阅读说明：本技术 一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法 (Laser-electric arc hybrid welding method suitable for high-strength aluminum alloy flat welding ) 是由 韩永全 洪海涛 冯一萍 杜茂华 孙振邦 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明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。本发明能够减少焊接热输入,提高焊接效率。(The invention relates to a laser-electric arc hybrid welding method suitable for high-strength aluminum alloy flat welding, which adopts a hybrid welding process combining double-pulse polarity-variable plasma arc welding and laser welding, and realizes the high-medium and low-frequency controllability of pulse polarity-variable plasma arc pulse current through control, wherein the high-frequency pulse frequency is 200 plus materials Hz, the low-frequency pulse frequency is 1-5Hz, and the power frequency is 40 Hz; welding technological parameters are as follows: plasma current 160-220A, arc voltage 21-30V, arc height 5-6mm, plasma welding gun angle 45-60 degrees, high-purity argon gas protection; the laser power is 1.5-2.5kw, the defocusing amount of the laser is-5-5 mm, and the laser beam is inclined to the welding gun side for 5-10 degrees; the electric arc is before the laser beam, the optical tungsten spacing is 3-6mm, and the welding speed is 480-. The invention can reduce welding heat input and improve welding efficiency.)

一种适用于高强铝合金平焊的激光-电弧复合焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

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。

本发明的特点还在于，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。

本发明的特点还在于，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，本发明具有如下优点：

本发明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；本发明采用的激光-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发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例供的复合热源焊接结构示意图；

图2为本发明实施例中脉冲变极性等离子电流波形示意图，脉冲正反极***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为本发明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，对本发明的具体实施方式进行详细地描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明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。

在本发明实施例中，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。

在本发明实施例中，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。

本发明中，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。

在本发明实施例中，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发明的焊接工艺，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IAR for msp430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，采用的焊接系统主要包括：脉冲变极性等离子焊机1、等离子焊枪2、光纤激光器3和送丝系统4等，其中，还采用了双脉冲变极性等离子波形高低频调制，基于焊机单片机微机驱动模块，通过C语言程序对焊机输出波形进行控制。其中的送丝系统4，为确保焊接稳定性，导丝嘴材质为紫铜，试用焊丝直径不大于1.4mm。等离子负极与等离子焊枪2相连，等离子正极与工件5连接，构成脉冲变极性等离子焊回路，利用KUKA焊接控制系统控制激光功率大小、激光通断和焊接速度等焊接参数调节，与脉冲变极性等离子焊接过程协同控制。图2本发明实施例中脉冲变极性等离子电流波形示意图，脉冲正反极***替一次为工频周期，高低能脉冲交替一次为低频脉冲周期。

具体焊接方法步骤如下：

步骤一，将工件待焊处正反两面氧化膜清理，清理方法采用机械清理方法，用砂纸与钢丝刷进行打磨，将工件安装至工装卡具进行固定；将等离子焊枪2与激光头6组合为旁轴式复合热源焊枪，固定两枪角度与位置，激光束倾于焊枪侧5-10°，焊枪与工件夹角45-60°，光钨间距3-6mm；按照图1所示方法连接焊接设备与装置。

步骤二，焊接前，根据焊接工艺需要，设定激光功率，离焦量等参数，调节等离子焊接电流，脉冲频率，正反极性时间；调节两枪位置，等离子焊枪喷嘴距工件高度5-6mm，在保证等离子焊枪不与工件发生碰撞，激光不会对等离子焊枪造成损坏的同时，进一步调整光钨间距和送丝位置，在保证两热源良好复合的前提下，确保稳定的焊接过程和高的焊接质量。

步骤三，根据工艺需要，钨极尖端角度45°，钨极内缩量2mm，调节离子气流量1-2L/min，保护气流量15-20L/min，焊接速度480-1040mm/min，送丝速度4.5-6.5m/min。

