一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接方法，属于材料加工工程领域。
【背景技术】
[0002]自从上世纪七十年代提出激光-电弧复合焊接方法以后，激光-电弧复合焊接方法得到了广泛的应用，其主要思想是充分利用电弧能量，在较小的激光功率条件下获得较大的焊接熔深，同时提高激光焊接对接焊缝间隙适应性，实现效率高、质量高的焊接过程。复合焊接过程中，激光热源主要有CO2激光，YAG激光，光纤激光等。激光-TIG电弧复合焊接作为一种典型的复合焊接方式，具有很多优点:①降低激光能量输入，高效节能；②增加焊缝熔深，稳定焊接电弧；③提高了焊接适应性，可进行高速焊接通过调节两种热源能量的匹配，改善焊缝成型。虽然激光-TIG电弧复合焊接最早开始研究，传统激光-TIG电弧复合焊接一般主要用于薄板高速焊接或者不等厚板焊接，但在应用方面一直没有实质性的进展。
[0003]目前，主要是因为激光-TIG电弧焊接存在以下一些问题:
[0004](I)传统的TIG电弧等离子体体积较大，能量密度低，使得焊缝熔深较浅；
[0005](2)当TIG电弧电流较大时，容易导致InFocus焊枪阴极烧损；
[0006](3)相对于激光焊接，激光-TIG电弧复合焊接速度可以到达其两倍以上，但在高速焊接过程中，TIG电弧稳定性较差，焊接质量不易保证；
[0007](4)在薄板焊接时，由于TIG电弧的特性使得进一步提高焊接速度受到限制。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是针对激光-TIG复合焊接存在的问题，提出一种新方法一激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接新技术。
[0009]本发明的一种激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的:
[0010]一、焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨并清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
[0011]二、利用夹具将激光头与InFocus焊枪固定，若焊接对象为对焊接激光无反射的材料，则将激光头垂直于焊接对象，调节InFocus焊枪与焊接对象角度至45?60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2?3mm，两热源作用点相距I?2mm ;若焊接对象为对焊接激光有反射的材料，则将InFocus焊枪垂直于焊接对象，调节激光束与水平面的夹角至45?60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2?6mm，两热源作用点相距I?2mm ；
[0012]三、设置焊接工艺参数:光斑直径为0.3mm，离焦量在-3?+ 3mm，激光功率500?5000W ;电弧电流为50?1000A，焊接速度为50?900mm/min，保护气采用Ar气，保护气流量为10?30L/min ；
[0013]四、采用机器人集成系统控制步骤三设置的焊接工艺参数，首先采用InFocus电弧起弧，在电弧稳定I?2S后，向激光束和电弧相互作用的熔池区域送给焊丝，通过控制机器人使激光工作头和InFocus焊枪共同运动完成焊接过程，即完成所述的激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接。
[0014]激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接是指将激光与InFocus电弧两种热源互成一定角度共同作用于一个焊接熔池的新方法，如图1所示。激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接有两种复合方式:复合方式一，激光垂直作用于母材，InFocus电弧与竖直方向呈一定角度作用于母材；复合方式二，电弧垂直作用与母材，而激光与竖直方向呈一定角度作用于母材。
[0015]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技术具有传统的TIG焊的优点，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 —致；(5)加工稳定性和可重复性好。
[0016]InFocus电弧受到机械压缩并优化了阴极冷却设计，使其具有一下优点:(I)电弧能量尚度集中，能量利用率提尚，电流峰值尚达1000A，可进彳丁匙孔焊接，焊接恪深显者增加，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。
[0017]基于此，本发明提出了一种新的激光-TIG电弧复合焊接方法--激光-1nFocus
电弧双焦点复合焊接。
[0018]激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接相比于激光-TIG复合焊的有益效果表现为以下几点:
[0019]1、InFocus电弧能量密度集中，电弧电流峰值可以高达1000A，相对于传统的TIG电弧400A的峰值提高了能量利用率，从而可以降低激光能量，降低生产成本。激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接可焊接中厚板，弥补了激光-TIG电弧复合焊接主要应用在薄板焊接的不足；
[0020]2、InFocus可实现高速焊接，既解决了激光-TIG复合焊接时，激光与TIG焊接速度不匹配的问题，也极大的提高了生产效率；
[0021]3、由于InFocus电弧重新设计了阴极位置，电弧受到外部约束压缩，在复合焊接过程中，等离子体受到保护气的效果更好，提高焊接质量；InF0Cus电弧更易实现机械化和自动化，激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接也相应地更易实现自动化，可以提高焊接效率，降低焊接成本。
【附图说明】
[0022]图1为激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接针对焊接激光无反射的材料的焊接示意图；
[0023]图2为激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接针对焊接激光有反射的材料的焊接示意图；
[0024]图3为采用激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接的焊缝表面成型图；
[0025]图4为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min的焊缝表面成型图；
[0026]图5为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为200mm/min的焊缝表面成型图；
[0027]图6为采用激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接焊缝宏观金相图；
[0028]图7为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为500mm/min的焊缝宏观金相图；
[0029]图8为采用激光-TIG电弧复合焊接在激光功率3500W，电弧电流为250A，焊接速度为200mm/min的焊缝宏观金相图。
【具体实施方式】
[0030]【具体实施方式】一:本实施方式的一种激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的:
[0031]—、焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨并清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
[0032]二、利用夹具将激光头与InFocus焊枪固定，若焊接对象为对焊接激光无反射的材料，则将激光头垂直于焊接对象，调节InFocus焊枪与焊接对象角度至45?60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2?3mm，两热源作用点相距I?2mm ;若焊接对象为对焊接激光有反射的材料，则将InFocus焊枪垂直于焊接对象，调节激光束与水平面的夹角至45?60°，并使InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离为2?6mm，两热源作用点相距I?2mm ；
[0033]三、设置焊接工艺参数:光斑直径为0.3mm，离焦量在-3?+ 3mm，激光功率500?5000W ;电弧电流为50?1000A，焊接速度为50?900mm/min，保护气采用Ar气，保护气流量为10?30L/min ；
[0034]四、采用机器人集成系统控制步骤三设置的焊接工艺参数，首先采用InFocus电弧起弧，在电弧稳定I?2S后，向激光束和电弧相互作用的熔池区域送给焊丝，通过控制机器人使激光工作头和InFocus焊枪共同运动完成焊接过程，即完成所述的激光-1nFocus电弧双焦点复合焊接。
[0035]本实施方式的InFocus焊接采用Kjellberg公司生产的InFocus 1000A型号的焊机。
[0036]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中所述的坡口加工是指加工成双V型坡口、双U型坡口、双Y型坡口或带钝边双U型坡口。其他与【具体实施方式】一相同。
[0037]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤二中所述的对焊接激光无反射的材料为普通碳钢、低合金钢、TCji；合金或铜基铁基金属基复合材料。其他与【具体实施方式】一相同。
[0038]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。其他与【具体实施方式】一相同。
[0039]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤二中所述的InFocus焊枪阴极端点距离激光焦平面的距离均为5mm，两热源作用点相距I?2mm。其他与【具体实施方式】一相同。
[0040]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤三中所述的光斑直径为0.3mm,离焦量在-3?+ 3mm,激光功率1000?5000W ；电弧电流为200?1000A，焊接速度为100?900mm/min，保护气采用Ar气，流量为15?30L/min。其他与【具体实施方式】一相同。
[0041]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤三中所述的光斑直径为0.3mm,离焦量在-3?+ 3mm,激光功率2000?5000W ；电弧电流为500?1000A，焊接速度为300?900m