本发明专利技术公开了一种振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法及系统。激光束和电弧一起在大范围空间内沿拼缝运动；与此同时，激光束围绕电弧作用点在局部微小区域内做振荡扫描运动，实际焊接轨迹为两种运动叠加而成的曲线。激光束振荡扫描位移的最优范围为X轴方向-2-3mm，Y轴方向范围为-5-5mm，Z轴方向-2-2mm，振荡频率20-500Hz。本发明专利技术通过激光束振荡扫描效应和激光-电弧协同效应的相互作用形成增强的技术效果，提高焊缝质量。与已有的激光-电弧复合焊接和激光扫描焊接相比，本发明专利技术具有更强的焊缝气孔抑制能力，并提高焊缝强度10-50％。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术复合焊接技术，具体涉及一种振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法及系统，尤其适用于金属材料的激光束-电弧复合焊接。
技术介绍
激光-电弧复合焊接利用激光、电弧两个热源之间的相互作用，具有更好的焊接特性，兼具激光焊接熔深大、接头质量好、效率高、变形小和电弧焊接桥联性好、复杂环境适应能力强的优点，是当前最令人瞩目的金属材料连接技术之一。但是，电弧和激光在焊接特性上的显著差异造成激光-电弧复合焊缝在焊缝成形和接头组织均匀性上仍然存在一系列需要克服的技术难题。具体来说，电弧的低能量密度及其热传导特性导致电弧热量主要积聚焊缝的上半部分，由此造成复合焊缝上半部分宽大、晶粒粗大、热影响区宽大，表现出明显的电弧焊缝特征；而焊缝的下半部分区域仍然主要由高能密度的激光深熔焊接来熔化形成，造成焊缝下半部分细窄、晶粒相对细小、热影响区较窄，表现出明显的激光深熔焊特征。这些成形和微观组织上的不均匀性增加了激光-电弧复合焊缝的应力集中程度，对其强韧性，尤其是疲劳强度会产生不利影响。对已有的激光-电弧复合焊接技术来说，焊接铝合金、镁合金、钛合金等轻质合金时容易因激光小孔不稳定而形成焊缝气孔，这一问题在很大程度上制约了该技术在工业领域，尤其是轻质合金结构制造领域的应用和发展。通常来说，激光焊接形成的小孔内部处于一种动态振动状态，小孔内部和其周围熔池的活动非常剧烈。对于轻质合金来说，其中的镁、铝、锌等低熔点、高沸点元素容易因为激光小孔内部的高温环境蒸发而增加激光小孔的不稳定性，由此造成激光小孔闭合形成气泡并形成焊缝气孔，大幅度降低激光焊缝的力学性能。已有的激光-电弧复合焊接能够通过电弧介入，并依靠激光-电弧相互作用在一定程度上提高激光小孔稳定性，强化熔池流动并提高气泡的逸出能力，从而降低焊缝气孔。但是，在激光-电弧复合焊接中，电弧低能量密度的特性决定了电弧的影响难以通过激光-电弧相互作用深入熔池下部，导致复合焊接熔池下半部分的流动仍然由激光小孔所主导，基本保持了激光焊接特性，导致该部位的气孔形成倾向仍然很大，这一点在激光-电弧复合焊接中厚板时更为显著。综合而言，尽管已有的激光-电弧复合焊接技术具有明显优于单一激光和电弧工艺的技术优势，但是在轻质合金焊缝气孔问题上仍然有很大的局限性，从而限制了其应用空间。专利文献CN1559743A公开了一种大功率激光旋转扫描焊接方法。该专利技术通过机器人带动激光焊接头运动并使激光束产生旋转，焊件则由另一传动轴带动做直线运动，两个运动相结合形成激光扫描焊接。在低碳钢材料的激光摆动焊接研究中发现激光束的摆动扫描行为能降低熔池温度梯度、增强对熔池流动的搅拌作用，促进熔池非自发形核、改变柱状晶择优生长方向、细化晶粒、降低焊缝气孔并最终提高接头强韧性。存在的问题是，由机器人或其他机械方式驱动的激光束扫描运动实施难度大，不仅响应时间慢、振动频率过低、稳定性差、激光束扫描路径单一，而且实施该工艺的结构复杂，因此该技术的研究与应用程度都非常有限。激光振镜是当前最有效的激光振荡扫描技术，它通过镜组中光学镜片的偏转来实现激光束快速定位和位置切换，定位和切换时间几乎为零，振荡频率可达5000Hz，而且扫描路径可通过计算机程序任意规划，从而能够克服上述激光束机械振动技术的缺点，发挥激光扫描焊接的技术优势。激光振镜扫描焊接能够通过激光束的振荡扫描细化焊缝晶粒、降低裂纹倾向、提高接头强度，但是因为激光焊接熔池过窄、凝固速度过快，以及激光小孔不稳定的特性，该工艺抑制气孔的能力相对有限，焊缝气孔倾向仍然很大，无法满足铝合金、镁合金、钛合金等轻质合金结构的焊接需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法及系统，本专利技术可以均匀化焊缝宏观和微观结构、细化晶粒、降低焊缝缺陷，从而提高焊缝的强韧性，焊接能力优于已有的单一工艺。本专利技术提供的一种振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法，包括下述步骤第I步调节激光和电弧的空间位置，使两者位于有效复合范围内；其中，激光束和电弧焊枪夹角的调节范围为20° -50° ;激光-电弧间距的调节范围为O. 5mm-6mm ;激光束离焦量的调节范围为-4mm-4mm ；第2步将激光束和电弧共同作用于工件并形成一个焊接熔池，开始实施振荡扫描激光束-电弧复合焊接，形成焊缝并完成工件焊接；其中，激光功率范围为500W-20000W ；电弧电流范围为30A-500A ;焊接速度的范围为O. 2m/min-30m/min。