专利名称：一种激光-电弧复合热源窄间隙精密焊接方法
技术领域：
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本发明专利提出一种激光-电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，属于精密焊接技 术领域，特别涉及到激光与电弧复合实现窄间隙下的精密焊接。
背景技术：
激光焊接技术具有焊接速度高、焊接变形小，焊缝深宽比大等优点在精密件的焊 接中得到了较为广泛的应用。在常规金属材料的激光焊接中，焊缝金属的冷却速度 较快，在一定程度上可以减小焊接变形，是激光焊接的优点之一，但是在特殊材料 的焊接中，激光焊缝冷却速度快的特点并非是激光焊的优点，反而成为了制约激光 焊接技术应用的的缺点。特别是用激光焊焊接具有一定淬硬倾向的材料时，由于激 光焊缝的冷却速度较快，焊后易生成淬硬组织，焊缝容易开裂，致使激光焊接技术 无法直接用于此类材料的焊接，为了防止焊后裂纹的产生，通常采取预热和后热处 理。但是，预热和后热处理会使焊接工艺变得复杂，同时会降低激光焊接效率，而 对于某些淬硬倾向较大的材料，在不填加填充金属的条件下，即使采取预热和后热 处理也无法避免裂纹的产生， 一般而言，对于这种淬硬倾向较大材料的焊接通常采 用激光填丝焊来代替激光焊。通过选择合适的填加金属，激光填丝焊可以较好地改 善焊缝金属的组织，防止焊接裂纹的产生，但是激光填丝焊也有一些缺点。由于焊 接过程中很大一部分的激光能量用来熔化填充金属，因此激光填丝焊会严重影响激 光的穿透能力及焊接速度，特别是在对焊缝熔深要求较大的情况下，为了满足焊缝 熔深要求并保障焊缝的熔合性，需要开设较大的坡口，这样会进一步降低焊接效率 同时还会带来更大的焊接变形。
申请号200610007614.8发明专利"一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金 属的方法"中提出了由激光和电弧组成的复合热源，这种复合热源由于电弧功率大、 电弧几何外形大等因素难于用于窄间隙精密焊接。
发明内容
针对技术背景中尚没有找到更好的优质、高效焊接方法用于窄间隙精密焊接，本 发明提出一种激光-小功率电弧复合热源焊接方法，利用激光对小功率电弧的强烈引 导、压縮和稳定作用，这种激光-小功率电弧复合热源焊接方法可以用于高质量的窄 间隙精密焊接。
本发明的技术方案如下
1、 一种激光-电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，激光对小功率电弧有稳定作用，在 高速焊条件下激光能量加入使电弧能稳定燃烧。
其特征在于-
1) 采用功率为200W-1000W、电流为10-50A小功率电弧7，相配合的激光束3 功率为》200W，该电弧7在激光束3的引导和压縮作用下进入工件的窄间 隙，并在其中稳定燃烧；
2) 复合热源可以采用激光束3在前电弧7在后或电弧7在前激光束3在后的复 合方式，并且光丝间距h为0-3mm;光丝间距在此范围内，电弧才能被激光 吸引至窄向原内稳定燃烧。
3) 电弧焊枪4与水平面夹角6为45° -75° 。
2、 根据上述一种激光-电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，窄间隙1可以是工件的
"I "、 "u"型和矩形坡口形成，坡口宽度为0.2d l,2d，该d为电弧焊丝直径， 坡口深度取决于激光功率和所需焊缝熔深。
3、 根据上述一种激光-电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，上述电弧7可以是 MIG/MAG电弧、TIG电弧、等离子弧，在采用TIG电弧或等离子弧时需进行非 熔化极填丝；激光器可以是C02激光器、Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纤激 光器或半导体激光器。
