阅读说明：本技术 一种阵列扫描式半导体激光-电弧复合焊接方法 (Array scanning type semiconductor laser-electric arc hybrid welding method ) 是由 陈树君 闫朝阳 蒋凡 黄文浩 李�诚 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：一种阵列扫描式半导体激光-电弧复合焊接方法,涉及焊接技术领域。由多个固体激光器固定在可控制扫描式卡具,可控制扫描式卡具通过电机带动并有电脑控制其扫描频率和幅度,从而实现阵列激光束焦点的径向往复式扫描运动,实现了激光与电弧的同轴复合,消除热源的不对称性,焊接无方向性,多个激光束焦点聚成一点时功率最大,实现高功率输出,激光为主热源,电弧为辅热源,有利于加大焊接熔深,提高焊接效率,多个激光束焦点不在一点上时,各个激光束焦点做径向往复式运动,此时激光为辅热源,电弧为主热源,激光充分有效地搅拌熔池,延长了熔池凝固时间,降低温度梯度,减少气孔和飞溅,细化晶粒抑制结晶裂纹的形成。(An array scanning type semiconductor laser-electric arc hybrid welding method relates to the technical field of welding. The controllable scanning type fixture is driven by a motor and has the scanning frequency and amplitude controlled by a computer, so that radial reciprocating type scanning movement of the array laser beam focus is realized, coaxial combination of laser and electric arc is realized, asymmetry of a heat source is eliminated, welding non-directivity is realized, the power is maximum when the laser beam focuses are converged into one point, high power output is realized, the laser is a main heat source, the electric arc is an auxiliary heat source, welding penetration is favorably increased, welding efficiency is improved, when the laser beam focuses are not on one point, each laser beam focus makes radial reciprocating type movement, the laser is an auxiliary heat source, the electric arc is a main heat source, the laser fully and effectively stirs a molten pool, the solidification time of the molten pool is prolonged, the temperature gradient is reduced, air holes and splashing are reduced, and crystal grains are refined to inhibit formation of crystal cracks.)

一种阵列扫描式半导体激光-电弧复合焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种阵列式扫描半导体激光-电弧复合焊接方法。

背景技术

近十几年来，半导体激光器的发展更为迅速，已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点，使得它目前在光电子领域中应用非常广泛，已受到世界各国的高度重视。

激光-电弧复合热源焊接最早于20世纪70年代末提出，由于当时的激光器造价很高，且功率较低，为了能够获得足够的熔深，英国的Steen教授提出利用GTAW电弧辅助激光进行焊接，试验发现激光与GTAW电弧复合后可以大大提高薄板的焊接速度和成型质量。

目前，根据激光和电弧在焊接时的空间位置不同可以分为同轴复合和旁轴复合。同轴复合可以消除热源的不对称性，焊接无方向性，但是该复合方式所用焊接卡具设计较为复杂。旁轴复合焊接卡具设计较为简单，安装方式更加灵活，调节范围大，但是其热源的不对称性对焊接质量影响较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有激光-电弧同轴复合方式中焊枪头设计复杂、大功率激光设备昂贵等问题而旁轴复合焊接热源不对称问题，提供一种造价便宜、同轴焊枪头构造简单同时能够消除气孔，改善焊缝质量的一种阵列式扫描半导体激光-电弧复合焊接方法。

本发明采用的技术解决方案是：一种阵列式扫描半导体激光-电弧复合焊接方法，包括以下步骤：

(1)焊前准备：对待焊工件进行表面处理，用砂纸逐一打磨，去表面的氧化膜，然后用丙酮清洗、晾干固定在焊接工装上；

(2)设置半导体激光束与电弧焊枪位置：将设计的可控制扫描式卡具固定在电弧焊枪下端部位，将多个固体激光器固定在设计的可控制扫描式卡具上，设计的可控制扫描式卡具通过电机带动并有电脑控制设计的可控制扫描式卡具扫描频率和幅度，所述多个固体激光器进行阵列式环绕排布，整体排布成圆状结构，电弧焊枪位于环状结构的中心，且固体激光器下端倾斜向电弧焊枪位置，使得多个固体激光器成下端收缩的束状结构，所述多个固体激光器激光束焦点聚焦成一点并位于电弧焊枪的正下方；设计的可控制扫描式卡具带动固体激光器一起做扫描运动；

(3)工艺参数设置：设置每个固体激光器功率为100～200W，电弧电流为80～120A，焊丝干伸长为10～16mm，焊接速度4～15m/min送丝速度5～10m/min，激光保护气体为纯氩气，气体流量为10～30L/min，焊枪保护气体采用纯氩气或氩气与CO₂混合气，气体流量为10～30L/min。

