一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置及加工方法
阅读说明：本技术 一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置及加工方法 (Laser-plasma arc composite cutting and welding processing device and processing method ) 是由 哈斯金·弗拉基斯拉夫 罗子艺 郭瑞·弗拉基米尔 薛亚飞 巴比奇·亚历山大 怀玺 王昕昕 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及焊接设备技术领域,公开了一种激光－等离子弧复合切割与焊接加工装置,包括壳体,壳体内具有供激光穿过的中心通道,壳体的底部还布置有喷嘴,喷嘴包括气体喷嘴和布置在气体喷嘴内部的等离子喷嘴,壳体的外部沿其周向还间隔布置有切割电极和焊接电极,切割电极、焊接电极均为针状电极,切割电极、焊接电极的底端与中心通道的中心线之间的间隔大于激光在经过切割电极、焊接电极时的半径。切割电极和焊接电极均为针状电极,取代布置在激光线路上的环状电极,避免激光由辐射加工区反射到阴极的端面,激光经过切割电极、焊接电极的底端时并不会照射到针状电极,避免激光的热量辐射在针状电极,避免电极出现过热现象,延长阴极的使用寿命。(The invention relates to the technical field of welding equipment, and discloses a laser-plasma arc combined cutting and welding processing device which comprises a shell, wherein a central channel for laser to pass through is arranged in the shell, a nozzle is also arranged at the bottom of the shell and comprises a gas nozzle and a plasma nozzle arranged in the gas nozzle, a cutting electrode and a welding electrode are also arranged at intervals outside the shell along the circumferential direction of the shell, the cutting electrode and the welding electrode are needle electrodes, and the interval between the bottom ends of the cutting electrode and the welding electrode and the central line of the central channel is larger than the radius of the laser when the laser passes through the cutting electrode and the welding electrode. The cutting electrode and the welding electrode are needle electrodes, and replace annular electrodes arranged on a laser line, so that laser is prevented from being reflected to the end face of the cathode by the radiation processing area, the laser cannot irradiate the needle electrodes when passing through the bottom ends of the cutting electrode and the welding electrode, the heat of the laser is prevented from radiating on the needle electrodes, the electrode is prevented from being overheated, and the service life of the cathode is prolonged.)
技术领域
本发明涉及焊接设备技术领域，特别是涉及一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置及加工方法。
背景技术
激光焊接、等离子焊接是现代焊接中常用的焊接方式，激光热源具有高的能量密度、极优的指向性、及透明介质传导的特性，电弧等离子体具有高的热-电转化效率、低廉的设备成本的运行成本、技术发展成熟等优势。激光-等离子弧复合焊接结合了激光和等离子弧两个独立热源的优点，又规避二者各自的缺点，在金属材料焊接领域是具有极大应用前景的新型焊接热源。
