专利名称：采用辅助电流的激光焊接方法及辅助设备的制作方法
一种采用辅助电流的激光焊接方法及辅助设备属于激光材料加工技术领域。
激光焊接具有诸多优点，已在工业生产中得到应用。但是作为加工用的激光器件与传统的电弧等加工工具相比仍然是非常昂贵的。
目前激光焊接中又有不同方法，其中典型的两种方法的共同基本思路和出发点是通过增加附加热输入来提高加工效率。详述如下在70年代末，已有人研究采用“激光+电弧”的复合加工工艺，并申请了专利。如英国专利UKPA1547172；UKPA6998/78；美国专利No.4167662J。该项目技术旨在用廉价的电弧部分替代昂贵的激光，以降低设备的投资成本，提高激光器件的加工能力。目前这方面的研究方兴未艾。但这种复合工艺不太适合于铅合金，特别是高强铝合金的激光焊接。电弧这种相对发散型的热源附加于具有极小加工斑点的激光之中，将使整个热作用区大大增加，导致热影响区接头机械性能降低，工件热变形增大，激光焊接的优越性得不到充分的体现。
从80年代起，激光焊接中有人采用了热丝工艺，热丝工艺主要针对大厚度钢板开坡窄间隙的激光焊接，目前未见应用于铝合金的激光焊接中。该工艺是通过电流将焊丝加热后送入激光作用区，以减小熔化焊丝所占用的激光功率份额，以便激光主要用于建立并维持小孔，从而提高加工效率。其中热丝工艺中最简单的一种技术方案是将电源的一极与焊丝相连，另一极与工件相连形成电流回路，利用电阻热加热焊丝，为了依靠焊接坡口的导向作用将焊丝引导至激光作用区，因此焊丝在激光作用点之前就与工作相接触，文献报道接触点距激光束6-8mm，意味着热丝工艺所形成的电流回路并不一定包含熔池本身。换句话说，即使电流回路包含熔池，由于焊丝与工件较大的接触范围，大部分电流已直接通过工件流失，流经熔池的小部分电流难以形成一定需求的电磁场作用效果。另外，该工艺为了提供附加的热输入，通常焊丝的干伸长度较长，文献报道的典型焊丝干伸长度为40mm左右。热丝工艺由于焊丝加热至很高的温度，加上大的干伸长度，焊丝的指向性极差，必须依靠焊接坡口的导向作用才有可能顺利进行焊接。
最近，有人发现在激光焊接过程中存在因温度梯度引起的热电流，因此采用外加磁场可以影响熔池的电流的状态。外加磁场的方法是利用永久磁铁或电磁场或电磁铁的磁场与激光焊接时熔池内的固有热电流相互作用在熔池中产生电磁力来影响熔池的流动状态，进而改善激光焊接过程的稳定性，控制焊缝成型。该项发现也已申请了专利(德国专利197322008)。该方法虽然可明显改变焊缝形貌，但对于增加焊接深度并无实质性的影响，且外加磁场的产生方法较为繁杂。
本发明的目的在于提供一种可适用于钢及铝等合金中的采用辅助电流的激光焊接方法及为实现该方法而设计的辅助设备。本发明方法可有效、方便地改变或控制熔池的流动状态，达到强化激光能量的有效利用率和提高加工效率、改善激光焊接过程的稳定性及改善和控制焊缝成型之目的。
本发明的技术方案参见附图1、2、3，它是一种采用辅助电流的激光焊接方法，包括有通常的激光焊接方法，其特征在于采用另一套辅助设备通过附加电极或填充焊丝本身向焊接区提供辅助电流，使电流流过焊接熔池或焊接熔池的一部分时在熔池内产生电磁力。
以上所述的采用辅助电流的激光焊接方法，特征在于附加电极2可以置于激光焊接熔池5的前面，也可以在熔池5的两侧各设置一个附加电极2，附加电极2与工件8表面接触点离激光束3的光轴的距离小于等于5mm。
以上所述的采用辅助电流的激光焊接方法，特征在于当辅助电流通过填充焊丝9直接提供时，填充焊丝9从熔池的前方送入以上所述的采用辅助电流的激光焊接方法，特征在于辅助电流可设置在50～350A之间。