步骤四，检查焊接设备是否正常运作，焊接轨迹是否安全。

步骤五，开启脉冲等离子焊接电源的高频维弧电源，维弧起后，机器人落枪，落枪完毕后起等离子主弧，关闭维弧，再发射激光，同时启动送丝，以设定焊接速度开始行走；焊接时，激光作用在等离子弧形成的熔池底部，形成激光小孔焊透工件，等离子电弧主要起工件加热和熔化焊丝进行盖面的作用；焊接结束，关闭激光，停止送丝，关闭等离子弧。

下面以应用本发明方法的具体实施例来进一步说明：

实施例1

采用激光-变极性等离子弧复合焊接方法焊接6mm厚7075铝合金，焊接参数为光纤激光功率1.55kW，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，焊接速度900mm/min，送丝速度6m/min；焊接前将工件待焊处进行清理，清理方法采用机械打磨，然后使用夹具将工件固定在工作台上，焊接轨迹测试完成后，进行激光-变极性等离子弧复合焊接试验，同时对变极性等离子弧形态及电弧电信号进行采集，采集信号如图3的a所示。

实施例2

对变极性等离子弧植入200Hz高频脉冲，进行激光-双脉冲变极性等离子弧复合焊接试验，焊接参数为光纤激光功率1.55kW，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，焊接速度900mm/min，送丝速度6m/min；焊接前将工件待焊处进行清理，清理方法采用机械打磨，然后使用夹具将工件固定在工作台上，焊接轨迹测试完成后，对6mm厚7075铝合金进行激光-脉冲变极性等离子弧复合焊接试验，同时对变极性等离子弧形态及电弧电信号进行采集，采集信号如图3的b所示。

实施例3

对变极性等离子弧植入500Hz高频脉冲，进行激光-双脉冲变极性等离子弧复合焊接试验，焊接参数为光纤激光功率1.55kW，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，焊接速度900mm/min，送丝速度6m/min；焊接前将工件待焊处进行清理，清理方法采用机械打磨，然后使用夹具将工件固定在工作台上，焊接轨迹测试完成后，对6mm厚7075铝合金进行激光-脉冲变极性等离子弧复合焊接试验，同时对变极性等离子弧形态及电弧电信号进行采集，采集信号如图3的c所示。焊缝成形如图4所示，焊缝表面光滑，无气孔、裂纹等缺陷。

实施例4

对变极性等离子弧植入1000Hz高频脉冲，进行6mm厚7075铝合金激光-双脉冲变极性等离子弧复合焊接试验。焊接参数为光纤激光功率1.55kW，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，焊接速度900mm/min，送丝速度6m/min。同时对变极性等离子弧形态及电弧电信号进行采集，采集信号如图3的d所示。

通过对变极性等离子弧植入高频脉冲，高频脉冲对电弧具有压缩作用，且在高频低于1000Hz时压缩效果较优，提高了激光-变极性等离子弧复合焊接对母材的穿透能力，同时，变极性弧的高频脉冲周期性变化，对熔池有一定的冲刷效果，可降低焊缝气孔率，改善焊缝成形。

本发明的优势还在于：

焊接时，脉冲等离子弧的作用主要是，形成深而窄的熔池，同时熔化焊丝盖面，而激光作用在等离子弧形成的高温熔池上，形成“小孔效应”，工件的熔透能力由激光来决定，因此控制两个热源的能量比可控制焊缝的成形系数，改善组织和力学性能。

脉冲等离子电弧降低了激光焊接铝合金阈值，对价格高昂的大功率激光器来说，降低设备投入，降低了生产成本。

激光小孔附近的金属蒸汽，提高了电弧稳定性，对电弧有吸引压缩的作用，对高速焊接电弧稳定有研究意义。

综上所述，本发明实施例提供的复合焊接方法，能够解决现有技术中焊接效率低，焊缝成形和质量差的问题，该焊接方法通过改变脉冲变极性等离子脉冲频率实现了热源更集中，气孔率降低，焊缝强度提高，复合方式结构简单。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。