申请公布号为WO2011029462A1的国际专利公开了一种激光-等离子弧焊接方法和装置，惰性气体或者其他复合气体在环形阴极处激发产生等离子流，激光束引导等离子束传输，电弧阴极构造为环形并且激光束可以在环形阴极中心开口之内传输。
上述的激光-等离子弧焊接方法和装置在使用时，激光经过环形阴极照射到工件上，激光的热量辐射在环形阴极的端面，另外激光会由辐射加工区反射到阴极端面特定的位置，会在环形阴极的断面上存在过热现象，电弧的阴极区域被压缩到过热区域的大小，阴极开始严重侵蚀甚至是紧急侵蚀，这导致环形阴极的快速失效，影响电弧阴极的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是：提供一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置，以解决现有技术中的激光-等离子弧焊接时环形阴极的端面出现过热现象，影响电弧阴极的使用寿命的问题；本发明还提供了一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置，包括壳体，所述壳体内具有供激光穿过的中心通道，所述壳体的底部还布置有喷嘴，所述喷嘴包括用于喷射辅助气体的气体喷嘴和布置在所述气体喷嘴内部的供等离子束喷出的等离子喷嘴，所述壳体的外部沿其周向还间隔布置有切割电极和焊接电极，所述切割电极、焊接电极均为针状电极，所述切割电极、焊接电极的底端向所述壳体靠近以倾斜布置，所述切割电极、焊接电极的底端与所述中心通道的中心线之间的间隔大于激光在经过所述切割电极、焊接电极时的半径。
优选地，所述切割电极的锥角为60-90°。
优选地，所述焊接电极的锥角为15-30°
优选地，所述等离子喷嘴为直径可调的调节喷嘴，等离子喷嘴的直径调节范围为1-5mm。
本发明还提供了一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工方法，包括以下步骤，步骤一，采用针状电极作为切割电极和焊接电极，调节切割电极和焊接电极的角度，使切割电极和焊接电极的底端向激光通道倾斜；步骤二，调节切割电极、焊接电极的底端与中心通道的中心线之间的间隔，间隔大于激光在经过所述切割电极、焊接电极时的半径；步骤三，调节等离子喷嘴的直径，使等离子喷嘴的直径满足电弧的收缩；步骤四，启动控制系统，在控制系统汇中调节气体喷嘴的气体的流速、激光的功率、激光束的焦点、切割电极和焊接电极的电流范围，进行焊接。
优选地，步骤一中，切割电极的锥角为60-90°，焊接电极的锥角为15-30°
优选地，步骤三中，等离子喷嘴的直径调节范围为1-5mm。
优选地，步骤四中，在焊接时，气体喷嘴的气体流速为0.1-10.0L/min，切割时，气体喷嘴的气体流速为15.0-150.0L/min。
优选地，激光的功率为1.0-5.0kW，激光束的焦点的变化范围为工件的表面至工件厚度的0-50％。
优选地，切割时电流范围为30-120A，焊接时电流范围为50-250A。
本发明的一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置及加工方法与现有技术相比，其有益效果在于：切割电极和焊接电极均为针状电极，且布置在壳体的外侧，取代布置在激光线路上的环状电极，避免激光由辐射加工区反射到阴极的端面，气体喷嘴喷出的辅助气体流向针状电极，在针状电极处电离形成等离子束，激光由中心通道内射出并从切割电极、焊接电极的底端处穿过，由于切割电极、焊接电极的底端与中心通道的中心线之间的间隔大于激光在经过切割电极、焊接电极时的半径，激光经过切割电极、焊接电极的底端时并不会照射到针状电极，避免激光的热量辐射在针状电极，同时在等离子流冲击到针状电极之前激光束切断等离子气流，形成提高等离子束导电能力的受控通道，使电弧能够在等离子束内稳定聚焦、传输，避免电极出现局部过热现象，延长阴极的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置的结构示意图。
图中，1、外壳；11、中心通道；2、等离子喷嘴；3、气体喷嘴；4、切割电极；5、焊接电极；6、工件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置的优选实施例，如图1所示，该激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置包括壳体1、喷嘴、切割电极4和焊接电极5，喷嘴包括气体喷嘴3和等离子喷嘴2气体喷嘴3，喷嘴布置在壳体1的底端，壳体1的顶端用于与外设的激光发生器连接，壳体1内部具有供激光穿过的中心通道11。
气体喷嘴3用于喷射辅助气体，辅助气体为惰性气体或者是包含惰性气体的混合气体，气体喷嘴3与壳体1的中心通道11同轴布置。气体喷嘴3喷出辅助气体，辅助气体通过焊接电极5、切割电极4与加工工件6之间的间隙流向焊接电极5、切割电极4，在针状电极处电离形成等离子束。
等离子喷嘴2布置在气体喷嘴3的内侧，等离子喷嘴2用于供等离子束以及激光穿过，等离子喷嘴2与气体喷嘴3同轴布置。等离子喷嘴2为直径可调的调节喷嘴，等离子喷嘴2的直径调节范围为1-5mm，通过调节等离子喷嘴2的直径可以调节电弧的收缩，电弧相对于工件6的位置可以由聚焦的激光束的焦点控制。在焊接或者切割时，等离子喷嘴2垂直于工件6或者相对于工件6表面垂线最大成20°角。
