[发明专利]一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于金属材料的焊接、涂覆的焊炬装置，确切地说，是涉及激光和等离子弧复合焊接的焊炬，以及采用本发明的激光和等离子弧复合焊接方法。

背景技术

焊接是在各种金属制造行业中至关重要、至今无法完全取代的加工制造技术。焊接作业是指在工件上产生高的能量密度形成熔池并移动熔池。因此，如果可以提高焊接工具与工件之间的能量耦合效率，即入射在工件上的能量密度，则可以获得显著的经济效益，这取决于所用的材料和焊接技术。

其中之一就是具有较高的能量耦合密度的等离子焊，等离子焊是指将被压缩的等离子电弧用作能量源来熔化工件进行焊接的工艺技术，在焊接过程中，电离化气体形成的等离子弧被压缩，能量更加集中，高能量的等离子弧产生动态压力，其电弧可以穿透熔融液池，因此也称之为“小孔”焊接”。等离子焊的主要优点是能够进行一道次、相对快速的材料焊接，接头准备工作最少。另外，因为等离子弧聚集在“小孔”内，减小了工件内的应力或变形。

尽管等离子焊具有许多重要优点，但仍存在几项严重的局限性。等离子体电弧的能量密度制约了“小孔”的穿透深度、可焊材料厚度和焊接速度。另外，等离子焊接的“小孔”可能在某些操作条件下出现塌陷，由此造成焊缝质量降低。

在等离子焊中，入射在工件上的能量密度是形成“小孔”的最重要参数。等离子焊接电流在10至250安培的范围内可以形成“小孔”，但这也取决于工件的材料和焊接速度。另外，等离子弧的能量密度、传入工件上的热斑点中的能量密度依赖于等离子弧内的传热机理。当电弧温度提高时，等离子电弧的辐射热损失是主要因素，这样就限制了等离子焊接作业的最高功率密度，也限制了焊接更厚板材或者提高焊接速度的能力。在常规的等离子弧焊过程中，对于约200A-250A的电流和约3-3.5KW的等离子功率密度而言，辐射热传递是主导因素，因此，实际上无法利用现有技术获得更高的等离子焊接功率密度，任何通过增大焊炬功耗来提高功率密度的尝试都会降低焊接效率；如果尝试提高焊接速度，等离子弧会变得不稳定，工件上的热斑会落在焊炬轴线之后，这是导致焊接质量差的一个起因。

激光束焊是另一种利用高能量密度--激光束作为热源进行焊接的高效精密加工方法。“小孔”模式的激光束焊接可以提供相对大的熔深，与其他熔焊方法相比，激光束焊接具有能量密度高热输入少、接头区残余应力和变形小、熔化区和热影响区窄，以及熔深大、焊缝组织细小、接头性能好等优点。此外，与（同样地利用高能量密度焊接的）电子束技术相比，激光束焊接不需要真空条件，保护气体种类及压力范围可方便选择，可借助偏转棱镜或光导纤维将激光束引导到难以接近的部位进行焊接，操作灵活，可穿过透明材料聚焦焊接等，激光束可灵活控制 ,易于实现工件的三维自动化焊接。

激光束焊也具有几项重大的制约条件。由于可焊材料厚度和穿透深度受制于被耦合至工件的激光束的功率和热量，因此通常只能通过提高激光器功率来改善的焊接效果。激光束焊一般需要大型的高功率气体激光器、固态激光器或二极管激光器以生成并维持“小孔”焊接的模式。

众所周知，金属等离子体对“小孔”内壁所产生的压力对焊接过程中维持“小孔”焊接模式是非常重要的。但是，如果等离子体密度过高会造成激光束反射；实际上，等离子体的密度变得过低或过高，都会导致降低焊接作业的效率。另外，在像金属这样的材料上启动激光束焊，需要使用更高的激光束功率以形成“小孔”，但激光束的功率转换效率都是很低的。

总的来说，激光束焊接技术存在以下典型的限制条件：

（1）需要非常精确的焊件位置（在激光束的聚焦范围内），焊件需使用相对复杂的夹治具，以确保激光束热斑与焊件的最终位置对准；对于厚度大于19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。

（2）对于高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，激光束焊接的应用受到限制。当进行高能量焊接时，激光束焊接的性能会受到等离子体的影响。

（3）能量转换效率通常低于10%；焊道凝固快，可能会产生气孔及脆化。

（4）设备昂贵。

为了消除或减少激光束焊接的缺陷,关于利用其它热源与激光束进行复合焊接的研究在八十年代就已经开始了，并且现在已经开始了一些工业应用，如激光束与电弧的复合焊接等，按照布置方式分类，主要有激光束与电弧旁轴布置（典型的如激光与熔化极气体保护焊GMAW或脉冲激光与熔化极气体保护焊GMAW-P 复合焊接）、激光束与电弧同轴布置（典型的如激光与TIG电弧复合焊接）两大类。