專利名稱：：附加機械力的中小功率激光-gma電弧復合焊接方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種激光-GMA電弧復合焊接方法。技術背景以往的研究工作表明，無論對激光一GMA，還是激光一TIG復合，復合熱源焊接有效增大熔深、提高焊接速度和焊接適應性己是人們的共識。特別是近年來，人們?yōu)樽非螳@得更大的焊接熔深以及大厚板的焊接，更多的注意力集中到了激光一GMA復合熱源焊接。2000年，F(xiàn)raunhoferILT首次將激光-GMA電弧復合焊接技術成功地應用到了58mm厚儲油罐壁焊接的批量生產當中。目前，采用激光-MIG電弧復合焊接一次熔透成形的最大板厚為15mm厚S3555NL鋼，其所用激光器為20kW的TLF20000。但是，由于激光與GMA復合焊接存在熔滴過渡問題，其焊接過程控制比較復雜，因此，目前關于激光一GMA復合熱源的研究都主要集中在旁軸復合，且側重于專用設備研制、焊接工藝研究和接頭性能測試與質量評估上。例如，專利JP2002059286，JP2001276988，EP01179382A2，03109130.X，20041006卯00.3就主要集中在激光與GMA電弧復合焊接槍頭的設計與研制方面；專利US04507540A，JP2002301582，JP2001259838，JP59066991，200510093863.9主要集中在激光與常規(guī)GMA電弧復合焊接技術與方法或者厚板焊接工藝的研究。雖然激光-GMA復合熱源焊接技術作為一種新型的激光焊接技術，在焊接中、厚鋼板或者鋁合金等難焊金屬材料方面表現(xiàn)出了很好的應用前景。但是，目前采用激光與GMA電弧旁軸復合進行焊接時，為了顯著的增加焊縫熔深，顯示復合焊接的優(yōu)勢，其所采用的激光功率一般都至少在5kW以上，焊接電流一般都在200A以上。而對于中、小功率的激光與短路過渡或射滴過渡的GMA電弧進行旁軸復合焊接時，與單激光焊接相比，激光-GMA電弧復合焊接提高焊縫熔深的效果并不明顯，甚至還有降低的可能，導致能量利用率大大降低，增加了焊接成本，此外，還存在焊縫成形不連續(xù)，焊接穩(wěn)定性差等問題。究其原因，這主要是因為在中小功率激光與短路過渡或射滴過渡GMA電弧旁軸復合焊接過程中，一方面，受激光等離子體和激光鎖孔焊接所產生的金屬蒸氣的影響，激光與GMA電弧的相互作用改變了原有GMA電弧焊接熔滴穩(wěn)定過渡區(qū)間，致使熔滴過渡過程中向激光束方向偏移，導致熔滴過渡周期變長，熔滴形態(tài)由小球狀變成了不規(guī)則的大橢圓形，大大降低了熔滴過渡頻率以及過渡的軸向性和穩(wěn)定性，如圖1所示為加入激光束之前GMA電弧焊接時熔滴過渡示意圖；圖2是加入激光束之后的GMA電弧焊接時熔滴過渡示意圖，所述熔滴明顯向激光束方向偏離、拉長。另一方面，復合焊接過程中生成的尺寸過大的不規(guī)則熔滴也易破壞激光焊接的鎖孔效應，導致焊縫熔深變淺，成形不規(guī)則，呈現(xiàn)為一種非穩(wěn)定的復合焊接特征。一般來說，對于短路過渡或射滴過渡的GMA電弧焊接，其熔滴過渡頻率掛決，熔滴軸向性越好，越有利于獲得穩(wěn)定的焊接區(qū)間和好的焊縫熔深。那么，由此產生的問題是在中小功率激光與短路過渡或射滴過渡GMA電弧旁軸復合焊接過程中，如何減小復合焊接熔滴尺寸，提高熔滴過渡頻率、軸向性和穩(wěn)定性，以獲得良好的復合焊接效果而又能克服上述缺點。
發(fā)明內容為了解決現(xiàn)有激光-GMA電弧復合焊接方法中存在的熔滴尺寸大、熔滴過渡時間長，熔滴破壞激光焊接的鎖孔效應的問題，本發(fā)明提供了一種附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法。附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，它是在現(xiàn)有中小功率激光-GMA電弧復合焊接過程中，沿GMA焊絲軸線方向對熔滴施加附加機械力來促使熔滴提前實現(xiàn)過渡。