(4)焊接操作：在设置完成工艺参数后，先通入保护气体，再将电弧焊枪在待焊工件上起弧，待电弧稳定1～2s后，然后使阵列式排布环绕并倾斜向电弧焊枪的多个固体激光器同时发出激光束，同时电机控制扫描式卡具，带动固定在卡具上的阵列环绕式激光器进行扫描，通过机器人控制激光器和焊枪，使得工件上的阵列激光-电弧共同运动完成激光-电弧复合焊接。

所述多个固体激光器激光束离焦量为-4～+4mm。

所述可控制扫描式卡具扫描幅度为2～4mm，扫描频率为2～200HZ。

所述多个固体激光器阵列式排布环绕与电弧焊枪夹角为45°～75°。

所述多个固体激光器阵列式排布环绕为圆形平均环绕。

多个固体激光器排布在电弧焊枪的四周成圆状，每个固体激光器激光扫描路径为径向往复式扫描。

阵列激光的焦点始终围绕在电弧焊枪正下方，做径向往复式运动

本发明的有益效果是：本发明提供了一种阵列式扫描半导体激光-电弧复合焊接方法，将多个固体激光器阵列式排布环绕组合实现高功率输出，降低了激光器成本，设计的可控制扫描式卡具结构简单，实现了激光与电弧的同轴复合，消除热源的不对称性，焊接无方向性，多个激光束焦点聚成一点时功率最大，激光为主热源，电弧为辅热源，有利于加大焊接熔深，提高焊接效率，当多个激光束焦点不在一点上时，各个激光束焦点做径向往复式运动，此时激光为辅热源，电弧为主热源，激光充分有效地搅拌熔池，延长了熔池凝固时间，降低温度梯度，减少气孔和飞溅，细化晶粒并抑制结晶裂纹的形成，提高焊缝质量。

附图说明

图1为本发明的实施例的阵列式扫描半导体激光-电弧复合焊接方法示意图。

图2为阵列式扫描半导体激光焦点路径示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。

实施例1

一、焊接前，对待焊工件进行表面处理，用砂纸逐一打磨，去表面的氧化膜，然后用丙酮清洗、晾干固定在焊接工装上；

二、在焊接过程中始终保持激光束圆形平均环绕电弧焊枪，共同作用在被焊区域，设置几何参数如下，激光器阵列式排布环绕与电弧焊枪夹角为45°～75°，离焦量-4～+4mm；

三、设置焊接模式及工艺参数：

将设计的可控制扫描式卡具固定在电弧焊枪下端部位，将多个固体激光器固定在设计的可控制扫描式卡具，可控制扫描式卡具通过电机带动并有电脑控制其扫描频率和幅度，多个固体激光器阵列式排布环绕并倾斜向电弧焊枪位置设置，多个固体激光器激光束焦点聚焦成一点并位于电弧焊枪的正下方；

多个固体激光器激光束焦点先聚焦成一点，通过电机控制扫描式卡具，从而带动阵列激光器的扫描，阵列激光的焦点始终围绕在电弧焊枪正下方，做径向往复式运动。装置涉及的焊接模式，可通过调节激光热源与电弧热源的相对位置实现。

设置工艺参数：设置每个固体激光器功率为100～200W，电弧电流为80～120A，焊丝干伸长为10～16mm，焊接速度4～15m/min送丝速度5～10m/min，激光保护气体为纯氩气，气体流量为10～30L/min，焊枪保护气体采用纯氩气或氩气与CO2混合气，气体流量为10～30L/min。

四、焊接操作：在设置完成工艺参数后，先通入保护气体，再将电弧焊枪在待焊工件上起弧，待电弧稳定1～2s后，然后使阵列式排布环绕并倾斜向电弧焊枪的多个固体激光器同时发出激光束，同时电机控制扫描式卡具，带动固定在卡具上的阵列环绕式激光器进行扫描，通过机器人控制激光器和焊枪，使得工件上的阵列激光-电弧共同运动完成激光-电弧复合焊接。

本发明采用的阵列式扫描半导体激光是由多个固体激光器固定在可控制扫描式卡具，可控制扫描式卡具通过电机带动并有电脑控制其扫描频率和幅度，从而实现阵列激光束焦点的径向往复式扫描运动，实现了激光与电弧的同轴复合，消除热源的不对称性，焊接无方向性，同时也降低了成本，多个激光束焦点聚成一点时功率最大，实现高功率输出，激光为主热源，电弧为辅热源，有利于加大焊接熔深，提高焊接效率，当多个激光束焦点不在一点上时，各个激光束焦点做径向往复式运动，此时激光为辅热源，电弧为主热源，激光充分有效地搅拌熔池，延长了熔池凝固时间，降低温度梯度，减少气孔和飞溅，细化晶粒并抑制结晶裂纹的形成，提高焊缝质量。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。