一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法技术

本发明专利技术提供一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，根据所需的焊接对象，将脉冲激光与电弧焊接电源连接的焊枪，采用电弧焊接在前、脉冲激光在后的方式复合在一起，且脉冲激光的入射位置与电弧电极尖端之间的水平距离以及电弧电极的高度连续可调。本发明专利技术主要利用脉冲激光对电弧周期性的诱导、增强效果，强、弱电弧交替作用熔池，使得熔池中热源热量重新分配，在保证熔透的情况下，降低热输入，减小熔池金属体积及重力，增加熔池底部表面张力的作用，抑制薄板焊接容易产生的烧穿缺陷，从而有利于实现稳定高效焊接。本发明专利技术可以大幅提高薄板焊接稳定成形，显著提高加工制造效率，提高加工成形精度。

A Pulse Laser Induced Arc Welding Method for Suppressing Burn-through Defects in Thin Plate Welding

The invention provides a pulsed laser-induced arc welding method for suppressing burn-through defects in thin plate welding. The method is characterized in that according to the required welding object, the welding torch connected with arc welding power source is combined by arc welding in the form of front and back, and the horizontal distance between the incident position of pulsed laser and the tip of arc electrode and the electric distance are also provided. The height of arc electrode can be continuously adjusted. The invention mainly utilizes the periodic induction and enhancement effect of pulsed laser on arc, alternating action of strong and weak arcs to redistribute heat source in the molten pool, reduces heat input, reduces metal volume and gravity of the molten pool, increases surface tension of the bottom of the molten pool, and restrains burn-through defects easily produced by thin plate welding under the condition of guaranteeing penetration. Now stable and efficient welding. The invention can greatly improve the stable forming of thin plate welding, remarkably improve the processing and manufacturing efficiency, and improve the processing and forming accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法
本专利技术属于材料工程
，涉及一种薄板焊接中烧穿缺陷的抑制方法，具体而言，尤其涉及一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法。
技术介绍
