一种激光‑InFocus电弧双面对称复合焊接方法与流程

一种激光-InFocus电弧双面对称复合焊接方法技术领域本发明涉及一种激光-InFocus电弧双面对称复合焊接技术，属于材料加工工程领域。

背景技术：
在焊接生产中，如何提高产品质量和焊接生产率，降低焊接成本，一直是迫切需要解决的问题。由于具有功率密度高、同等热输入量时熔深大、热影响区窄、焊接变形小、焊接速度快等优势，激光在焊接生产中得到了越来越广泛的应用。但是，激光焊接也存在一些不足之处，例如，能量转换和利用率低、焊接成本高，尤其对高反射率、高导热系数的铝合金材料焊接困难；焊接过程不稳定，也在很大程度上限制了激光焊接技术的应用范围。采用激光填丝焊对减少下塌缺陷、改善焊缝冶金性能、提高间隙适应性、实现厚板多层焊接具有一定的优势，其缺点是焊丝对中要求严格、焊丝会吸收和反射一部分激光能量，焊接质量有赖于焊丝的对位精度，焊丝送进过程的任何干扰会立即导致焊缝缺陷的产生，且对激光器功率要求较大，焊接成本很高。双光束焊接的匙孔尺寸大、稳定性好，能较好的消除气孔、改善焊缝成形，但是需要激光功率高、焊接成本高。激光-电弧复合技术能够提高工件对激光的吸收率、增大熔深、提高电弧稳定性、减少焊接缺陷，但是同样存在电弧对激光吸收和散焦严重、电极烧损、焊接方向性，焊接成本高等问题。哈工大陈彦宾教授、苗玉刚博士在国内外首先提出了一种新型的铝合金焊接方法—激光-TIG双面焊接，如图所示。在4mm铝合金薄板焊接中取得了良好的效果，有效的解决了上述问题。但由于传统TIG电弧的能量分散，在焊接厚板时也需要较大的激光功率，提高了焊接成本。此外，TIG电弧存在磁偏吹现象，在焊接磁性材料时会出现焊接质量明显下降。

技术实现要素：
本发明旨在针对激光-TIG双面焊接中厚板时，激光功率要求大，导致成本过高等诸多问题，提出一种激光-InFocus电弧双面对称复合焊接方法。本发明的激光-InFocus电弧双面对称复合焊接技术是指在双面焊接过程中，激光束和InFocus电弧在工件两侧同时对称加热，并保持激光束和InFocus焊枪的轴线与工件垂直，如图2所示。本发明的一种激光-InFocus电弧双面对称复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：步骤一:将工件的待焊部位加工成Ⅰ形或Y形坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，将打磨和清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；步骤二:在焊接过程中始终保持激光束和InFocus弧焊枪在一条轴线上，其轴线与工件的夹角为85°～95°；步骤三:设定焊接工艺参数：光斑直径为0.1～0.5mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为500～5000W，InFocus电弧电流为50～1000A，焊接速度为50～900mm/min，激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量为10～30L/min，InFocus保护气流量为10～25L/min；步骤四:启动控制开关，进行激光和InFocus弧双面复合焊接，在工件一侧进行激光匙孔焊，另一侧通过InFocus弧进行匙孔焊接，进行双面复合焊接，形成激光-InFocus电弧双面复合焊缝。InFocus技术是一种利用特殊材料设计制成的阴极，并且对阴极充分冷却，使电弧高度聚集于电极尖端，极大的提高了能量密度，电弧稳定性和电弧压力。InFocus技术与传统的TIG焊相比具有明显的优势，尤其在于：(1)低投入，相比等离子弧焊、激光焊接，其设备成本大幅降低；(2)对装配要求低；(3)应用广泛，可适用于各种材料焊接，焊接参数可识别性好；(3)焊接烟尘小，飞溅小；(4)保护需求与TIG一致；(5)加工稳定性和可重复性好。InFocus电弧受到机械压缩并优化了阴极冷却设计，使其具有以下优点：(1)电弧能量高度集中，能量利用率提高，电流峰值高达1000A，可进行匙孔焊接，焊接熔深显著增加，深宽比加大，显著提高了生产效率；(2)电弧等离子体体积减小，气体保护效果更好；(3)无磁偏吹(4)InFocus焊枪设计科学，经久耐用，耗材更换简单，且更易实现机械化和自动化。本发明的激光-InFocus电弧双面对称复合焊接技术相比于传统的激光-TIG电弧双面对称复合焊接技术主要有以下几个优点：(1)InFocus电弧电流峰值可以高达1000A，相对于TIG电弧400A的峰值，电流作用力和能量密度较大，可实现匙孔焊接，熔深大，焊接速度快，极大的提高了焊接效率，在焊接中厚板时可使用小功率激光器，极大的降低了成本；(2)由于对阴极的强烈冷却，InFocus电弧受到外部约束大大降低等离子体体积，在焊接过程中，等离子体受到保护气的效果更好，电弧压力大大提高，无磁偏吹产生，提高焊接质量；(3)InFocus焊枪可与TIG焊机良好适配，无需专用电源，设备成本大幅降低，焊枪可靠耐用，耗材互换性良好；InFocus焊枪设计易于实现机械化和自动化。