一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法技术

本发明专利技术为一种适用于高强铝合金平焊的激光‑电弧复合焊接方法，采用双脉冲变极性等离子弧焊接与激光焊接相结合的复合焊接工艺，通过控制实现脉冲变极性等离子弧脉冲电流高中低频率可控，高频脉冲频率200‑1000Hz，低频脉冲频率1‑5Hz，工频频率40Hz；焊接工艺参数：等离子电流160‑220A，电弧电压21‑30V，弧高5‑6mm，等离子焊枪角度45‑60°，高纯氩气体保护；激光功率1.5‑2.5kw，激光离焦量‑5‑5mm，激光束倾于焊枪侧5‑10°；电弧在激光束之前，光钨间距3‑6mm，焊接速度480‑1040mm/min。本发明专利技术能够减少焊接热输入，提高焊接效率。

A laser arc hybrid welding method for flat welding of high strength aluminum alloy

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法
本专利技术属于焊接
，具体涉及一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法。
技术介绍
变极性等离子被誉为铝合金等轻合金焊接的无缺陷焊接，但是由于其焊接效率较低，焊接位置局限，铝合金平焊穿孔成形差，中厚板焊接大电流时钨极烧损严重，且对高强铝合金焊接接头软化较为明显。激光由于能量密度高，因此具有较强的深熔能力，由于铝合金激光焊时对光和热具有高的反射率，激光焊接能温度梯度较高导致热裂纹缺陷严重，对装配精度要求严格，且大功率激光器价格昂贵。将激光-脉冲变极性等离子复合进行焊接，利用激光的深熔效果，具有变极性等离子焊接铝合金优势的同时，提高焊接效率，降低焊接电流，减少热输入，进而改善高强铝合金焊接接头软化问题，达到铝合金穿孔平焊，单道次焊，单面焊双面成型的目的，实现“1+1>2”的焊接效果。但是，现有单道次的激光电弧复合焊接方法有以下缺点：1)对焊接板材穿透能力较弱；开破口时易造成咬边，焊趾裂纹等问题；不开坡口时，需要提高焊接电流，将导致热输入高，接头强度降低；2)高强铝合金焊接接头软化严重，非压缩电弧较为发散，焊接热输入较大；3)焊缝背面成型差，常常有未焊满、余高波动大。4)夹渣，气孔和裂纹倾向较为严重。以上问题制约了工业生产及应用，因此针对上述激光-电弧复合焊接方法存在的不足，有必要提供一种更加经济高效的焊接手段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法，旨在减少焊接热输入，提高焊接效率，保证焊接质量，从而为工业制造提供一种经济高效的焊接方法和手段。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法，其特殊之处在于，采用双脉冲变极性等离子弧焊接与激光焊接相结合的复合焊接工艺，通过控制实现脉冲变极性等离子弧脉冲电流高中低频率可控，高频脉冲频率200-1000Hz，低频脉冲频率1-5Hz，工频频率40Hz；焊接工艺参数设置如下：等离子电流160-220A，电弧电压21-30V，弧高5-6mm，等离子焊枪与工件夹角45-60°，高纯氩气体保护；激光功率1.5-2.5kw，激光离焦量采用-5-5mm离焦，激光束倾于焊枪侧5-10°；电弧在激光束之前，光钨间距3-6mm，焊接速度480-1040mm/min。本专利技术的特点还在于，焊接过程背面采用不锈钢垫板，焊丝采用5356直径1.2mm铝合金焊丝，送丝速度4.5-6.5m/min，送丝方式为推进式送丝。本专利技术的特点还在于，脉冲变极性等离子弧正极性电流155A，反极性电流190A，正反极性时间比21：4。相对于现有技术，本专利技术具有如下优点：本专利技术结合脉冲等离子弧熔池搅拌清理和激光深熔穿透等优点，相比传统复合焊可以实现更大板厚的焊接，焊接效率提高的同时，焊接质量得到明显改善，获得成型美观，焊接缺陷少，焊缝质量高的焊接接头；本专利技术采用的激光-电弧复合焊接方法，中厚板铝合金可单道次焊透，双面成型，热源集中，改善焊后变形和接头软化，对焊接中厚板铝合金优势明显。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例供的复合热源焊接结构示意图；图2为本专利技术实施例中脉冲变极性等离子电流波形示意图，脉冲正反极性交替一次为工频周期，高低能脉冲交替一次为低频脉冲周期；图3为本专利技术实施例中电弧检测系统采集的变极性等离子弧电信号及电弧形态图，左侧为电弧电信号，右侧为等离子弧形态，其中的a为不植入脉冲下激光-变极性等离子弧复合焊接检测数据，其中的b、c和d分别是植入200Hz、500Hz和1000Hz高频脉冲复合焊接的监测数据；图4为光纤激光-脉冲VPPA复合焊接焊缝成形图，其中的a为焊缝正面成形图，b为焊缝背面成形图。