4、 根据上述一种激光-电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，该焊接方法的填充金属可 以是熔化极焊接的焊丝填充、非熔化极焊接的焊丝填充，也可以是在窄间隙根部 预置焊丝或与焊丝同材质的薄金属片。
利用本发明提出的激光-电弧复合热源窄间隙精密焊接方法可以通过开窄间隙或 坡口实现精密部件的高速度、低变形、高质量焊接，特别是用该方法焊接淬硬倾向 大的特殊材料的精密部件时，焊接效果和优势更为明显。
图1为本发明提出的一种激光-电弧复合热源窄间隙精密焊接方法的示意图。 图l中l为窄间隙，该窄间隙l由两工件2的坡口形成，3为激光束，4为电弧
焊枪，5为电弧焊枪焊丝，6为复合热源形成的焊缝，7为电弧。
箭头表示复合热源的焊接方法，图1中表示的是激光束3在前电弧7在后的复合
形式，当然也可以采用电弧7在前激光束3在后的复合形式。h表示光丝间距，即激
光束斑点中心与电弧焊丝端头间的距离h， h最佳为0-3mm， 9为电弧焊枪4与水平 面之夹角，该0最佳为45 °-75°。
图1中窄间隙1可以由工件的"I" 、 "U"型和矩形坡口形成，该坡口宽度为 0. 2d 1. 2d，其中d为电弧焊丝直径，坡口深度取决于激光功率和所需的焊接熔深， 当熔深较深时为确保窄间隙的根部焊缝熔合良好，可以在窄间隙根部预置焊丝或与 焊丝同材质的金属片。
在激光-电弧复合热源窄间隙精密焊接方法中，激光束3对电弧7的引导、压縮 和稳定作用的机理大致如下
在激光-电弧复合热源焊接中，能量密度很高的激光束照射到工件表面，被照射 的区域温度迅速升高。达到金属的汽化温度后，工件表面的金属便产生强烈的汽化， 结果使得在电弧等离子体中金属原子的密度提高，金属原子与来自保护气体的气体 原子相比具有更低的电离能，这样电弧就被强烈地吸附在金属蒸汽密度比较高的区 域燃烧，这时电弧的根部被牢固地吸引在激光的工件表面的照射区域，从而产生激 光引导电弧的现象，此外，由于光致等离子体的电子和离子密度比较高，这样激光 等离子体为电弧提供了一条导电通道，该通道的电阻最小，使得电弧主要集中在该 区域燃烧。从而电弧被压縮，电弧电流密度也得到提高。由于激光对电弧的强烈吸 引和压縮作用，使得单独弧焊中原本无法稳定燃烧的小功率或超小功率电弧(电弧 功率最小可以达到200 W左右)在与一定功率的激光复合后变得稳定，从而可以实 现激光-小功率电弧复合热源的高速、稳定焊接。激光-小功率电弧复合热源焊接更多 地表现为激光焊接的特征，小功率电弧的加入并没有影响激光的穿透能力，得到的 复合焊缝与激光焊缝相似，具有较大的熔深和较小熔宽，且焊后的焊接变形相对较 小；从焊缝金属的组织来看，由于填充金属的加入，焊缝组织与同条件下的激光焊 接有了很大的改善。
基于激光-小功率电弧复合热源焊接的上述特点，它适用于工件窄间隙下的精密 焊接，并能得到高质量的焊接接头。 最佳实施方式
试验所用的激光器为德国HAAS公司生产的HL2006D型Nd: YAG固体激光器， 最大输出功率2.6KW，输出波长为1.06ixm的连续激光波，采用焦距为200mm的聚 焦透镜；电弧焊机为奥地利FONIUS公司生产的TPS5000型数字化GMA焊接电源及送 丝机；所用试验材料为38CrMoAlA渗氮钢与1Crl7Ni2马氏体不锈钢，试板规格为
200mmX40mmX8mm;选用哈尔滨焊接研究所自行开发研制的直径为①1.0mm的309不 锈钢焊丝。试板分别采用由"I"和矩型坡口形成的窄间隙，坡口尺寸分别为宽度 0. 8mm、深度3. 0隱和宽度0. 8mm、深度3. 5mm，后者因深度较深，在坡口根部预置 焊料。
具体焊接规范参数如下-
焊接速度1.0m/min，送丝速度1. 2m/min，焊接电流36A，电弧电压20. 3V，激光 功率1800W，离焦量+lmm，光丝间距1.0mm，干伸长16腦，保护气为Ar+C02(2%)，气体 流量20L/ min。