附图说明图1为激光-TIG双面焊接示意图；图2为激光-InFocus电弧双面对称复合焊接示意图；图3为用激光-TIG双面对称焊接10mm厚铝合金板，在激光功率为2000W，TIG电流为350A的图；图4为用激光-TIG双面对称焊接10mm厚铝合金板，在激光功率为2500W，TIG电流为350A的图；图5为用激光-TIG双面对称焊接10mm厚铝合金板，在激光功率为3000W，TIG电流为350A的图；图6为用激光-InFocus双面对称焊接10mm厚铝合金板，在激光功率为1000W，InFocus电流为800A的图；图7为用激光-InFocus双面对称焊接10mm厚铝合金板，在激光功率为1500W，InFocus电流为800A的图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种激光-InFocus电弧双面对称复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：步骤一:将工件的待焊部位加工成Ⅰ形或Y形坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，将打磨和清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；步骤二:在焊接过程中始终保持激光束和InFocus弧焊枪在一条轴线上，其轴线与工件的夹角为85°～95°；步骤三:设定焊接工艺参数：光斑直径为0.1～0.5mm，离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为500～5000W，InFocus电弧电流为50～1000A，焊接速度为50～900mm/min，激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量为10～30L/min，InFocus保护气流量为10～25L/min；步骤四:启动控制开关，进行激光和InFocus弧双面复合焊接，在工件一侧进行激光匙孔焊，另一侧通过InFocus弧进行匙孔焊接，进行双面复合焊接，形成激光-InFocus电弧双面复合焊缝。在本实施方式中，InFocus焊枪采用Kjellberg公司生产的InFocus1000A型号的焊机，在焊接时可根据板的厚度调节焊接电流的大小。在焊接中，时刻保持激光束和InFocus焊枪的轴线的连线与工件垂直，激光束和InFocus电弧在工件两侧同时对称加热，完成焊接。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的复合焊接是采用激光与InFocus电弧垂直于焊缝方向的并行放置方式进行焊接，焊接条件为：使焊枪与激光头处于同一平面，且该平面垂直于焊缝方向，激光头位于待焊工件中熔点相对高的工件一侧，且激光束焦点聚焦在对接焊缝待焊工件中熔点相对高的工件一侧的边缘，激光束与竖直方向夹角为5～30°；InFocus电弧的焊枪位于待焊工件中熔点相对低的工件一侧，且焊枪置于焊缝间隙中心位置处。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中的轴线与工件的夹角为90°～95°。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的设定焊接工艺参数：光斑直径为0.2～0.5mm，离焦量为﹣2～﹢2mm，激光功率为100～5000W，InFocus电弧电流为100～1000A，焊接速度为100～900mm/min，激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量为10～30L/min，InFocus保护气流量为10～25L/min。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的设定焊接工艺参数：光斑直径为0.3～0.5mm，离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为500～5000W，InFocus电弧电流为200～1000A，焊接速度为200～900mm/min，激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量为10～30L/min，InFocus保护气流量为10～25L/min。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的设定焊接工艺参数：光斑直径为0.3～0.5mm，离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为1000～5000W，InFocus电弧电流为300～1000A，焊接速度为300～900mm/min，激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量为10～30L/min，InFocus保护气流量为10～25L/min。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的设定焊接工艺参数：光斑直径为0.3～0.5mm，离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为2000～5000W，InFocus电弧电流为400～1000A，焊接速度为400～900mm/min，激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量为10～30L/min，InFocus保护气流量为10～25L/min。