發(fā)明的方法的優(yōu)點有一、提高了熔滴過渡頻率、熔滴過渡的軸向性和穩(wěn)定性，與同樣焊接參數(shù)下的GMA電弧焊接相比，其熔滴過渡頻率可提高20%左右；二、避免了熔滴破壞激光焊接的鎖孔效應，進而獲得深的焊縫熔深和好的焊縫成形，能夠將焊縫熔深提高3倍以上，并獲得連續(xù)的焊縫成形；三、與現(xiàn)有常規(guī)激光一GMA電弧復合焊接相比，在獲得同樣焊縫熔深的情況下，本發(fā)明的方法能夠降低激光功率和焊接電流，從而減少焊接熱輸入量，降低焊接變形；四、提高了能量利用率和焊接效率，降低了生產成本，與現(xiàn)有常規(guī)激光一GMA電弧復合焊接相比，其焊接效率可提高3—4倍以上。本發(fā)明的方法尤其適用于現(xiàn)有的中小功率激光-MIG電弧復合焊接、中小功率激光-MAG電弧復合焊接過程。圖1是現(xiàn)有常規(guī)的GMA電弧焊接過程中熔滴過渡示意圖，圖2是現(xiàn)有激光-GMA電弧復合焊接過程中的熔滴過渡示意圖，圖1和圖2的焊接方向均是從右向左，圖中10為母材，ll為熔滴，12為焊絲，13是熔滴11的重心，20是激光束，21是激光等離子體，30是本發(fā)明中增加的外部機械力的方向。圖3是本發(fā)明的復合焊接方法給焊接熔滴施加機械力的示意圖，圖中31是電弧，32是保護氣體流動方向，33是焊槍，34是送絲機構。圖4是具體實施方式三所述的送絲速度的變化曲線圖。圖5是在激光功率為2000W、電弧焊接電流為IOOA的情況下，采用現(xiàn)有C02激光-GMA電弧復合焊接方法焊接過程中熔滴過渡過程示意圖，所述熔滴過渡過程大約需要79ms，其中圖a至f分別是Oms、34ms、54ms、75ms、78ms和79ms時刻的照片。圖6是在激光功率為2000W、電弧焊接電流為IOOA的情況下，采用本發(fā)明的附加機械力的中小功率C02激光-GMA電弧復合焊接方法焊接過程中熔滴過渡過程示意圖，所述熔滴過渡過程大約需要54ms，其中圖a至f分別是Oms、lOms、45ms、51ms、53ms和54ms時刻的照片。圖7是在激光功率為2000W、電弧焊接電流為100A的情況下，分別采用現(xiàn)有C(V激光-GMA電弧復合焊接方法和本發(fā)明的附加機械力的中小功率C02激光-GMA電弧復合焊接方法悍接的焊縫表面和橫截面示意圖，其中a是采用現(xiàn)有C02激光-GMA電弧復合焊接方法焊接的焊縫表面和橫截面示意圖；b是采用本發(fā)明的附加機械力的中小功率C02激光-GMA電弧復合焊接方法焊接的焊縫表面和橫截面示意圖。具體實施方式具體實施方式一、本實施方式的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法是在現(xiàn)有中小功率激光-GMA電弧復合焊接過程中，沿GMA焊絲軸線方向對熔滴施加附加機械力來促使熔滴提前實現(xiàn)過渡。本實施方式的附加機械力可以在當復合焊接的熔滴長大到某一程度時，即在復合焊接熔滴向激光束方向偏移之前施加，本實施方式中，可以在0.7T0.95T之間施加機械力，以實現(xiàn)促使熔滴提前實現(xiàn)過渡的目的。所述周期T與相同條件下現(xiàn)有單GMA電弧焊接的熔滴過渡周期相同，它是根據焊接時的電弧電流以及焊絲材料和直徑確定。本實施方式可以應用到現(xiàn)有任何一種中小功率激光-GMA鬼弧旁軸復合焊接過程中，例如中小功率C02激光-MIG/MAG電弧復合焊接、中小功率YAG激光-MIG/MAG電弧復合焊接、中小功率半導體激光-MIG/MAG電弧復合焊接等。具體實施方式二、本實施方式與具體實施方式一所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法的區(qū)別在于，所述附加機械力是由增大GMA電弧焊槍的保護氣體流量產生的。本實施方式采用GMA電弧焊槍的保護氣體流量給熔滴施加機械力，在正常焊接時，GMA電弧焊槍的保護氣體流量為現(xiàn)有技術中常用的1025升/分鐘，當復合焊接的熔滴長大到某一程度時，即在復合焊接熔滴向激光束方向偏移之前，也就是在熔滴過渡的0.75T0.85T之間，瞬間增大所述保護氣體流量為40100升/分鐘，使熔滴在保護氣體的作用下提前過渡。本實施方式可以采用C02或YAG激光器和MIG或者MAG熔化極氣體保護焊的焊槍。