[發明專利]一種用于激光束和等離子弧復合焊接的焊炬

在審

• 申請號: 201710066985.1
• 申請日: 2017-02-07
• 公開（公告）號: CN106735909A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 王長春;陳卓勤
• 申請（專利權）人: 王長春
• 主分類號: B23K26/348
• 分類號: B23K26/348;B23K26/70
• 代理公司: 北京市中聞律師事務所11388
• 代理人: 王新發,常亞春

技術領域

本發明涉及一種用于金屬材料的焊接、涂覆的焊炬裝置，確切地說，是涉及激光和等離子弧復合焊接的焊炬，以及采用本發明的激光和等離子弧復合焊接方法。

背景技術

焊接是在各種金屬制造行業中至關重要、至今無法完全取代的加工制造技術。焊接作業是指在工件上產生高的能量密度形成熔池并移動熔池。因此，如果可以提高焊接工具與工件之間的能量耦合效率，即入射在工件上的能量密度，則可以獲得顯著的經濟效益，這取決于所用的材料和焊接技術。

其中之一就是具有較高的能量耦合密度的等離子焊，等離子焊是指將被壓縮的等離子電弧用作能量源來熔化工件進行焊接的工藝技術，在焊接過程中，電離化氣體形成的等離子弧被壓縮，能量更加集中，高能量的等離子弧產生動態壓力，其電弧可以穿透熔融液池，因此也稱之為“小孔”焊接”。等離子焊的主要優點是能夠進行一道次、相對快速的材料焊接，接頭準備工作最少。另外，因為等離子弧聚集在“小孔”內，減小了工件內的應力或變形。

盡管等離子焊具有許多重要優點，但仍存在幾項嚴重的局限性。等離子體電弧的能量密度制約了“小孔”的穿透深度、可焊材料厚度和焊接速度。另外，等離子焊接的“小孔”可能在某些操作條件下出現塌陷，由此造成焊縫質量降低。

在等離子焊中，入射在工件上的能量密度是形成“小孔”的最重要參數。等離子焊接電流在10至250安培的范圍內可以形成“小孔”，但這也取決于工件的材料和焊接速度。另外，等離子弧的能量密度、傳入工件上的熱斑點中的能量密度依賴于等離子弧內的傳熱機理。當電弧溫度提高時，等離子電弧的輻射熱損失是主要因素，這樣就限制了等離子焊接作業的最高功率密度，也限制了焊接更厚板材或者提高焊接速度的能力。在常規的等離子弧焊過程中，對于約200A-250A的電流和約3-3.5KW的等離子功率密度而言，輻射熱傳遞是主導因素，因此，實際上無法利用現有技術獲得更高的等離子焊接功率密度，任何通過增大焊炬功耗來提高功率密度的嘗試都會降低焊接效率；如果嘗試提高焊接速度，等離子弧會變得不穩定，工件上的熱斑會落在焊炬軸線之后，這是導致焊接質量差的一個起因。

激光束焊是另一種利用高能量密度--激光束作為熱源進行焊接的高效精密加工方法。“小孔”模式的激光束焊接可以提供相對大的熔深，與其他熔焊方法相比，激光束焊接具有能量密度高熱輸入少、接頭區殘余應力和變形小、熔化區和熱影響區窄，以及熔深大、焊縫組織細小、接頭性能好等優點。此外，與（同樣地利用高能量密度焊接的）電子束技術相比，激光束焊接不需要真空條件，保護氣體種類及壓力范圍可方便選擇，可借助偏轉棱鏡或光導纖維將激光束引導到難以接近的部位進行焊接，操作靈活，可穿過透明材料聚焦焊接等，激光束可靈活控制 ,易于實現工件的三維自動化焊接。

激光束焊也具有幾項重大的制約條件。由于可焊材料厚度和穿透深度受制于被耦合至工件的激光束的功率和熱量，因此通常只能通過提高激光器功率來改善的焊接效果。激光束焊一般需要大型的高功率氣體激光器、固態激光器或二極管激光器以生成并維持“小孔”焊接的模式。

眾所周知，金屬等離子體對“小孔”內壁所產生的壓力對焊接過程中維持“小孔”焊接模式是非常重要的。但是，如果等離子體密度過高會造成激光束反射；實際上，等離子體的密度變得過低或過高，都會導致降低焊接作業的效率。另外，在像金屬這樣的材料上啟動激光束焊，需要使用更高的激光束功率以形成“小孔”，但激光束的功率轉換效率都是很低的。

總的來說，激光束焊接技術存在以下典型的限制條件：

（1）需要非常精確的焊件位置（在激光束的聚焦范圍內），焊件需使用相對復雜的夾治具，以確保激光束熱斑與焊件的最終位置對準；對于厚度大于19mm的工件，生產線上不適合使用激光焊接。

（2）對于高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，激光束焊接的應用受到限制。當進行高能量焊接時，激光束焊接的性能會受到等離子體的影響。

（3）能量轉換效率通常低于10%；焊道凝固快，可能會產生氣孔及脆化。

（4）設備昂貴。

為了消除或減少激光束焊接的缺陷,關于利用其它熱源與激光束進行復合焊接的研究在八十年代就已經開始了，并且現在已經開始了一些工業應用，如激光束與電弧的復合焊接等，按照布置方式分類，主要有激光束與電弧旁軸布置（典型的如激光與熔化極氣體保護焊GMAW或脈沖激光與熔化極氣體保護焊GMAW-P 復合焊接）、激光束與電弧同軸布置（典型的如激光與TIG電弧復合焊接）兩大類。