一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬制造技术

一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬，具有激光束穿过的空腔，焊炬空腔下端有压缩喷嘴，等离子电极在焊炬的压缩喷嘴上方组成一狭缝，部分激光束入射在电极的狭缝边缘，部分激光束则穿过狭缝后聚焦到工件。被激光束辐射加热的电极造成气体电离化，在电极和压缩喷嘴之间首先形成等离子弧，该等离子弧被压缩喷嘴压缩后与工件之间建立起等离子弧，穿过喷嘴的激光束聚焦并与该等离子弧相互作用，所造成的等离子弧与激光束相互作用形成等离子‑激光放电，使等离子弧进一步收缩，在与激光束共同作用下，在工件上形成了高能量密度的焊接点。该装置消除了激光束焊接和等离子焊接的缺陷，具有比常规的激光束与电弧复合焊接更高的复合热源耦合效率。

Welding torch for composite welding of laser beam and plasma arc

A torch for laser beam and plasma arc hybrid welding with a cavity, the laser beam passes through the bottom of a compression cavity, torch nozzle, plasma electrode consisting of a slit in the top part of the torch nozzle, the laser beam incident on the edge of the slit electrode part, a laser beam is focused onto the workpiece after passing through the slit. By the laser beam heating electrode caused by gas ionization, between the electrode and the nozzle is first formed by plasma arc, the plasma arc is compressed between the nozzle and workpiece is established after plasma arc, laser beam through the nozzle and the plasma arc interaction caused by the interaction between laser beam and plasma arc forming laser plasma discharge, the plasma arc in the further contraction, and laser beam together, forming a welding point of high energy density on the workpiece. The device eliminates the defects of laser beam welding and plasma welding, and has higher coupling efficiency than conventional laser beam welding with arc welding.

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬
本技术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，以及采用本技术的激光和等离子弧复合焊接方法。
技术介绍
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。这些技术的特点是用激光束的能量直接作用于工件表面，并与GMAW或者TIG电弧复合，其中，激光束的高能量密度在复合效果中、尤其是在增加熔深、提高焊接效率方面起到了决定性作用。但是，由于GMAW或者TIG电弧的直径远远宽于激光束，复合焊接作业的焊缝表面质量则决定于GMAW或者TIG电弧。总的来说，激光束和电弧复合焊接有以下显著的优点：(l)在电弧的作用下，复合焊接降低了接头间隙的装配精度的要求，因此可以在较大的接头间隙下实现焊接。增加了焊缝的熔深。在激光束的“小孔”模式下电弧可以到达焊缝的深处，其次，电弧会增加金属工件对激光束能量的吸收率，这也有利于增大焊接熔深。激光束具有的高密度能量缩短了工件被加热的时间，使热影响区减小；同时，电弧能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变可以比较充分的完成。激光束形成的“小孔”模式对电弧有吸引作用，使电弧的根部压缩，提高了电弧能量的密度。(5)与电弧焊接相比，激光束与电弧的复合热源可以提高焊接速度，当然，在这种情况下，就有可能采用较小功率的激光器，可以降低设备成本。尽管激光束电弧复合焊接具有许多重要优点，但仍存在几项严重的局限性，这使得许多激光束电弧复合焊接工艺技术至今仍处于研究阶段，已经在工业领域应用的激光束电弧复合焊接技术也仅局限于很少的数量。旁轴布置的激光束电弧复合焊接焊炬结构简单，但一般需要较大的布置空间，焊接系统也相对复杂。激光束与电弧之间存在一个夹角，这使得复合热源在工件上的工作区域是非对称的，电弧电流的变化会随时地、且很容易地导致两个热源的耦合点偏离，这使得控制双热源耦合稳定的难度增大；在旁轴布置的方式中，激光束要穿过电弧到达工件表面，当电弧电流较大时，会减弱激光束的能量，这也影响了这种方式的焊接效能的发挥，通常采用的解决方案只能是采用更大功率的激光器。另外，实际应用中，采用旁轴布置方式的激光束电弧复合焊接技术仍然需要比较精密的焊缝坡口精度才能保证高的焊接质量。与本技术接近的、一些激光束与电弧采用同轴布置方式的研究成果包括：一种同轴对称复合热源的方法，采用分光镜将入射激光分为2束对称分布的激光束，熔化极气体保护焊（MIG焊）电极由双光束中间送入。由于双光束是非封闭的，MIG电极的引入可以避开光束传输路径。聚焦系统将双光束从电极两侧对称地聚焦在焊丝送进方向前端的同一位置，在焊丝不影响光束传输的情况下实现激光与电弧同轴。该方法存在的不足是激光分光后每束激光束本身与电弧具有一定夹角，双激光束的对称轴与电弧轴线很难实现重合，焊丝的送给对激光束到达工件的传输有很大影响等。与本技术接近的几项激光束与电弧采用同轴布置方式的研究成果包括：美国专利US4,689,466描述了一种题为“激光束操作加工设备”的激光束与电弧同轴布置技术。该专利描述了一种激光和电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬，其特征在于，该焊炬包括：a)焊炬主体，焊炬主体具有输入端、输出端及位于输入端和输出端之间的中空内腔，激光束从输入端入射从输出端射出；b)设置在焊炬主体输出端的绝缘衬套，绝缘衬套底部上设置有与焊炬主体同一中心轴线、用于激光束穿过的开孔；c)设置在绝缘衬套输出端的压缩喷嘴及包围在压缩喷嘴外面的保护喷嘴；压缩喷嘴具有以焊炬主体中心轴线为中心的通孔和截平面，压缩喷嘴的截平面垂直于焊炬主体中心轴线；d）设置在绝缘衬套两侧的两个等离子电极，两个等离子电极在压缩喷嘴的通孔上方形成狭缝，狭缝中心线与焊接方向一致，焊炬主体中心轴线穿过狭缝中心，狭缝宽度小于所述激光束穿过该狭缝时的直径。

【技术特征摘要】
1.一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬，其特征在于，该焊炬包括：a)焊炬主体，焊炬主体具有输入端、输出端及位于输入端和输出端之间的中空内腔，激光束从输入端入射从输出端射出；b)设置在焊炬主体输出端的绝缘衬套，绝缘衬套底部上设置有与焊炬主体同一中心轴线、用于激光束穿过的开孔；c)设置在绝缘衬套输出端的压缩喷嘴及包围在压缩喷嘴外面的保护喷嘴；压缩喷嘴具有以焊炬主体中心轴线为中心的通孔和截平面，压缩喷嘴的截平面垂直于焊炬主体中心轴线；d）设置在绝缘衬套两侧的两个等离子电极，两个等离子电极在压缩喷嘴的通孔上方形成狭缝，狭缝中心线与焊接方向一致，焊炬主体中心轴线穿过狭缝中心，狭缝宽度小于所述激光束穿过该狭缝时的直径。2.如权利要求1所述的一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬，其特征在于，每个等离子电极的纵轴线和所述焊炬主体中心轴线形成一个朝向焊接工件的锐角，该锐角在2-89度之间。3.如权利要求2所述的一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬，其特征在于，所述狭缝宽度为0.1-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王长春，陈卓勤，
申请(专利权)人：王长春，
类型：新型
国别省市：北京,11