形成的陰極斑點尺寸比較小，如果夾角太大，如傳統(tǒng)的 50-70°夾角，陰極斑點不足以覆蓋兩邊的焊件，陰極清理不徹底；同時，因為本焊接方法中不用填絲，如果夾角太大會造成焊后焊縫下凹，或者需要增加填充金屬，這勢必會增加熱影響區(qū)寬度，使焊接接頭性能和焊接效率下降，變極性方波鎢極的優(yōu)點不能充分發(fā)揮，因此夾角不宜過大。但夾角太小，如低于5°，在焊件的加工過程中，會增加工作量，并且角度太小不易控制，所以，優(yōu)選I形槽的焊接方式。第二步以一個恒定的速度連續(xù)移動待焊接工件1，待焊接工件1的移動方向如圖 1中箭頭所示的方向，與變極性方波鎢極槍2和激光束發(fā)射槍3的固定順序相反，形成變極性方波鎢極氬弧前置的方式，通過變極性方波鎢極槍2和激光束發(fā)射槍3沿焊線對待焊接工件1進行復合焊接。因為只有工件1移動，所以工件1的移動速度就決定了焊接速度，可以根據不同材料的特性和尺寸厚度等選擇不同的工件1移動速度和焊接速度。焊接速度以焊透工件為選擇原則，如焊接上述8mm厚的鋁合金板材時，焊接速度選用20mm/s。待焊接工件1開始移動后，首先把變極性方波鎢極氬弧作用于鋁合金工件1對接部分的表面，使工件1焊接部分的焊縫表面區(qū)域氧化膜等雜物去除并使之處于高溫熔融狀態(tài)。由于變極性方波鎢極氬弧焊的DCEN、DCEP半波時間、半波電流獨立可調，故具體數值根據工件1材料的特性和尺寸而不同，只要保證陰極清理作用順利完成的情況下，盡量降低直流反接半波時間，這個可以通過加大直流反接半波電流來實現；這樣一來合理分配了變極性電源的能量，使大部分能量來預熱鋁合金焊件，以獲得滿意的熔池，提高鋁合金對激光的吸收效率，充分發(fā)揮了激光焊接的優(yōu)勢，又使鎢極得到了最小的損燒。如本實施例中，上述8mm厚鋁合金板材，則一般情況下選擇正、反向電流幅值分別為80A和120A，電流正、反向導通時間比為4 1。第三步待焊接工件1開始移動后，使用高能量的激光束照射到已經被變極性方波鎢極氬弧加熱的焊接部分，進行焊接，直至最終完成焊接。由于焊縫表面處于高溫熔融狀態(tài)，降低了鋁合金板材對激光的反射率，提高了鋁合金板材對激光能量的吸收率，從而提高了激光的有效加熱深度，加大了焊縫熔深。本焊接方法中，由于變極性方波鎢極氬弧首先加熱了工件1的表面，并使工件表面產生了一定厚度的熔深，為更好的增加熔深，所以激光束的中心焦點可以落在工件1表面下方2-3mm處，這樣，不但可以有效降低焊縫寬度和熱影響區(qū)寬度，焊接后的焊縫不再需要打磨等工序，可直接獲得外形美觀的焊件，大幅度提高焊接質量，而且還可以節(jié)省人工成本及材料成本，提高激光的利用率和焊接效率。如本實施例中，上述8mm厚鋁合金板材，采用上述的焊接速度和焊接電流等參數，可保證焊縫焊透。在本發(fā)明所述的焊接方法中，變極性方波鎢極氬弧槍2和激光束發(fā)射槍3的射出方向的入射角對焊接質量有較大的影響，當變極性方波鎢極槍2存在入射角時，陰極清理的斑點大小以及清理效果會隨入射角的變化而變化，并且焊接接頭已經熔化的熔池最深位置和最寬位置會隨入射角的不同而改變，這樣鎢極離焊件的表面的距離也必須做出相應的調整，使控制精確度降低和控制系統(tǒng)復雜，對焊接質量和效率有較大的影響。如果激光束發(fā)射槍3的射出方向的入射角與焊接接頭也存在夾角，那么激光束焦點位置的落點和深度更難于直觀判斷，使現場焊接操作困難，質量控制復雜，對于焊接參數的確定變得十分困難，對焊接質量控制的影響更大。因此，本發(fā)明的變極性方波鎢極槍2和激光束發(fā)射槍3的射出方向相互平行且垂直作用于待焊接工件1上。變極性方波鎢極槍2垂直于母材時，焊接熔池的最寬位置可直觀顯示出來，其距離變極性方波鎢極槍2中心的距離非常容易測量獲得。而對于垂直入射的變極性方波鎢極氬弧焊，其焊縫最深位置與焊縫最寬位置一致，并且陰極清理作用這時效果最佳。因此，非常便于確定激光焊槍的位置。激光的焦點應該位于焊縫中心熔融金屬的最深處的直線上，在表面以下2-3mm處，此時，對于激光的吸收和增大焊接熔深最為有利，激光束發(fā)射槍的射出方向與焊縫表面最直，其焦點位置的落點便于直觀判斷，使現場焊接操作簡單，質量控制容易。如上所述，結合附圖和實施例所給出的方案內容，可以衍生出類似的技術方案。