[发明专利]一种激光-等离子弧双面复合焊接方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种激光-等离子弧双面复合焊接工艺方法。

背景技术

激光-电弧复合热源焊接技术由英国学者W.Steen于20世纪70年代末期首次提出，其主要思想就是有效利用激光能量，实现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焊缝间隙的适应性，实现高效率、高质量的焊接过程。目前，激光-电弧复合焊接技术已成功用于造船、汽车、储存容器制造和管线焊接领域，其优点是能够提高焊接速度、增加可焊材料的截面厚度、减少设备和焊接变形，同时，还可以改善临界疲劳工况下的焊接外形。但是，激光-电弧复合焊也存在一些问题：1)激光束要穿过弧柱才能达到工件表面，当电弧电流较大时激光能量的损耗严重；2）电极直接暴露于激光等离子体中，易受污染、烧损严重；3）旁轴复合时，电弧与激光束成一定角度，引起复合热源在工件上的作用区域为非对称分布，当电流增大到一定程度后，激光与电弧的作用点产生严重分离。因此，开发一种稳定和实用的激光-电弧复合热源焊接工艺，成为亟待解决的问题。

目前，国内外对激光焊、激光-电弧复合焊及其双面焊工艺及设备有一些研究和报道。例如：美国专利号为US7759603的专利文件中记载了一种激光-电弧复合焊接方法和设备，激光功率由闭合的控制电路来控制以适应复合焊中电弧的输出功率；中国专利号为200910165663.8的专利文件记载了微束等离子弧和激光复合焊接方法，该方法首先将微束等离子弧发射枪和激光束发射枪固定,提供以恒定速度移动的工件,并形成微束等离子弧前置的方式,利用微束等离子弧对工件的焊接部分表面进行初始熔化,随后使激光束照射到焊接部分,从而加深微束等离子弧熔焊的熔深,完成焊接；中国激光，2007,28(12)中刊登的铝合金激光-钨极氩弧双面焊的焊接特性，记载了一种激光-钨极氩弧双面焊接新工艺，该工艺充分利用了激光-钨极氩弧两种热源相互作用的优势，不仅可以获得稳定可靠的焊接过程与美观的焊缝成形，实现了在小功率(1.0kW)激光条件下4mm厚铝合金的可靠连接。虽然这些技术内容与本发明有一定的联系，但与本发明申请具有本质的区别。

发明内容

本发明的目的在于为提高金属焊接效率、减少焊接变形、改善焊接质量、降低焊接成本，本发明提出了一种激光-等离子弧双面复合焊接新工艺。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

步骤1：将工件的待焊部位加工成I形或Y形坡口，并对制成的双面焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗；

步骤2：焊接前，将工件固定在焊接工装夹具上；

步骤3：调节等离子弧焊枪和激光头的位置、保持激光束和等离子弧焊枪在一条轴线上，其轴线与工件的夹角为80°-100°。

步骤4：设定焊接工艺参数，激光功率P在0.5kW-10kW,焊接电流I在50A-500A之间，焊接速度为10cm/min-200cm/min。

步骤5：启动控制开关，进行激光和等离子弧双面复合焊接，这样在工件一侧进行激光深熔焊，另一侧通过等离子弧焊枪进行双面复合焊接，形成激光-电弧双面复合焊缝。

本发明的有益效果在于：

1、激光与电弧双面对称焊，避免了激光与电弧同侧复合时电弧对激光能量的吸收，并利用电弧的预热作用，大大提高工件对激光的吸收率，使得激光能量的利用率大幅增加。

2、激光加热在电弧作用区产生的“局部高温度梯度区”或穿透的激光等离子体会导致电弧收缩，提高电弧的能量密度，增加电弧的焊接效率。

3、激光加热产生的“局部高温度梯度区”或穿透的激光等离子体还能够吸引焊接电弧，使得焊接熔滴向坡口的根部顺利过渡，提高电弧及其熔滴过渡的稳定性，有利于控制焊缝成形、改善焊接质量。

4、利用激光和电弧对称加热时形成的热集聚区效应，使热量不易散失，可以大幅度地提高激光和电弧焊的熔深，提高热源的能量利用率，可实现中厚壁管道的高效、优质连接。

5、与激光焊一样，等离弧焊接得到的焊缝深宽比也很大，当采用该方法有望解决中厚板金属的一次焊接双面成形问题。

6、采用此方法，有望大幅度提高双热源复合焊中电弧能量所占的比例，且不会造成激光能量的任何损失，真正实现高效、低成本的优势，具有很大的工程实用价值。

7、该系统焊接工艺稳定并具有很强的焊接适应性，不仅可用黑色金属的焊接，还可用于有色金属的焊接。

附图说明

图1是激光-等离子弧双面复合焊接工艺示意图。

图2为激光-等离子弧填丝双面复合焊接工艺示意图。