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的设定焊接工艺参数：光斑直径为0.3～0.5mm，离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为3000～5000W，InFocus电弧电流为500～1000A，焊接速度为500～900mm/min，激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量为10～30L/min，InFocus保护气流量为10～25L/min。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的设定焊接工艺参数：光斑直径为0.3～0.5mm，离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为4000～5000W，InFocus电弧电流为600～1000A，焊接速度为600～900mm/min，激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量为10～30L/min，InFocus保护气流量为10～25L/min。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的设定焊接工艺参数：光斑直径为0.3～0.5mm，离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为4000～5000W，InFocus电弧电流为700～1000A，焊接速度为700～900mm/min，激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量为10～30L/min，InFocus保护气流量为10～25L/min。其它与具体实施方式一相同。本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。通过以下实施例验证本发明的有益效果：实施例1传统的激光-TIG双面对称复合焊接中，TIG熔深较小(2mm～3mm)，当在焊接厚板时，为了不开坡口一次焊透，则需要采用大功率的激光器，增加了成本。为了与传统的激光-TIG双面对称复合焊接作比较，本实施例分别采用激光-TIG双面对称复合焊接方法与激光-InFocus双面对称复合焊接方法焊接10mm厚铝合金板。首先采用激光-TIG双面对称复合焊接，具体操作步骤如下：步骤一:将工件的待焊部位加工成Ⅰ形坡口,并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨或清洗,将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上步骤二:调节TIG焊枪和激光头的位置、在焊接过程中始终保持激光束和TIG弧焊枪在一条轴线上,其轴线与工件的夹角为85°～95°。步骤三:设定焊接工艺参数,实验用光纤激光器时，激光功率分别为2000W、2500W、3000W。TIG电弧电流固定在350A，焊接速度在500mm/min。激光和TIG保护气均采用Ar气，激光保护气流量在25L/min，InFocus保护气流量在15L/min。步骤四:启动控制开关,进行激光和TIG弧双面复合焊接，形成激光-TIG电弧双面复合焊缝。然后采用激光-InFocus双面对称复合焊接，具体操作步骤如下：步骤一:将工件的待焊部位加工成Ⅰ形坡口,并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨或清洗,将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上步骤二:调节InFocus焊枪和激光头的位置、在焊接过程中始终保持激光束和InFocus弧焊枪在一条轴线上,其轴线与工件的夹角为85°-95°。步骤三:设定焊接工艺参数,实验用光纤激光器时，激光功率为1000W和1500W。InFocus电弧电流在800A左右，焊接速度在500mm/min。激光和InFocus保护气均采用Ar气，激光保护气流量在25L/min，InFocus保护气流量在15L/min。步骤四:启动控制开关,进行激光和InFocus弧双面复合焊接，在工件一侧进行激光匙孔焊,另一侧通过InFocus弧也能进行匙孔焊接，进行双面复合焊接,形成激光-InFocus电弧双面复合焊缝。用激光-TIG双面对称焊接10mm厚铝合金板，如图3至5所示，当TIG电流接近焊机的峰值电流达到350A时，为了保证焊透，激光功率需要达到3000W，此时焊缝成型美观，焊接变形较小。因此采用激光-TIG双面对称焊接10mm铝合金板需要采用的激光器最小功率为3000w。采用激光-InFocus双面对称焊接10mm厚铝合金板，如图6和7所示，由于InFocus电弧电流峰值可以高达1000A，能量密度高，可进行匙孔焊接，焊接熔深显著增加。当InFocus电流达到800A时，激光功率只需要达到1500W，就可以实现完全焊透。此时焊缝成型美观，焊接变形较小。因此采用激光-InFocus双面对称焊接10mm铝合金板可以采用功率较小的激光器，大大的节约了焊接成本。