基于功率调制改善紫铜激光‑电弧复合焊稳定性的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于功率调制改善紫铜激光‑电弧复合焊稳定性的方法，包括以下步骤：1)在两个预对接紫铜之间开设坡口，并打磨去除坡口表面的氧化层，其中，两个预对接紫铜的预对接接头根部留有间隙；2)基于激光功率调制选择的焊接参数完成两个预对接紫铜的激光‑电弧复合热源焊接，其中，焊接参数包括调制波形的形状、激光的平均功率、激光的振幅及激光的频率，该方法能够避免常功率下紫铜激光电弧复合焊过程中易出现盲孔、焊接稳定性较差的问题，提高通孔的产生几率，改善复合焊接过程的稳定性。

Method for improving copper laser power modulation arc welding based on stability

The invention discloses a method for improving the power modulation of copper laser arc hybrid welding based on stability, which comprises the following steps: 1) in the end between two pre docking and polished copper, oxide layer, the removal of the groove surface, two pre docking copper pre butt joint root gaps; 2) among them welding, laser arc hybrid welding parameter modulation selection of laser power to complete the two pre docking copper based on the welding parameters including modulation waveform shape, the average laser power of the laser, the amplitude and the frequency of the laser light, this method can avoid copper laser arc welding process under constant power tends to appear in the blind hole, the welding stability the problem of the poor, improve the production rate of the through hole, to improve the stability of hybrid welding process.