上述为采用辅助电流的激光焊接方法所设计的辅助设备，特征在于它包括有产生电流的电源装置1及附加电极2或装在焊炬导电嘴10中的焊丝9。其电流回路构成为电源装置1的一个输出极连接附加电极2或填充焊丝9，另一个输出极连接被焊工件8或连接设置在熔池之后与工件8或焊缝7表面相互接触的导电轮6。
以上所述的采用辅助电流的激光焊接方法所设计的辅助设备，特征在于采用两个附加电极的电流回路构成为电源装置1的两个输出极分别连接两个附加电极2。
以上所述的为采用辅助电流的激光焊接方法所设计的辅助设备，特征在于产生附加电流的电源装置可采用陡降外特性的焊接电源装置。
本发明的基本原理是在激光焊接的过程中，通过附加的电极(附图1、3)或填充焊丝本身(附图2)向焊接熔池或熔池的一部分提供辅助的电流，该电流在熔池向电流流经的区域产生垂直的电流线，且指向内的径向电磁吸引力，该电磁力与电流密度的平方成正比。与此同时，由于电极或焊丝与被焊工件(母材)体积的巨大差异，在电极或焊丝端部到工件的一个小的区域内，电流线迅速发散，也就是说在焊接熔池内的电流分布是极不均匀的，因此在熔池中形成因附加电流引起的压力差，即这种不均匀的电流分布除产生径向电磁吸引力之外，也产生了由高电流密度区指向低电流密度区的轴向电磁力。在焊接熔池产生的这些电磁力将改变熔池的流动状态及熔池的热交换条件，其电磁效应还可对激光诱导的等离子体4产生缩减效果。
因此在激光焊接过程中利用附加电流的电磁效应，在不增加热输入的情况下，主要通过改变熔池的流动状态和热交换条件，强化激光能量的有效利用率，提高加工效率，改善焊接过程的稳定性，或控制焊缝成型。并且利用附加电流的自生电磁效应提高了加工效率，改善了焊接过程的稳定性，有效控制了焊缝成型，方法简单，且易于实施。
图1本发明中采用1个附加电极的工作状况示意图，1、焊接电源，2、附加电极，3、激光束，4、激光诱导的等离子体，5、熔池，6、导电轮，7、焊缝，8、工件，9、填充焊丝，10、焊炬导电嘴；图2本发明中采用填充焊丝向焊接熔池提供附加电流的工作状况示意图；图3本发明中采用2个附加电极的工作状况示意图；
图4(1)、(2)、图5(1)、(2)采用辅助电流后提高了焊接效率的效果比较图，图4(1)、图5(1)均为无辅助电流时测得；图6采用辅助电流后改善焊接过程稳定性的效果比较图，图6(1)无辅助电流时测得，图6(2)为加辅助电流时测得；图7控制辅助电流大小后对焊缝成型影响的效果比较图。
以下为本发明的实施例及其效果比较一、采用辅助电流提高焊接效率1、图4所示为采用附图1的方案铝的CO2激光焊接时，采用加辅助电流与无辅助电流时的效果比较。本例中辅助电流通过直径为2.4mm的钨电极供应，电极与工件表面的接触点至光斑中心的距离约3mm；试样为Al99.5，板厚5mm；激光功率3.7kw。焦斑直径0.3mm；焊接速度2m/min。由附图4(1)可见，无辅助电流时，焊接深度约3.8mm；由图4(2)可见，采用200A的辅助电流后，5mm试样完全焊透。也就是说在相同的激光加工条件下采用辅助电流后，焊接深度或者说可焊接板的厚度增加了约30％。2、附图5所示为采用附图2的方案，通过填充焊丝本身直接向焊接熔池提供辅助电流时铝合金YAG(固体)的激光焊接效果，与无辅助电流时的效果的比较。本例中试样为AA6009铝合金，板厚3mm，填充焊丝AlSil2，直径1.2mm，送丝速度5m/min；激光功率3kw，光斑直径0.45mm，焊接速度3m/min。