为适应高效生产的发展理念，自动电弧焊接技术由于其具有效率高、参数固定以及操作方便等特点，已广泛应用于各种结构件及产品的加工制造领域。然而，在采用单电弧热源对厚度小于3mm薄板对接焊时，极易产生焊接缺陷，影响了薄板自动焊接生产效率和成本。近年来研究表明，电弧熔化焊时焊缝底部的熔池行为主要受到电弧压力、熔池金属重力和表面张力的影响，只有当三力相互协调平衡时，熔池才可以保持稳定。然而，电弧焊自身所具有的极大焊接熔池引起熔池重力加大，使得熔池底部的稳定性对受力的敏感程度提升。而作为一个动态过程的焊接，受环境影响很严重，此外，自动化焊接时参数调整的灵活性较差，因此，薄板自动焊接过程中，焊接工艺参数区间较窄，焊接环境稍许变化，很容易引起熔池受力不平衡、失稳，产生烧穿缺陷。因此，在电弧自动化焊接过程中保证焊接熔透情况下，采用减小熔池体积和重力，对提高熔化焊接稳定性、抑制烧穿缺陷、拓宽参数选择范围对薄板高效焊接中实现烧穿抑制的目的具有重要意义。目前，针对薄板电弧焊接过程中的熔池不稳定和烧穿现象，所采取的有效抑制方法主要有以下三种：第一种措施：采用有间隙装配，结合薄板焊接受热易变形的特点，利用焊接时试件本身的收缩位移，使熔池前方接缝间隙始终保持在一个合理的范围内，在保证焊缝熔池液态金属桥接的同时避免薄板焊接时由于热变形引起熔池前方接缝间隙挤压产生的局部翘曲，错边，改变电弧的放电位置，造成局部过热，熔池金属重力增加，导致的烧穿。此方法局限性在于要精确控制对接间隙尺寸，实际操作工序繁琐。第二种措施：手工或机械的电弧摆动，利用薄板焊接散热较快且对热源能量分布敏感的特点，通过电弧热源的适当摆动，降低焊接熔池液态金属的温度梯度。根据熔池温度梯度引起的剪切力以及电弧等离子体对液态金属的剪切力的共同作用下，使得熔池液态金属在竖直方向的流动性能降低，且有一定的可调节性。此方法的局限性在于其实现自动化焊接方面有很大困难，同时焊接效率较低。第三种措施：焊接电源的脉冲波形控制，利用薄板焊接散热较快的特点，通过脉冲型焊接电源，实现了电弧等离子体对熔池液态金属的可调控式加热，同时实现了焊接低平均电流和高峰值电流的焊接过程，适当降低熔池液态金属的温度及其梯度，使得熔池液态金属的流动性降低，增加了焊接熔池的整体稳定性，但是其调节能力和范围有一定的局限性。由此可见，单电弧热源焊接在熔池稳定性调节方面还存在着自身固有缺陷，导致制造效率低、甚至难以实现大批量自动化焊接。因此，薄板电弧自动化焊接过程中烧穿缺陷的抑制仍是制约其广泛应用的难题。
技术实现思路
根据上述提出的单电弧热源焊接在熔池稳定性调节方面还存在的制造效率低或难以实现自动化的技术问题，而提供一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法。本专利技术主要利用脉冲激光对电弧周期性的诱导、增强效果，强、弱电弧交替作用熔池，使得熔池中热源热量重新分配，在保证熔透的情况下，降低热输入，减小熔池金属体积及重力，增加熔池底部表面张力的作用。由此实现焊接熔池稳定性调控，抑制薄板焊接容易产生的烧穿缺陷，从而有利于实现稳定高效焊接，以及获得更加精确的焊接接头成形。本专利技术提出的熔池稳定性控制方法可以大幅提高薄板焊接稳定成形的工艺窗口，显著提高加工制造效率，提高加工成形精度。本专利技术采用的技术手段如下：一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，根据所需的焊接对象，将脉冲激光与电弧焊接电源连接的焊枪，采用电弧焊接在前、脉冲激光在后的方式复合在一起，且脉冲激光的入射位置与电弧电极尖端之间的水平距离(Dla)以及电弧电极的高度(是指电弧电极尖端到母材的垂直距离)连续可调；具体如下：—根据实际焊接成形尺寸的需要对电弧能量与激光能量进行选择，通过对激光入射位置与电弧电极尖端水平距离(Dla)的调节，实现在选用电弧能量(是指电弧焊接时，所产生电弧热源所具有的能量)与激光能量条件下的脉冲激光对电弧焊接的增强效果；—具有脉冲特性的激光与电弧焊接相互作用可以分为有脉冲激光作用时的强电弧焊接间段与无激光作用时的弱电弧焊接间段，通过调节脉冲频率实现对强、弱电弧焊接出现频率的周期性控制；—当有脉冲激光作用时，通过对脉冲能量(是指平均功率与脉冲频率的商值)与脉冲宽度的调节，实现对一个周期内强电弧焊接的占空比以及强电弧焊接作用时的热输入进行控制，利用脉冲激光对电弧的周期性诱导、增强特点，构建出一个强、弱电弧交替作用熔池，且交替作用的频率及“匙孔”开口与闭合的周期和熔池后排及回填时序均可控的热源形式，熔池中热源热量重新分配，达到降低热输入，减小熔池金属体积及重力，增加熔池底部表面张力，从而抑制薄板焊接烧穿缺陷的目的。进一步地，根据所需的焊接成形尺寸来确定电弧能量、激光能量及焊接速度，然后定热源间距，以及脉冲调控参数(脉冲宽度和脉冲频率)。电弧能量的选择应与焊接速度相匹配，原则上在所选用电弧能量与焊接速度焊接时，熔深应为母材金属板厚的1/2～2/3之间。在选用激光能量时，应保证剩余的母材金属板厚，在加入激光能量复合后，要实现板材整体熔透。