针状电极倾斜布置，针状电极的底端靠近壳体1、顶端远离壳体1，切割电极4、焊接电极5分别布置在壳体1的两侧，切割电极4、焊接电极5与中心通道11的中心线的夹角为10-30°，切割电极4的锥角为60-90°，焊接电极5的锥角为15-30°。切割电极4、焊接电极5可以绕壳体1的周向分别间隔布置多个，根据工作的强度进行选定。
针状电极的底端与中心通道11的中心线之间具有间隔，该间隔大于激光束在经过切割电极4、焊接电极5的底端时的半径，激光经过切割电极4、焊接电极5的底端时并不会照射到针状电极，避免激光的热量辐射在针状电极，同时在等离子流冲击到针状电极之前激光束切断等离子气流，形成提高等离子束导电能力的受控通道，使电弧能够在等离子束内稳定聚焦、传输。
在焊接的过程中，向激光-等离子束的外部喷射保护气体，使等离子束被保护气体包裹。在切割过程中，对切割电极4采用惰性气体进行保护，因为氧气、压缩空气或水蒸气可能会混入等离子束，其中混合的氧气、压缩空气或水蒸气比例可达40％-60％。
本发明的一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工方法，即上述的光-等离子弧复合切割与焊接加工装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，采用针状电极作为切割电极4和焊接电极5，调节切割电极4和焊接电极5的角度，使切割电极4和焊接电极5的底端向激光通道倾斜。
优选地，切割电极4、焊接电极5与中心通道11的中心线的夹角为10-30°，切割电极4的锥角为60-90°，焊接电极5的锥角为15-30°
步骤二，调节切割电极4、焊接电极5的底端与中心通道11的中心线之间的间隔，间隔大于激光在经过所述切割电极4、焊接电极5时的半径。
步骤三，调节等离子喷嘴2的直径，使等离子喷嘴2的直径满足电弧的收缩。
优选地，等离子喷嘴2的直径调节范围为1-5mm，等离子喷嘴2与激光束同轴，等离子喷嘴2垂直于工件6或相对于工件6表面垂线最大成20°角。
步骤四，启动控制系统，在控制系统汇中调节气体喷嘴3的气体的流速、激光的功率、激光束的焦点、切割电极4和焊接电极5的电流范围，进行焊接。
优选地，在焊接时，向激光-等离子束的外部喷射保护气体，其中气体喷嘴3的气体流速为0.1-10.0L/min，保护气体的流速为10.0-30.0L/min。在切割时，气体喷嘴3的气体流速为15.0-150.0L/min，向切割电极4处喷射保护气体对切割电极4进行保护，因为氧气、压缩空气或水蒸气可能会混入等离子束，混合的氧气、压缩空气或水蒸气比例可达40％-60％。
优选地，激光的功率为1.0-5.0kW，激光束的焦点的变化范围为工件6的表面至工件6厚度的0-50％。
辅助气体在焊接电极5、切割电极4处产生等离子，激光束在等离子气流冲击至焊接电极5、切割电极4之前切断等离子气流，形成提高等离子束导电能力的受控通道，并引导针状电极产生的等离子束穿过等离子喷嘴2至工件6上，提高了等离子束在高速加工时的稳定性，实现激光束与等离子束同轴传输、加工。
在本实施例中，激光束和等离子束是连续的；在其他实施例中，激光束和等离子束也可以是脉冲的，为了对等离子体进行额外压缩，可以在单个脉冲内以10-40kHz的频率使用脉冲模式对射流进行附加脉冲调制。
优选地，切割时电流范围为30-120A，焊接时电流范围为50-250A。
在具体施工时，以400×200×8mm尺寸的Q345碳钢材料为例，在切割时，焊接电极5与激光束的中心线夹角为30°，切割电极4的锥角为65°，焊接电极5的锥角为20°，等离子喷嘴2的直径为2mm，激光的功率为2.0kw，切割电流为80A，辅助气体为氩气，氩气的压力为0.5Mpa，辅助气体的流苏为270/min，切割速度可以增加至800m/h，同时降低了切口边缘的粗糙度。
以无坡口对接焊8mm厚SUS304不锈钢为例，在焊接时，激光功率为2.0kW，焊接电流为200A，氩气作为辅助气体，辅助气体压力为0.15MPa，气流速度为2.8L/min。同时保护气体为氩气，保护气体压力为0.15MPa，气流速度为17L/min，最大焊接速度达到18m/h，也改善了焊缝成形质量。
综上，本发明实施例提供一种激光-等离子弧复合切割与焊接加工装置，其切割电极和焊接电极均为针状电极，且布置在壳体的外侧，取代布置在激光线路上的环状电极，避免激光由辐射加工区反射到阴极的端面，气体喷嘴喷出的辅助气体流向针状电极，在针状电极处电离形成等离子束，激光由中心通道内射出并从切割电极、焊接电极的底端处穿过，由于切割电极、焊接电极的底端与中心通道的中心线之间的间隔大于激光在经过切割电极、焊接电极时的半径，激光经过切割电极、焊接电极的底端时并不会照射到针状电极，避免激光的热量辐射在针状电极，同时在等离子流冲击到针状电极之前激光束切断等离子气流，形成提高等离子束导电能力的受控通道，使电弧能够在等离子束内稳定聚焦、传输，避免电极出现局部过热现象，延长阴极的使用寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
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