焊后对焊缝进行X射线探伤检验，并对焊缝的成型及接头的强度进行检测分析， X射线探伤结果表明，各焊缝均未发现裂纹、未熔合缺陷(对这两种金属材料直接用 激光焊进行焊接，焊后出现了贯穿整个焊缝的冷裂纹)；焊缝成型分析表明，焊缝的 形状与激光焊缝的形态相似，各焊缝的深度比均大于3. 0(焊缝的熔深均大于3. 3mra); 拉伸试验结果表明，接头的抗拉强度均大于760Mpa，试样的破坏位置发生在40Cr母 料一侧，表明接头具有较高的强度。
权利要求
1、一种激光—电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，激光对小功率电弧有强烈的吸引 和稳定作用，在高速焊条件下，激光可以使电弧稳定燃烧，其特征在于， 1)采用功率为大于200-1000W、电流为10-50A的小功率电弧(7)，相配合的激光束(3)功率≥200W，该电弧(7)在激光(3)的引导和压缩作用下进入工件窄间隙，并在其中稳定燃烧； 2)复合热源可以采用激光束(3)在前电弧(7)在后或电弧(7)在前激光束(3)在后的复合形式，并且光丝间距h为0-3mm，光丝间距在此范围内，电弧才能被激光吸引至窄间隙内稳定燃烧。
2、 根据权利要求l所述的一种激光一电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，其特征在 于，窄间隙坡口 (1)可以是工件的"I"、"U"型或矩形坡口，坡口宽度为0.2d 1.2d， 该d为电弧焊丝直径，坡口深度d取决于激光功率和所需的焊缝熔深。
3、 根据权利要求l所述的一种激光一电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，其特征在 于，当窄间隙坡口 (1)深度较大时，应当在坡口根部预置焊丝或与焊丝同材质的薄 金属片，借助激光的穿透力使根部预置的焊丝或金属片熔化，以确保坡口根部焊缝 熔合良好。
4、 根据权利要求l所述的一种激光一电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，其特征在 于，电弧(7)可以是MIG/MAG电弧、TIG电弧和等离弧；激光器可以是C(V激光器、 Nd: YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器或半导体激光器。
5、 根据权利要求l所述的一种激光一电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，其特征在 于，该焊接方法的填充金属可以是熔化极焊接的焊丝填充、非熔化极焊接的焊丝填 充，也可以是在窄间隙坡口根部预置焊丝或与焊丝同材质的薄金属片。
全文摘要
本发明提出一种激光—电弧复合热源窄间隙精密焊接方法，属于精密焊接技术领域，本发明要解决不能直接采用激光进行焊接的难焊金属材料的高质量窄间隙精密焊接技术问题。本发明主要包括复合热源可采用激光束(3)在前电弧(7)在后或电弧(7)在前激光束(3)在后的复合热源形式，并且光丝间距h为0-3mm；采用功率为200-1000W、电流为10-50A的小功率电弧(7)，相配合的激光束功率≥200W，该电弧(7)在激光束(3)的引导和压缩作用下进入工件窄间隙坡口(1)，并在其中稳定燃烧，窄间隙坡口(1)的宽度为0.2d～1.2d，其中d为焊丝直径。该复合热源焊接方法主要用于窄间隙坡口下的精密焊接。
文档编号B23K28/00GK101362256SQ200810222139
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月10日 优先权日2008年9月10日
发明者于洪军, 卜大川, 伟 张, 徐孝福, 兵 杜, 林尚扬, 彬 滕, 威 王, 王旭友, 王海龙, 秦国梁, 穆瑞骥, 振 雷 申请人:机械科学研究院哈尔滨焊接研究所