专利名称：激光-超小电流gma复合热源焊接方法
技术领域：
本发明提出的激光-超小电流GMA复合热源焊接方法，属于激光-电弧复合 热源焊接技术领域，特别涉及到激光一超小电流GMA复合热源焊接超低变形的薄板 金属材料。
背景技术：
铝合金、不锈钢、碳钢薄板的焊接变形控制技术是焊接领域的技术难题之一。 焊接变形与材料、焊接方法、焊接工艺等因素有关。采用常规GMA焊接铝合金、不 锈钢等薄板材料的主要问题之一就是焊接接头变形量大。从焊接工艺角度考虑，降 低热输入量(线能量)是减少焊接接头变形量的有效方法之一。在相同的焊接速度 下，焊接电流越小，接头变形量越小。但是随着焊接电流减小，焊缝熔深也相应减 小，当焊接电流减小到一定程度时例如15A 30A，甚至无法形成连续的焊缝，更谈 不上焊接了。因此对于常规GMA来说，为了保证焊接接头的可靠性、获得具有一定 深度熔深，就不能采用太小的电流，这也就限制了焊接接头变形量的进一步降低。
最近发展了激光一电弧的复合热源焊接方法，这种复合热源也因电弧电流比较 大，对超薄金属的焊接仍不能完全解决其焊接接头的变形问题。
发明内容
为了克服背景技术中超薄金属板的焊接接头的变形大的难题，本发明提供一种 新的激光一超小电流GMA复合热源焊接方法，该方法能获得金属薄板的优质、超低 变形的焊接接头。
本发明的技术方案如下
1、 一种激光一超小电流GMA复合热源焊接方法，激光对小电流电弧有一定稳 定作用，其特征在于，
1) 复合热源焊接过程中，GMA电弧5采用平均电流为15A 30A的小电流， 焊接钢材时，激光1功率大于800W,焊接铝合金时激光1功率大于1600W;
2) GMA电弧5和激光1沿焊接方向排列，并且激光束1在前，GMA电弧5在 后，光丝间距d为0mm 3mm， GMA电弧5与激光束1两者形成的熔池应当连成 一体；
3) GMA焊枪2与水平面夹角a为45 75'。
2、 根据权利要求l所述的一种激光一超小电流GMA复合热源焊接方法，其特征 在于，
即可以是常规混合气体GMA电弧，也可以是脉冲混合气体GMA电弧，还可以 是Ar、 He、 C02的GMA电弧，适用的激光类型包括Nd: YAG激光，C02激光或光 纤维激光，激光输出类型即可以是连续输出，也可以是脉冲输出。
3、 根据权利要求1所述的一种激光一超小电流GMA复合热源焊接方法，其特征 在于，
该焊接方法适用于铝合金、碳钢、低合金钢、不锈钢以及上述两种异种金属间 的厚度为0.5mm 4mm薄金属板焊接。
本发明提出的焊接方法与常规的GMA焊接方法相比最明显的优点是能够大幅度 降低焊接接头的变形量，尤其焊接铝合金薄板时，与常规GMA焊接方法相比，该焊 接方法能够降低焊缝变形量80% 90%。另外，提高焊接效率是本焊接方法的另一 个优点。常规GMA焊接速度一般为0.3m/min 1.0m/min，而本焊接方法正常焊接速 度范围为1.0m/min 3.0m/min，焊接速度提高1倍以上，焊接效率也就提高1倍以 上。此外本焊接方法还具有细化焊缝晶粒，提高焊缝的机械性能的特点。
图1本发明提出的激光一超小电流GMA复合热源焊接方法的示意图
图1中1是激光束，2是GMA电弧焊枪，3是GMA焊丝，4是焊接试板，5 是GMA电弧，cH)mm 3mm是光丝距离，即激光束光斑与GMA电弧焊丝端点间 的距离，a =45° 75° a是GMA焊枪与水平面间的夹角，箭头表示焊接方向。
在本发明的焊接方法中，复合热源中的激光束1和GMA电弧5沿焊接方向排列， 并且激光束1在前，GMA电弧5在后。首先调整GMA焊枪与水平面的夹角为45 ° 75° ，焊丝干身长度控制在10mm 17mm，然后激光束1沿焊接试板4表面呈 基本垂直方向施加。由于在15A 30A的超小电流条件下单独的GMA电弧5热量小、 无法保持稳定的电弧，不能形成连续焊接，激光束l与GMA电弧5两者相互作用， 相辅相成而形成稳定的GMA电弧5，最终形成具有合适熔深的焊缝和超低变形量的 焊接接头，这里最关键的是GMA电弧5形成的熔池和激光束1形成的熔池要连为一 体。为了确保这一点，要求试板4表面的光丝距离d为Omm 3mm，输入到试板4 表面的激光密度必须大于激光小孔深熔焊模式的功率密度阈值，对于焦点直径为