但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于該方法包括，(1)將變極性方波鎢極槍和激光束發(fā)射槍固定，其中變極性方波鎢極氬弧槍在前，激光束發(fā)射槍在后，將待焊接工件需要對接的部分對接，其中，變極性方波鎢極氬弧槍應在待焊部位的正上方，激光束的焦點在待焊工件焊接部分的中間；(2)連續(xù)移動待焊接工件，使用變極性方波鎢極氬弧槍對待焊接工件的焊接部位進行陰極清理和初始熔化，使焊接部分表面處于高溫熔融狀態(tài)；(3)隨后使激光束照射到所述焊接部分，從而加深變極性方波鎢極氬弧熔焊的熔深，完成焊接。
2.根據權利要求1所述的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于 其中變極性方波鎢極氬弧的鎢極為負和鎢極為正半波電流可獨立調節(jié)，調節(jié)范圍為5 300A。
3.根據權利要求1所述的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于其中激光束的離焦量為-2至_3mm。
4.根據權利要求1所述的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于其中變極性方波鎢極氬弧焊的鎢極中心與激光束中心之間的間距為1至3mm。
5.根據權利要求1所述的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述變極性方波鎢極槍和激光束發(fā)射槍固定于一個螺桿上，通過調節(jié)變極性方波鎢極中心與激光束中心之間的距離來進行焊接。
6.根據權利要求1所述的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于其中所述待焊接工件的焊接部分具有0. Imm或者更小的對接空間。
7.根據權利要求1所述的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述變極性方波鎢極所發(fā)射出來的電弧方向和激光束的照射方向相互平行且垂直作用于待焊接工件的焊接部分上。
8.根據權利要求1所述的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述待焊接工件的材料為鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金和低合金鋼中的一種或兩種。
9.根據權利要求1所述的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述待焊接工件焊接部分的截面彼此相對形成I形或者Y形槽。
10.根據權利要求9所述的變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，其特征在于所述Y形槽的夾角應小于或者等于10°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變極性方波鎢極氬弧和激光復合焊接方法，該方法首先將變極性方波鎢極氬弧焊焊槍和激光束發(fā)射槍固定，提供以恒定速度移動的工件，并形成變極性方波鎢極氬弧焊焊槍前置的方式，利用變極性方波鎢極氬弧焊電弧使焊接工件表面區(qū)域的氧化膜等雜物去除并使之處于高溫熔融狀態(tài)，隨后使激光束照射到焊接部分，從而加深變極性方波鎢極氬弧焊時熔焊的熔深，完成焊接。本發(fā)明所采用的焊接方法，可以降低金屬對激光的反射率，提高金屬對激光能量的吸收率，從而提高了激光的有效加熱深度，加大焊縫熔深，有效降低了焊縫寬度和熱影響區(qū)寬度，最后能獲得熔深較深，而熱影響區(qū)特別小，外形美觀的焊件。
文檔編號B23K28/02GK102161134SQ20091031072
公開日2011年8月24日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權日2009年12月1日
發(fā)明者丁叁叁, 呂任遠, 孟立春, 楊尚磊, 林君山, 林慶琳, 羅斌, 陳文賓 申請人:南車青島四方機車車輛股份有限公司