所述激光器發(fā)出的激光束垂直入射于工件表面，聚焦激光束離焦量為-lmm+lmm之間，所述焊槍的電弧與激光束之間夾角(3為1560°左右，激光束與焊絲尖端之間間距D^v為26mm。焊接時，激光功率為8003000W，電弧電流為60250A。在焊接過程中，控制電弧焊接保護氣流量的速度為40100升/分鐘，使所述熔滴在保護氣流的作用下提前過渡。本實施方式所述的焊接方法，還可以在焊接過程中始終保持GMA電弧焊槍的保護氣體流量為增大后的40100升/分鐘。所述GMA電弧焊接的保護氣流量的速度與焊接電流和激光功率的大小有關，如下表所示分別為焊接電流為100A和150A的MIG電弧與不同激光功率復合時所需的保護氣體流量范圍<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>其中保護氣體流量的單位為升/分鐘。在現(xiàn)有的激光-GMA電弧旁軸復合焊接中，其保護氣體流量都采用常規(guī)GMA電弧焊接的保護氣流量，一般都比較小，為1025升/分鐘左右，這時，復合焊接熔滴過渡變得相當不穩(wěn)定，呈現(xiàn)為非穩(wěn)定復合焊接特征。本實施方式在復合焊接方法中增加了保護氣體流量，一方面由于保護氣體對焊接電弧的冷卻和壓縮作用，可以增加促使熔滴過渡的電弧等離子流力；另一方面增加保護氣體流量可以增加保護氣體對熔滴的吹力，這樣就相當于給熔滴施加了一定大小的附加機械力，有利于減小熔滴尺寸，與現(xiàn)有的激光-GMA電弧旁軸復合焊接相比，促進了熔滴提前過渡，提高了熔滴過渡頻率和穩(wěn)定性，并避免了熔滴對激光焊接鎖孔的破壞，導致復合焊接熔深大大增加，獲得了極好的復合焊接效果，呈現(xiàn)為穩(wěn)定復合焊接特征。具體實施方式三、本實施方式與具體實施方式一所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法的區(qū)別在于，所述附加機械力是采用控制GMA電弧焊槍的送絲速度在周期T內成脈動變化來實現(xiàn)的，所述脈動變化的起始時間t2是在熔滴過渡的0.7T0.8T之間。本實施方式所述的脈動變化，是指送絲速度隨時間在周期T內有成鋸齒波形、三角波形或正弦波形變化，其中送絲的加速時間段^為0.15丁0.251，送絲的減速時間段td為0.05T0.15T。本實施方式是采用脈動送絲的方式附加機械力。在激光-GMA電弧復合焊接過程中，通過脈動送絲使其在加速送絲過程中給熔滴施加一定大小的附加機械力，從而實現(xiàn)對復合焊接熔滴過渡的良好控制。脈動送絲就是使送絲速度周期性的發(fā)生變化。脈動送絲的送絲速度與時間的關系如圖4所示，其中ti到t2階段是勻速送絲階段，熔滴處于靜止狀態(tài)，在t2到t3階段，即加速時間段ta為送絲加速階段，即附加機械力階段，使熔滴加速運動，在t3到t4階段，即減速時間段tb為送絲減速階段，這個時間段熔滴由于慣性作用繼續(xù)加速運動并拉長至形成縮頸，在時間t4熔滴脫落并過渡到熔池，一個周期T完成，進入下一循環(huán)。在具體實踐中，送絲的加速時間段和減速時間段根據具體情況而定，經實驗驗證，加速時間段t^0.2T，減速間段t^0.1T效果比較好。具體實施方式四、本實施方式與具體實施方式一所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法的區(qū)別在于，所述附加機械力是采用控制GMA電弧焊槍的送絲機構在周期T內沿送絲方向振動來實現(xiàn)的。所述振動施加起始時間為0.85T0.95T，機械振動頻率為50150Hz，機械振動的振幅與該焊接條件下的電弧弧長有關，為0.53mm。本實施方式采用機械振動的方法對焊接熔滴附加機械力。機械振動法附加機械力是在激光-GMA電弧復合焊接過程中保持焊接電源和送絲速度不變，當熔滴長大到一定程度之后，通過送絲機構以一定頻率振動使熔滴與熔池迅速接觸短路后又立即拉開實現(xiàn)過渡的一種方法。機械振動控制熔滴過渡實質上就是在短路過渡過程中給熔滴施加一定大小的外加機械力的過程。采用機械振動附加機械力控制熔滴過渡可以減小熔滴尺寸，大大提高熔滴過渡頻率和穩(wěn)定性，有利于提高焊縫熔深，獲得優(yōu)良的復合焊接效果。