0.6mm、波长为1.064 u m的YAG激光，在焊接碳钢材料时激光功率要大于800W， 在焊接铝合金时激光功率要大于1600W。
本发明使用的即可以是常规混合气体GMA电弧，也可以是脉冲混合气体GMA 电弧，还可以是Ar、 He、 C02的GMA电弧。适用的激光类型包括Nd: YAG激光、 C02激光或光纤激光，激光输出类型即可以是连续输出，也可以是脉冲输出。
具体实施例方式
试验条件如下激光器为德国HAAS公司生产的HL2006D型Nd: YAG固体激 光器，最大输出功率2.0kW，波长1.06um，采用焦距为200mm的焊枪，激光焦点 位于工件表面下0.5mm;电弧焊机为奥地利Fonius公司生产的TPS5000型数字化 GMA焊机；
铝合金焊接实例
下面以5A06铝合金板材为例说明具体实施方案。选用直径为1.2mm的5356焊 丝；试验板材为2.0mm厚的5A06铝合金，试板的尺寸为50mmX400mm;
激光一超小电流GMA复合热源焊接参数工件表面处光丝间距d为lmm，焊 接速度lm/min，激光功率1850W，送丝速度1.0m/min，平均焊接电流15A (焊接过 程采用脉冲GMA焊，熔滴过渡频率为一个脉冲一个熔滴)，平均电弧电压16.7V， 焊丝干伸长14mm，焊接过程用纯Ar保护，保护气体流量20L/min; GMA焊枪与水 平线夹角60° 。
激光一超小电流GMA复合热源焊接结果2mm厚铝合金沿焊接接头纵向挠曲 变形量为9.8mm/m， 2mm铝板全焊透。
为了与常规GMA对比变形情况，又进行了一组GMA焊接试验，焊接参数如下 焊接速度1.0m/min，平均焊接电流75A(确保2mm铝板全熔透的最小电流)，平均电 弧电压16.0V，焊丝干伸长14mm，保护气体流量20L/min;
常规GMA焊接结果2mm厚铝合金沿焊接接头纵向挠曲变形量为102.5mm/m， 2mm铝板全焊透。
通过以上两种焊接方法焊接2mm厚5A06铝合金试验可看出，常规GMA焊缝纵 向挠曲变形量为102.5mm/m，而激光一超小电流GMA复合热源焊接接头纵向挠曲 变形量为9.8mm/m。也就是说激光一超小电流GMA复合热源焊接接头的纵向挠曲
变形量相当于常规GMA焊接接头的1/10。可见该焊接方法能有效地降低焊接接头变 形量。
碳钢焊接实例-
下面以Q235板材为例说明具体实施方案。选用直径为l.Omm的H08Mn2Si焊丝； 试验板材为l.Omm厚的Q235低碳钢，试板的尺寸为50mmX400mm;
激光一超小电流GMA复合热源焊接参数工件表面处光丝间距d为lmm，焊 接速度2m/min，激光功率900W，送丝速度1.0m/min，平均焊接电流15A (焊接过 程采用脉冲GMA焊，熔滴过渡频率为一个脉冲一个熔滴)，平均电弧电压17.1V， 焊丝干伸长14mm，保护气体Ar/C02=95/5为20L/min; GMA焊枪与水平面夹角为 60° 。
激光一超小电流GMA复合热源焊接结果焊缝熔深为lmm低碳钢板全焊透， lmm厚低碳钢板沿焊接接头纵向挠曲变形量为5.1mm/m。
为了与常规GMA对比变形情况，又进行了一组GMA焊接试验，焊接参数如下 焊接速度1.0m/min，平均焊接电流80A，平均电弧电压16.5V,焊丝干伸长14mm， 保护气体Ar/C02=95/5为20L/min。
常规GMA焊接结果焊缝熔深为lmm低碳钢板全焊透，1mm厚低碳钢板沿焊 接接头纵向挠曲变形量为67.5mm/m，。