进一步地，热源间距根据复合焊接两热源的输出参数等焊接参数进行选择，具体如下：(2.0-da)-(±dv)-dal/2≤d≤(2.0-da)±dv+dal/2(1)dal＝1.4067×10-4P2/(2.0525×10-5P2+2.3992×10-6Ia3+2.3515)(2)dv＝(2.0101×vw2)/(vw2+519055.1188)(4)其中：dal为激光对电弧可以发生诱导增强作用的距离，mm；P为激光功率，W；Ia为电弧电流，A；vw为焊接速度，mm/min；dv为电弧放电偏离距离，mm；da为电弧电流强度引起的放电位置偏移量，mm；如果设置公式(1)中的左右两个部分分别为d1和d2，则满足：d1＝(2.0-da)-(±dv)-dal/2(5)d2＝(2.0-da)±dv+dal/2(6)则：d1＜d＜d2(7)如果出现d2＜d1，则取：d2＜d＜d1。从上面分析可知，在不同的给定参数下，会出现不同的d1和d2的值，在对d进行优化时，只需在d1和d2之间取值即可。进一步地，脉冲激光的平均功率的调节范围为200～700W，脉冲频率的调节范围为20～90Hz，脉冲宽度的调节范围为1～6ms；其中，脉冲频率与脉冲宽度决定的脉冲重叠率根据焊接速度调整，其范围为-80％～0％。进一步地，设定强、弱电弧焊接交替作用熔池一次为电弧变化的一个周期，那么其变化的频率与脉冲激光的频率相等，强电弧焊接持续的时间比脉冲激光脉宽增加3～8ms；当脉冲激光消失后，受脉冲激光作用时后排的熔池金属需要及时的回填，且“匙孔”闭合。进一步地，热源热量重新分配的原则为利用脉冲激光的诱导作用，确保每个周期内两热源总热输入的15.6％～20％，需要在脉冲激光作用时，以强电弧焊接状态传导给母材金属板材。进一步地，脉冲激光与电弧焊接以旁轴方式复合在一起，两者之间用带有螺旋测微仪的滑块连接，可以实现电极高度与热源间距准确可调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，根据所需的焊接对象，将脉冲激光与电弧焊接电源连接的焊枪，采用电弧焊接在前、脉冲激光在后的方式复合在一起，且脉冲激光的入射位置与电弧电极尖端之间的水平距离以及电弧电极的高度连续可调；具体为：—根据实际焊接成形尺寸的需要对电弧能量与激光能量进行选择，通过对激光入射位置与电弧电极尖端水平距离的调节，实现在选用电弧能量与激光能量条件下的脉冲激光对电弧焊接的增强效果；—通过调节脉冲激光的脉冲频率，实现对有脉冲激光作用时的强电弧焊接和无脉冲激光作用时的弱电弧焊接出现频率的周期性控制；—当有脉冲激光作用时，通过对脉冲能量与脉冲宽度的调节，实现对一个周期内强电弧焊接的占空比以及强电弧焊接作用时的热输入进行控制，构建出一个强、弱电弧交替作用熔池，且交替作用的频率及“匙孔”开口与闭合的周期和熔池后排及回填时序均可控的热源形式，熔池中热源热量重新分配，从而抑制薄板焊接烧穿缺陷的目的。

【技术特征摘要】
1.一种抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，根据所需的焊接对象，将脉冲激光与电弧焊接电源连接的焊枪，采用电弧焊接在前、脉冲激光在后的方式复合在一起，且脉冲激光的入射位置与电弧电极尖端之间的水平距离以及电弧电极的高度连续可调；具体为：—根据实际焊接成形尺寸的需要对电弧能量与激光能量进行选择，通过对激光入射位置与电弧电极尖端水平距离的调节，实现在选用电弧能量与激光能量条件下的脉冲激光对电弧焊接的增强效果；—通过调节脉冲激光的脉冲频率，实现对有脉冲激光作用时的强电弧焊接和无脉冲激光作用时的弱电弧焊接出现频率的周期性控制；—当有脉冲激光作用时，通过对脉冲能量与脉冲宽度的调节，实现对一个周期内强电弧焊接的占空比以及强电弧焊接作用时的热输入进行控制，构建出一个强、弱电弧交替作用熔池，且交替作用的频率及“匙孔”开口与闭合的周期和熔池后排及回填时序均可控的热源形式，熔池中热源热量重新分配，从而抑制薄板焊接烧穿缺陷的目的。2.根据权利要求1所述的抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，所述电弧能量的选择与焊接速度相匹配，保证焊接时，熔深为母材金属板厚的1/2～2/3之间；脉冲激光能量选择满足剩余的母材金属板厚在加入激光能量复合后，实现母材金属板材整体熔透。3.根据权利要求1所述的抑制薄板焊接烧穿缺陷的脉冲激光诱导电弧焊接方法，其特征在于，热源间距根据复合焊接两热源的输出参数等焊接参数进行选择，具体如下：(2.0-da)-(±dv)-dal/2≤d≤(2.0-da)±dv+dal/2(1)dal＝1.4067×10-4P2/(2.0525×10-5P2+2.3992×10-6Ia3+2.3515)(2)dv＝(2.0101×vw2)/(vw2+519055.1188)(4)其中：dal为激光对电弧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘黎明，宋刚，孙莉，蔡世刚，史吉鹏，
申请(专利权)人：大连理工大学，天津电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21