在该例中辅助电流J=200A的引入使焊接深度增加了20％，而根据计算辅助电流使焊丝加热所提供的附加热输入不足激光功率的1％。二、采用辅助电流改善焊接过程的稳定性附图6所示为采用附图2的方案铝合金CO2激光焊接时，采用加辅助电流与无辅助电流时焊缝背面成型的比较。此例中试样为AlMg3，板厚3mm，填充焊丝AlSi12，直径1.2mm，送丝速度3.4m/min；激光功率3kw，光斑直径0.3mm；焊接速度3m/min。图6(1)无辅助电流时，焊接过程不稳定，具体表现之一为焊缝背面成型不连续，出现断点，图6(2)采用I=150A的附加电流后，焊缝连续不存在断点。三、采用辅助电流控制焊缝成型附图7所示为采用附图2的方案，铝合金CO2激光焊接采用不同辅助电流时焊缝横截面成型的比较。此例中试样为AA 6009，板厚3mm，填充焊丝AlSi12，直径1.2mm，送丝速度3m/min，激光功率3kw，光斑直径0.3mm，焊接速度3m/min。图7(1)无辅助电流时，焊缝通常为正面宽而背面窄，采用辅助电流后根据电流大小的不同，如图7(2)辅助电流I=150A，图7(3)辅助电流I=200A，可以使焊缝成型均匀，这样有利于减小不均匀焊缝成型造成的扰曲变形，也可以使焊缝正面窄而下部宽，这对于搭接焊时增加搭接处的焊缝宽度，具有明显的意义。
权利要求
1.一种采用辅助电流的激光焊接方法，包括有通常的激光焊接方法，其特征在于采用另一套辅助设备通过附加电极或填充焊丝本身向焊接区提供辅助电流，使电流流过焊接熔池或焊接熔池的一部分时在熔池内产生电磁力。
2.根据权利要求1所述的采用辅助电流的激光焊接方法，其特征在于附加电极(2)可以置于激光焊接熔池(5)的前面，也可以在熔池(5)的两侧各设置一个附加电极(2)，附加电极(2)与工件(8)表面接触点离激光束(3)的光轴的距离小于等于5mm。
3.根据权利要求1所述的采用辅助电流的激光焊接方法，其特征在于当辅助电流通过填充焊丝(9)直接提供时，填充焊丝(9)从熔池的前方送入。
4.根据权利要求1所述的采用辅助电流的激光焊接方法，其特征在于辅助电流可设置在50～350A之间。
5.一种采用辅助电流的激光焊接方法所设计的辅助设备，其特征在于它包括有产生电流的电源装置(1)及附加电极(2)或装在焊炬导电嘴(10)中的焊丝(9)，其电流回路构成为电源装置(1)的一个输出极连接附加电极(2)或填充焊丝(9)，另一个输出极连接被焊工件(8)或连接设置在熔池之后与工件(8)或焊缝(7)表面相互接触的导电轮(6)。
6.根据权利要求5所述的采用辅助电流的激光焊接方法所设计的辅助设备，其特征在于采用两个附加电极的电流回路构成为电源装置(1)的两个输出极分别连接两个附加电极(2)。
7.根据权利要求5所述的采用辅助电流的激光焊接方法所设计的辅助设备，其特征在于产生附加电流的电源装置可采用陡降外特性的焊接电源装置。
全文摘要
一种采用辅助电流的激光焊接方法及辅助设备属于激光材料加工技术领域。该辅助设备在原激光焊装备的基础上增设了两个输出极分别接附加电极或填充焊丝和工件的焊接电源装置。其附加电极或填充焊丝置于熔池的前面，或熔池两侧，向焊接熔池提供辅助电流，在熔池中产生电磁力。本发明可改变和控制熔池的流动状态和热交换条件，强化激光能量利用率，改善焊接过程的稳定性，良好地控制了焊缝的成型。本发明方法简单，且易于实施。
文档编号B23K26/00GK1317388SQ01118729
公开日2001年10月17日 申请日期2001年6月8日 优先权日2001年6月8日
发明者肖荣诗, 左铁钏 申请人:北京工业大学