通过以上两种焊接方法焊接1mm厚Q235低碳钢薄板试验可看出，常规GMA 焊缝纵向挠曲变形量为67.5mm/m，而激光一超小电流GMA复合热源焊接接头纵向 挠曲变形量为5.1mm/m。也就是说激光一超小电流GMA复合热源焊接接头的纵向 挠曲变形量相当于常规GMA焊接接头的1/13。
不锈钢焊接实例
下面以304不锈钢板材为例说明具体实施方案。选用直径为l.Omm的307焊丝； 试验板材为1.5mm厚的304不锈钢，试板的尺寸为50mmX400mm。
激光一超小电流GMA复合热源焊接参数工件表面处光丝间距d为lmm，焊 接速度2.5m/min，激光功率IIOOW，送丝速度1.5m/min，平均焊接电流20A (焊接 过程采用脉冲GMA焊，熔滴过渡频率为一个脉冲一个熔滴)，平均电弧电压17.2V, 焊丝干伸长14mm，保护气体Ar/CO2=90/10为20L/min， GMA焊枪与水平面夹角为 60° 。
激光一超小电流GMA复合热源焊接结果焊缝熔深为1.5mm不锈钢板全焊透， 1.5mm不锈钢板沿焊接接头纵向挠曲变形量为7.5mm/m。
为了与常规GMA对比变形情况，又进行了一组GMA焊接试验，焊接参数如下 焊接速度1.0m/min，平均焊接电流100A，平均电弧电压17.2V,焊丝干伸长14mm， 保护气体Ar/CO2=90/10为20L/min。
常规GMA焊接结果焊缝熔深为1.5mm不锈钢板全焊透，1mm厚低碳钢板沿 焊缝纵向挠曲变形量为70.5mm/m。
通过以上两种焊接方法焊接1.5mm厚304不锈钢薄板试验可看出，常规GMA 焊接接头纵向挠曲变形量为70.5mm/m，而激光一超小电流GMA复合热源焊接接头 纵向挠曲变形量为7.5mm/m。也就是说激光一超小电流GMA复合热源焊接接头的 纵向挠曲变形量相当于常规GMA焊接接头的1/9。
权利要求
1、一种激光-超小电流GMA复合热源焊接方法，激光对小电流电弧有一定稳定作用，其特征在于，1)复合热源中GMA电弧(5)采用平均电流为15～30A的小电流，焊接钢材时，激光束(1)功率大于800W，焊接铝合金时激光束(1)功率大于1600W；2)GMA电弧(5)和激光束(1)沿焊接方向排列，并且激光束(1)在前，GMA电弧(5)在后，光丝间距d为0mm～3mm，GMA电弧(5)与激光束(1)两者形成的熔池应当连成一体；3)GMA焊枪(2)与水平面夹角α为45°～75°。
2、 根据权利要求l所述的一种激光一超小电流GMA复合热源焊接方法，其特征 在于，即可以是常规混合气体GMA电弧，也可以是脉冲混合气体GMA电弧，还可以 是纯Ar、 He、 C02的GMA电弧；适用的激光类型包括Nd: YAG激光，(302激光或 光纤维激光，激光输出类型即可以是连续输出，也可以是脉冲输出。
3、 根据权利要求1所述的一种激光一超小电流GMA复合热源焊接方法，其特征在于，该焊接方法适用于铝合金、碳钢、低合金钢、不锈钢以及上述两种异种金属间 的厚度为0.5mm 4mm薄金属板焊接。
全文摘要
本发明提出了一种激光-超小电流GMA复合热源焊接方法。本焊接方法要解决金属薄板焊接时变形量大的技术难题，本发明的主要内容包括复合热源焊接中GMA电弧(5)采用的平均电流为15～30A，焊接钢材时激光(1)功率大于800W，焊接铝合金时大于1600W，激光束(1)在前，GMA电弧(5)在后，光丝间距为0mm～3mm，两者熔池连成一体。本焊接方法适用于铝合金、碳钢、低合金、不锈钢以及两种上述异种金属间的板材厚度为0.5mm～4mm的薄金属板焊接。
文档编号B23K28/00GK101347870SQ200810222138
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月10日 优先权日2008年9月10日
发明者卜大川, 兵 杜, 林尚扬, 威 王, 王旭友, 秦国梁, 振 雷 申请人:机械科学研究院哈尔滨焊接研究所