【技术实现步骤摘要】
基于功率调制改善紫铜激光-电弧复合焊稳定性的方法
本专利技术属于焊接
，涉及一种基于功率调制改善紫铜激光-电弧复合焊稳定性的方法。
技术介绍
紫铜具有高的导电性和导热性、易加工性和耐腐蚀性，凭借其独特的物理性能广泛地应用于电力设备、石油化工、新能源等行业。在现代经济中，电力掌握着国家的经济命脉，而铜则作为电气设备系统的核心之一，重要性不言而喻。对于紫铜来说焊接的最大问题在于其具有高的热膨胀系数和热导率，导致工件变形大且能耗大，传统的氩弧焊难以获得高质高效的焊接接头。激光焊接具有能量密度高、变形小、深宽比大、生产效率高、控制灵活等优点，但是紫铜是一种高反射率材料，室温下对红外激光的吸收率不到5％，2000K时吸收率约为15％。目前的研究均表明采用激光电弧复合焊接工艺有着出色的能量协同效应，兼具激光和电弧二者的优势，利用激光深熔焊实现了大熔深，同时发挥了电弧焊的预热提高激光吸收率和提供熔敷金属的作用，产生了1+1>2的效果，在紫铜焊接中有着广阔的应用前景。在激光-电弧复合热源焊接中，激光深熔小孔的稳定性对焊接稳定性有着至关重要的作用。图1a及图1b为T2紫铜和钢激光深熔焊接时小孔孔深方向上的能量分布情况的分析。从图1a及图1b可知，焊T2紫铜时小孔下部激光能量的吸收率约为小孔上部的4.1倍，而焊钢时这一比例约为1.8倍。正是由于紫铜激光焊接时沿小孔孔深方向上能量分布的不均匀性较大，随着焊接过程的进行，小孔底部的能量不断聚集，金属蒸气的压力逐渐增大，使得小孔底部膨胀(如图2a、图2b及图2c所示)，小孔下部体积的膨胀将使激光束在小孔下部的反射次数增加，下部体积膨胀的越显著则激光束在小孔下部的反射次数越多、被下部吸收的能量也越多，最终导致孔深方向激光能量分配的不平衡现象加剧，使小孔和熔池变得非常不稳定，气孔缺陷数量增多(见图3)。在平均激光功率不变的条件下，采用常功率激光与电弧复合焊接紫铜，小孔呈现盲孔的几率高、呈现通孔的几率极小，盲孔时容易出现激光能量在小孔底部过度聚集的现象，使小孔失稳、焊接过程不稳定，如图4a及图4b所示。当通孔出现的时候可以避免激光能量在小孔底部的过度集中，从而避免小孔底部的过度膨胀以及由此导致的熔池不稳定现象及飞溅、气孔等缺陷产生。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于功率调制改善紫铜激光-电弧复合焊稳定性的方法，该方法能够避免常功率下紫铜激光电弧复合焊过程中易出现盲孔、焊接稳定性较差的问题，提高通孔的产生几率，改善复合焊接过程的稳定性。为达到上述目的，本专利技术所述的基于功率调制改善紫铜激光-电弧复合焊稳定性的方法包括以下步骤：1)在两个预对接紫铜之间开设坡口，并打磨去除坡口表面的氧化层，其中，两个预对接紫铜的预对接接头根部留有间隙；2)基于激光功率调制选择的焊接参数完成两个预对接紫铜的激光-电弧复合热源焊接，其中，焊接参数包括调制波形的形状、激光的平均功率、激光的振幅及激光的频率。坡口的类型为I型或Y型，当两个预对接紫铜的厚度小于5mm，坡口的类型为I型；当两个预对接紫铜的厚度大于等于5mm时，坡口的类型为Y型。间隙的宽度大于0mm且小于等于2mm。打磨去除所述坡口的表面氧化层的具体操作为：用砂纸打磨坡口的表面，然后再用丙酮进行擦拭。所述调制波形为脉冲波、方波、锯齿波或正弦波。激光的振幅小于等于激光平均功率的1/2。激光的频率为100Hz-1300Hz。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的基于功率调制改善紫铜激光-电弧复合焊稳定性的方法在具体操作时，基于激光功率调制选择的焊接参数完成两个预对接紫铜的激光-电弧复合热源焊接，其中，调制后的瞬时功率峰值明显大于平均功率，瞬时功率密度显著提高，因此在调制后正半周期内会在盲孔底部形成较大蒸发反冲压力，有利于形成贯穿型小孔，从而提高通孔的出现几率，改善复合焊接过程的稳定性，同时多余的激光能量从通孔底部逃逸，从而显著改善盲孔状态下激光能量在小孔底部的过度聚集、小孔失稳、焊接过程稳定性差的问题，进而避免常功率下紫铜激光电弧复合焊过程中的易出现盲孔、焊接稳定性较差的问题。需要说明的是，本专利技术利用激光器自带的编辑器实现对输出功率的波形调制，在不增加设备成本的基础上改善焊接稳定性，提高焊接质量，降低气孔缺陷，具有很好的应用价值。附图说明图1a为紫铜激光焊接过程中小孔内壁能量分配示意图；图1b为钢激光焊接过程中小孔内壁能量分配示意图；图2a为t＝0ms时小孔下部体积膨胀对激光束的多次反射行为及能量耦合行为的影响示意图；图2b为t＝17ms时小孔下部体积膨胀对激光束的多次反射行为及能量耦合行为的影响示意图；图2c为t＝21ms时小孔下部体积膨胀对激光束的多次反射行为及能量耦合行为的影响示意图；图3为紫铜激光焊中气孔形成过程的示意图；图4a为贯穿型小孔内激光束反射和吸收行为的示意图；图4b为非贯穿型小孔内激光束反射和吸收行为的示意图；图5a常激光功率下的激光-电弧复合焊稳定性原理示意图；图5b为本专利技术的原理示意图；图6a为4mm紫铜调制复合焊熔池形貌的高速摄影图；图6b为4mm紫铜常功率复合焊熔池形貌的高速摄影图；图7a为平均激光功率2300W时4mm紫铜调制复合焊气孔数量的三元二次正交回归试验结果图；图7b为平均激光功率2600W时4mm紫铜调制复合焊气孔数量的三元二次正交回归试验结果图；图7c为平均激光功率2900W时4mm紫铜调制复合焊气孔数量的三元二次正交回归试验结果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参考图1，本专利技术所述的基于功率调制改善紫铜激光-电弧复合焊稳定性的方法包括以下步骤：1)在两个预对接紫铜之间开设坡口，并打磨去除坡口表面的氧化层，其中，两个预对接紫铜的预对接接头根部留有间隙；2)基于激光功率调制选择的焊接参数完成两个预对接紫铜的激光-电弧复合热源焊接，其中，焊接参数包括调制波形的形状、激光的平均功率、激光的振幅及激光的频率。坡口的类型为I型或Y型，当两个预对接紫铜的厚度小于5mm，坡口的类型为I型；当两个预对接紫铜的厚度大于等于5mm时，坡口的类型为Y型。间隙的宽度大于0mm且小于等于2mm。打磨去除所述坡口的表面氧化层的具体操作为：用砂纸打磨坡口的表面，然后再用丙酮进行擦拭。所述调制波形为脉冲波、方波、锯齿波或正弦波。激光的振幅小于等于激光平均功率的1/2。激光的频率为100Hz-1300Hz。实施例一试验材料为T2紫铜，板材的厚度为4mm，对接试板开设I型坡口，对接试板的根部间隙宽度为1mm，焊前用砂纸打磨去除坡口表面的氧化层，并用丙酮擦拭；焊接速度为1.3m/min，MIG送丝速度为10.5m/min，喷嘴高度为12mm，激光头倾斜为10°，离焦量为0mm，光丝间距为1mm。激光功率调制采用正弦波，平均激光功率为2400W，调制振幅为600W，调制频率为100Hz；设置对照组，保证平均激光功率不变，不调制，激光功率为2400W。此外对焊接过程中熔池、凝固金属和试板采用高纯氩气氛保护，避免氧化。同时，在焊接过程中采用高速摄影拍射熔池形貌和电弧形态。试验结果如图6a及图6b所示。从图6a及图6b可以看到，对激光功率进行正弦调制后，激光入射点大大降低，贯穿型小孔形成的几本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于功率调制改善紫铜激光‑电弧复合焊稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在两个预对接紫铜之间开设坡口，并打磨去除坡口表面的氧化层，其中，两个预对接紫铜的预对接接头根部留有间隙；2)基于激光功率调制选择的焊接参数完成两个预对接紫铜的激光‑电弧复合热源焊接，其中，焊接参数包括调制波形的形状、激光的平均功率、激光的振幅及激光的频率。

【技术特征摘要】
1.一种基于功率调制改善紫铜激光-电弧复合焊稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在两个预对接紫铜之间开设坡口，并打磨去除坡口表面的氧化层，其中，两个预对接紫铜的预对接接头根部留有间隙；2)基于激光功率调制选择的焊接参数完成两个预对接紫铜的激光-电弧复合热源焊接，其中，焊接参数包括调制波形的形状、激光的平均功率、激光的振幅及激光的频率。2.根据权利要求1所述的基于功率调制改善紫铜激光-电弧复合焊稳定性的方法，其特征在于，坡口的类型为I型或Y型，当两个预对接紫铜的厚度小于5mm，坡口的类型为I型；当两个预对接紫铜的厚度大于等于5mm时，坡口的类型为Y型。3.根据权利要求1所述的基于功率调制改善紫铜激光-电弧复...

【专利技术属性】
技术研发人员：张林杰，杨健楠，宁杰，白清林，裴俊宇，刘江哲，卢广峰，张建勋，殷咸青，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61