附图标记说明：1.脉冲变极性等离子焊机，2.等离子焊枪，3.光纤激光器，4.送丝系统，5.工件，6.激光头。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细地描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。本专利技术实施例提供的一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法，采用双脉冲变极性等离子弧焊接与激光焊接相结合的复合焊接工艺，通过控制实现脉冲变极性等离子弧脉冲电流高中低频率可控，高频脉冲频率200-1000Hz，低频脉冲频率1-5Hz，工频频率40Hz；焊接工艺参数设置如下：等离子电流160-220A，电弧电压21-30V，弧高5-6mm，等离子焊枪与工件夹角45-60°，高纯氩气体保护；激光功率1.5-2.5kw，激光离焦量采用-5-5mm离焦，激光束倾于焊枪侧5-10°；电弧在激光束之前，光钨间距3-6mm，焊接速度480-1040mm/min。在本专利技术实施例中，焊接过程背面采用不锈钢垫板，采用不锈钢垫板主要是考虑铝合金在穿孔平焊接条件下，焊缝容易下塌，背部采取垫板，成型稳定。同时铝合金穿孔复合焊接可以解决激光焊接形成的气孔和应力问题。焊丝采用5356直径1.2mm铝合金焊丝，若焊丝直径大，焊丝融化时所需要的热量也会加大，容易造成电弧的能量不够，导致激光深熔效果减弱，背面未熔合等问题。另外，送丝速度4.5-6.5m/min，送丝方式为推进式送丝。送丝速度过小，会造成熔池填充量不足，焊接后焊缝凹陷，若送丝过快，焊丝未及时熔化，流动性差，易导致焊缝不平整等缺陷。在本专利技术实施例中，脉冲变极性等离子弧正极性电流155A，反极性电流190A，正反极性时间比21：4。本专利技术中，脉冲变极性等离子弧高频200-1000Hz，高频脉冲对等离子电弧有压缩作用，使电弧作用面积减小，电弧力增强，改善大电流造成的接头软化问题。低频脉冲频率1-5Hz，低频脉冲对熔池有冲刷搅拌的作用，可以减轻焊缝应力，对焊接裂纹有改善作用，同时焊缝中下层的气孔也更容易排出。工频脉冲正反极性时间比选择21：4，工作频率40Hz，能够使正极性电弧更加集中，穿孔能力强，反极性时电弧温度高，对焊缝表面有阴极清理作用，考虑到反极性时对钨极烧损较为严重，综合考虑正反极性时间比选择21：4。在本专利技术实施例中，采用脉冲变极性等离子弧焊接系统与光纤激光器搭建的复合焊接系统来实现本专利技术的焊接工艺，采用MSP430单片机作为微机控制核心，输出信号给二次逆变单元，实现脉冲变极性等离子弧脉冲电流高中低频率可控，高频脉冲频率200-1000Hz，工频频率40Hz，低频脉冲频率1-5Hz，其中的微机控制单元输出信号采用C语言实现数字化控制，具体采用IARformsp430软件实现焊机程序编辑-测试-烧入，界面简洁，人机交互方式灵活。具体的，如图1所示，采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，采用双脉冲变极性等离子弧焊接与激光焊接相结合的复合焊接工艺，通过控制实现脉冲变极性等离子弧脉冲电流高中低频率可控，高频脉冲频率200-1000Hz，低频脉冲频率1-5Hz，工频频率40Hz；焊接工艺参数设置如下：/n等离子电流160-220A，电弧电压21-30V，弧高5-6mm，等离子焊枪与工件夹角45-60°，高纯氩气体保护；激光功率1.5-2.5kw，激光离焦量采用-5-5mm离焦，激光束倾于焊枪侧5-10°；电弧在激光束之前，光钨间距3-6mm，焊接速度480-1040mm/min。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，采用双脉冲变极性等离子弧焊接与激光焊接相结合的复合焊接工艺，通过控制实现脉冲变极性等离子弧脉冲电流高中低频率可控，高频脉冲频率200-1000Hz，低频脉冲频率1-5Hz，工频频率40Hz；焊接工艺参数设置如下：
等离子电流160-220A，电弧电压21-30V，弧高5-6mm，等离子焊枪与工件夹角45-60°，高纯氩气体保护；激光功率1.5-2.5kw，激光离焦量采用-5-5mm离焦，激光束倾于焊枪侧5-10°；电弧在...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩永全，洪海涛，冯一萍，杜茂华，孙振邦，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：内蒙;15