[發明專利]一種基于微束等離子弧誘導的低功率激光高效焊接方法

有效

• 申請號: 201610368845.5
• 申請日: 2016-05-30
• 公開（公告）號: CN105945430B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 羅怡;謝小健;韓靜韜;朱亮;丁宇;賈立成;翟研炎
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: B23K26/348
• 分類號: B23K26/348;B23K101/18
• 代理公司: 重慶華科專利事務所50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明涉及激光焊接方法，適用于常用金屬薄板結構材料的高效焊接，尤其適用于對激光能量具有較高反射率的鋁合金、鎂合金等材料的焊接。

背景技術

由于環保和節能的需要，汽車等交通工具的輕量化已經成為發展潮流，使鋁合金、鎂合金等輕合金材料在交通工具制造中的推廣應用成為必然趨勢。鋁合金等輕合金材料具有較高的導熱、導電性，在生產制造環節，需要提供相對更高的焊接能量才能實現高效率、高質量焊接，這無疑增大了能源消耗，增加了生產中的能源成本。隨著科技的高速發展，焊接制造對生產效率、制造精度和質量穩定性提出了越來越高的要求。同時，高效率、低能耗的現代制造技術已經成為制造領域一個重要的發展方向。

激光焊是一種高效率的焊接技術，由于激光焊接熱源能量密度大，熱輸入低、使焊接熱影響區窄、熱變形小，容易實現深熔和高重復精度焊接。但是，較低的間隙搭橋能力卻使激光焊接對裝配精度提出了更高要求。激光+電弧復合焊接技術利用電弧熱源作用面積大的特點彌補了單一激光焊接熱源間隙搭橋能力不足的缺點，同時也能實現高效率的深熔焊接。經過三十余年的研究與推廣，激光+電弧復合焊接已經為國內外學者所廣泛認同，使不同形式的電弧熱源，如TIG、MIG、MAG電弧等，通過旁軸或同軸方式與激光熱源實現了復合，并不斷開發出焊接新工藝應用于不同材料與結構。

為了獲得較大的焊接熔深，實現較高的焊接效率，激光+電弧復合焊接技術基本選用激光功率在2kW以上甚至更大功率的激光器，并大多匹配具有相對較大焊接電流的自由電弧。這使激光+電弧復合焊接技術在獲得高效率制造的同時，生產設備成本投入較高，能量消耗較大。即使選用激光功率在1kW以下的小功率激光器，也一般匹配能量作用較為發散的TIG電弧(自由電弧)用于復合焊接，其電弧電流數值常常在80～100A以上，使低功率激光+電弧復合焊接獲得的焊接效率提升較為有限，否則就要提高電弧電流，造成能量消耗的進一步增加。并且，在激光+電弧復合焊接過程中，由于自由電弧能量作用相對發散，使電弧熱源的能量并沒有獲得高效利用，也直接影響了激光能量的高效利用，這為低功率激光+電弧復合焊接熔透效果和焊接效率的提升留下了進一步改進的空間。

相對于常用于激光+電弧復合焊接的TIG、MIG、MAG等自由電弧，微束等離子弧具有能量作用集中、電弧穩定、能量消耗小、焊接質量重復精度高等優點。但由于微束等離子弧往往基于極小的焊接電流產生，使其在用于焊接時熔深較小，生產效率低，一般僅用于小而薄的金屬器件焊接，限制了其應用范圍。而脈沖激光焊接熱源具有單脈沖功率高、平均熱輸入低、能量密度大等特點，可以實現深熔和高重復精度焊接。但對于鋁合金等輕合金材料，由于材料熱導率和電導率大，對激光的反射率較高，使材料對激光能量的吸收率較低，影響焊接效率和熔深質量，這在低功率激光焊接中表現得尤為突出。因此，對于鋁合金等輕合金材料，無論選用微束等離子弧焊接或者低功率脈沖激光焊接，雖然能耗低，但是均難以實現高效率深熔焊接。基于上述情況，焊接效率、焊接能耗和制造成本仿佛難以實現三者兼顧。

發明內容

本發明針對常用金屬板結構材料，尤其是對激光能量具有較高反射率的鋁合金、鎂合金等材料，提供一種基于微束等離子弧誘導的低功率激光高效焊接方法。該方法能夠實現常用金屬材料的高效深熔焊接，尤其適用于鋁合金、鎂合金等輕合金材料的高效率、低能耗焊接。

本發明采取以下技術方案：

一種基于微束等離子弧誘導的低功率激光高效焊接方法，該方法借助微束等離子弧對激光等離子體的誘導作用及其輔熱作用，實現對匙孔效應不穩定性的抑制，提高材料對激光熱源能量的熱吸收率，所述焊接方法的步驟如下：

(1)調整激光束出射方向，使其與鉛垂面成0°～15°夾角；

(2)調整微束等離子焊槍，使微束等離子弧出射方向與激光束成15°～30°夾角；

(3)校準激光焊槍與微束等離子弧焊槍相對位置，使出射激光束與出射微束等離子弧位于同一平面，且以焊接前進方向為參照，微束等離子焊槍在前，激光焊槍在后；

(4)使微束等離子弧的引燃弧工作，校準激光焊槍與微束等離子焊槍相對位置，使激光束在工件平面的束斑與微束等離子弧束斑重合，重合度判斷原則為：激光束斑位于微束等離子弧束斑范圍內前進方向的后側。