權利要求1、附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于它是在現(xiàn)有中小功率激光-GMA電弧復合焊接過程中，沿GMA焊絲軸線方向對熔滴施加附加機械力來促使熔滴提前實現(xiàn)過渡。2、根據權利要求1所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于所述機械力是在瑢滴過渡的0.7T0.95T之間開始施加，所述周期T與相同條件下現(xiàn)有單GMA電弧焊接的熔滴過渡周期相同。3、根據權利要求1所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于所述附加機械力是由增大GMA電弧焊槍的保護氣體流量產生的。4、根據權利要求3所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于所述GMA電弧焊槍的保護氣體流量在熔滴過渡的0.75T0.85T之間瞬間增大為40100升/分鐘。5、根據權利要求3所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于在焊接過程中始終保持GMA電弧焊槍的保護氣體流量為40100升/分鐘。6、根據權利要求4或5所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于所述GMA電弧焊槍的保護氣體流量根據焊接的激光功率和電流大小不同而變化，具體為<table>tableseeoriginaldocumentpage2</column></row><table>其中，GMA電弧焊槍的保護氣體流量的單位是升/分鐘。7、根據權利要求1所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于所述附加機械力是采用控制GMA電弧焊槍的送絲速度在周期T內成脈動變化來實現(xiàn)的，所述脈動變化的起始時間t2是在熔滴過渡的0.7T0.8T之間。8、根據權利要求7所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于所述脈動變化是指送絲速度在周期T內隨時間成鋸齒波形、三角波形或正弦波形變化，其中送絲的加速時間段U為0.15T0.25T，送絲的減速時間段td為0.05T0.15T。9、根據權利要求1所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于所述附加機械力是采用控制GMA電弧焊槍的送絲機構在周期T內沿送絲方向振動來實現(xiàn)的。10、根據權利要求9所述的附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，其特征在于所述振動施加起始時間為0.85T0.95T，機械振動頻率為50150Hz，機械振動的振幅與該焊接條件下的電弧弧長有關，為0.53mm。全文摘要附加機械力的中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法，涉及一種激光-GMA電弧復合焊接方法。它解決了現(xiàn)有激光-GMA電弧復合焊接方法中存在的熔滴尺寸大、熔滴過渡時間長、熔滴破壞激光焊接的鎖孔效應的問題。本發(fā)明的復合焊接方法是在現(xiàn)有中小功率激光-GMA電弧復合焊接過程中，當復合焊接的熔滴長大到某一程度時，即在復合焊接熔滴向激光束方向偏移之前，沿GMA焊絲軸線方向對熔滴施加附加機械力來促使熔滴提前實現(xiàn)過渡。本發(fā)明優(yōu)點還有提高了焊縫熔深，并獲得了連續(xù)的焊縫成形；降低了激光功率和焊接電流進而降低了焊接變形；提高了能量利用率和焊接效率，降低了生產成本。它適用于現(xiàn)有任何一種中小功率激光-GMA電弧復合焊接方法中。文檔編號B23K28/00GK101214584SQ200810063890公開日2008年7月9日申請日期2008年1月21日優(yōu)先權日2008年1月21日發(fā)明者李俐群,陳彥賓,雷正龍申請人:哈爾濱工業(yè)大學