本专利技术提供的一种振荡扫描激光束-电弧复合焊接系统，该系统包括激光器、焊机、扫描振镜及其控制器、数控系统、运动机构和复合焊接加工头；所述数控系统分别与激光器、焊机、扫描振镜及其控制器和运动机构电信号连接，激光器通过传输镜组或传输光纤与振镜聚焦装置光连接；所述运动机构用于安装复合焊接加工头或工件，实现其运动；所述振镜控制器和振镜聚焦装置相连，用于设定和控制激光束的扫描图形、振幅和振荡频率；所述复合焊接加工头用于激光束和电弧的复合。在近二十多年里，激光-电弧复合焊接和激光扫描焊接技术都在各自领域取得了迅速发展和显著进步，但是也都存在如上所述的不足之处。本专利技术通过一系列的试验研究、理论分析和工程实践发现尽管上述两种工艺都有抑制焊缝冶金缺陷、提高焊缝力学性能和材料可焊性方面的技术能力，但是两者的作用方式和物理机制明显不同。因此，本专利技术提出集成这两种工艺。这样能够在继续保留两种工艺技术优势的同时，再通过两者的相互作用产生的新物理效应和作用机制，弥补单一工艺的不足，形成增强的加工效果和焊接能力。这是本专利技术提出的核心所在。本专利技术所述的振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法及系统的创新之处和技术优势在于(I)本专利技术所述方法将激光-电弧复合焊接和激光扫描焊接两种工艺相结合，在继续保留两种工艺技术优势的同时，还能优势互补，产生新的复合效应，形成1+1 > 2的加工效果，在均匀化焊缝宏观成形、细化晶粒、抑制焊接缺陷方面具有更优异的技术能力，是一种提高金属材料焊接特性和焊接质量的新方法。和已有的激光-电弧复合焊接和激光扫描焊接技术相比，依据材料体系的不同，本专利技术可提高接头抗拉强度10 50%，疲劳性能20 50%。(2)基于振镜扫描方法，本专利技术提出调控激光-电弧复合焊接熔池内搅拌效应和液态金属流动的技术手段。具体方法为通过调节激光束振荡频率、振幅和激光功率来控制激光束在焊接熔池内的搅拌强度；通过规划激光束扫描路径来调控熔池内液态金属的流动方向。(3)本专利技术所述方法能够能通过振荡扫描激光束-电弧相互作用促进熔滴过渡(熔化极气体保护焊)，提高工艺稳定性。利用振荡激光束定位快速、扫描路径和频率可控的特点，本专利技术可以控制激光束在电弧电流处于峰值阶段时靠近熔滴，通过光致等离子体对熔滴的热辐射作用帮助熔滴脱离焊丝；激光束在熔滴脱离焊丝的瞬间远离熔滴落点位置，避免或缓解光致等离子体和反冲压力对熔滴过渡的偏离或阻碍作用，从而促进熔滴过渡、减少焊接飞溅、提高复合焊接工艺的稳定性。和已有的激光-电弧复合焊接相比，本专利技术可提高工艺稳定性，降低焊接飞溅20 80%。(4)振荡扫描激光束-电弧相互作用能够均匀化焊缝成形、细化晶粒，解决已有激光-电弧复合焊接的焊缝上半部分晶粒粗化问题。振荡扫描激光束在焊缝宽度方向的振荡扫本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种振荡扫描激光束?电弧复合焊接方法，包括下述步骤：第1步调节激光和电弧的空间位置，使两者位于有效复合范围内；其中，激光束和电弧焊枪夹角的调节范围为20°?50°；激光?电弧间距的调节范围为0.5mm?6mm；激光束离焦量的调节范围为?4mm?4mm；第2步将激光束和电弧共同作用于工件并形成一个焊接熔池，开始实施振荡扫描激光束?电弧复合焊接，形成焊缝并完成工件焊接；其中，激光功率范围为500W?20000W；电弧电流范围为30A?500A；焊接速度的范围为0.2m/min?30m/min。
【技术特征摘要】
1.一种振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法，包括下述步骤 第I步调节激光和电弧的空间位置，使两者位于有效复合范围内；其中，激光束和电弧焊枪夹角的调节范围为20° -50° ;激光-电弧间距的调节范围为O. 5mm-6mm ;激光束离焦量的调节范围为-4mm-4mm ； 第2步将激光束和电弧共同作用于工件并形成一个焊接熔池，开始实施振荡扫描激光束-电弧复合焊接，形成焊缝并完成工件焊接；其中，激光功率范围为500W-20000W ；电弧电流范围为30A-500A ;焊接速度的范围为O. 2m/min-30m/min。2.根据权利要求1所述的振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法，其特征在于，激光束和电弧焊枪夹角的调节范围为30° 40°。激光-电弧间距的调节范围为O. 5mm 6mm，优选范围为Imm 4mm ;激光束离焦量的调节范围为_4mm 4mm,优选范围为_2mm 2mm。3.根据权利要求1所述的振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法，其特征在于，第2步中，激光功率范围为3000W 10000W ;电弧电流范围为150A 320A ；焊接速度的范围为2m/min 6m/min。4.根据权利要求1、2或3所述的振荡扫描激光束-电弧复合焊接方法，其特征在于，以焊缝方向为X轴方向，位于工件表面内的焊缝横向方向为Y轴方向，垂直于工件表面的方向为Z轴方向，激光束振荡扫描的位移范围为X轴方向-4mm 8mm ；Y轴方向-1Omm I...
【专利技术属性】
技术研发人员：高明，曾晓雁，李祥友，严军，蒋明，李耿，张臣，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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