CN110625260B - 激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光‑低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，复合焊接系统包括激光头、送丝机构、焊丝、保护气装置、恒压特性电源和电弧控制中心；送丝机构包括适用于窄间隙的环形电极、导电送丝轮和送丝嘴；焊接过程中，恒压特性电源输出小电流，送丝机构送进焊丝，焊丝在待焊工件表面自发诱导电弧，与激光头产生的激光束复合进行焊接；电弧控制中心通过恒压特性电源实时监测焊接过程中电回路的电流大小，并根据电流大小调节送丝机构的焊丝送进行为和恒压特性电源的输出电流以维持电弧稳定。该焊接系统可将电弧引入大厚板超窄间隙焊接过程的高拘束空间内并与激光产生协同增强效应，结合了激光电弧复合焊与激光填丝焊的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
目前基于铝合金激光焊接问题，采用激光电弧复合焊接能够提高激光吸收率、桥接能力，抑制铝合金的焊接缺陷，但是激光电弧复合焊接技术受限于焊枪尺寸，只适用于低于20mm板厚的焊接，难以适应厚度超过20mm的大厚板超窄间隙焊接。
采用激光填丝焊接虽然能够适应大厚板的超窄间隙焊接，但是由于其焊接工艺参数区间较小，焊接效率相对复合焊较低，并且容易出现未熔合等缺陷问题。
另外，激光电弧复合焊中电弧产生的等离子体能够稀释光致等离子体的粒子密度，降低光致等离子体的屏蔽效应，从而大幅度提高激光束能量传输及吸收效率。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，该焊接系统可将电弧引入大厚板超窄间隙焊接过程的高拘束空间内并与激光产生协同增强效应，结合了激光电弧复合焊与激光填丝焊的优势。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，复合焊接系统包括用于产生激光束的激光头、可实时调节焊丝送进速度的送丝机构、焊丝和保护气装置，其结构特点是：所述送丝机构包括适用于窄间隙的环形电极、用于约束焊丝位置、辅助送丝并实现环形电极与焊丝电连接的导电送丝轮、约束焊丝送进位置的送丝嘴和与环形电极连接的送丝机；所述复合焊接系统还包括恒压特性电源和电弧控制中心，恒压特性电源的正极与送丝机构的环形电极电连接，恒压特性电源的负极与待焊工件电连接；
焊接过程中，恒压特性电源输出小电流，送丝机构送进焊丝，焊丝在待焊工件表面自发诱导电弧，与激光头产生的激光束复合进行焊接；恒压特性电源、环形电极、导电送丝轮、焊丝与待焊工件之间形成电回路，电弧控制中心通过恒压特性电源实时监测焊接过程中电回路的电流大小，并根据电流大小调节送丝机构的焊丝送进行为和恒压特性电源的输出电流以维持电弧稳定，具体包括：
焊接过程中，送丝机构以设定的焊丝送进速度送进焊丝，焊丝尖端的液态熔滴接触待焊工件表面会在电流回路中形成短路电流；恒压特性电源监测到电回路中出现短路电流时，电弧控制中心通过调节恒压特性电源的输出电流，控制电流增长速度，防止熔滴迅速爆断，同时通过减小送丝机构的焊丝送进速度，增加熔滴脱离的驱动力，使得焊丝尖端的液态熔滴与焊丝迅速脱离并过渡至待焊工件熔池中，完成一次熔滴过渡；熔滴过渡后，焊丝与待焊工件表面分离引燃电弧；随着焊丝送进速度降低，焊丝尖端与待焊工件之间距离增大，电弧变长，电回路中电流迅速减小，恒压特性电源监测到电回路中的电流减小到设定的最小电流值时，电弧控制中心通过控制送丝机构使焊丝送进速度恢复至设定的焊丝送进速度。
开始焊接时，焊丝尖端的液态熔滴是在焊丝第一次接触待焊工件表面后，由电阻热和激光束热作用形成的，焊接过程中，焊丝尖端的液态熔滴是由电弧热和激光束热作用形成的。
下面结合焊接过程对电弧控制中心的工作方式进行具体描述：
S1、开始焊接，程序初始化，设置系统参数（系统参数包括焊丝送进速度、焊接稳定阶段的恒压特性电源输出电流、需要恢复焊丝送进速度至设定值的最小电流值等参数），恒压特性电源加载恒定电压（开始焊接时，焊丝第一次接触待焊工件表面之前，电回路不通，未形成电流，焊丝第一次接触待焊工件表面之后，通过恒压特征电源保持电回路中的小电流），送丝机构以设定的焊丝送进速度送进焊丝，焊丝接触待焊工件表面时，电流回路中形成短路电流，焊丝尖端在电阻热和激光束热作用形成液态熔滴；恒压特性电源监测到电回路中的短路电流，电弧控制中心通过调节恒压特性电源的输出电流，控制电流增长速度，防止熔滴迅速爆断，同时通过减小送丝机构的焊丝送进速度，增加熔滴脱离的驱动力，使得焊丝尖端的液态熔滴与焊丝迅速脱离并过渡至待焊工件熔池中，完成第一次熔滴过渡；熔滴过渡后焊丝与待焊工件表面分离引燃电弧；
S2、焊丝尖端在电弧热和激光束热作用形成液态熔滴，随着焊丝送进速度降低，焊丝尖端与待焊工件之间距离增大，电弧变长，恒压特性电源监测到电回路中的电流迅速变小；
S3、当电回路中电流减小到设定的最小电流值，恢复焊丝送进速度至设定的焊丝送进速度；
S4、焊丝尖端液态熔滴接触待焊工件表面，在电流回路中形成短路电流，电弧熄灭，恒压特性电源监测到电回路中的短路电流，电弧控制中心通过调节恒压特性电源的输出电流，控制电流增长速度，防止熔滴迅速爆断，同时通过减小送丝机构的焊丝送进速度，增加熔滴脱离的驱动力，使得焊丝尖端的液态熔滴与焊丝迅速脱离并过渡至待焊工件熔池中，完成一次熔滴过渡；
S5、熔滴过渡后焊丝与待焊工件表面分离引燃电弧，循环步骤S2-S4。
其中设定的焊丝送丝速度和设定的最小电流值均是通过预实验得到的，焊接材料、尺寸、焊接要求等不同，设定的焊丝送丝速度和最小电流值也不同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明是在激光填丝焊的基础上，对激光填丝焊的送丝机构进行改进，通过恒压特性电源、环形电极、导电送丝轮向焊丝输入低电流，使得焊丝在待焊工件表面自发诱导电弧；相比于传统的激光填丝焊，激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接能够提高激光吸收率、桥接能力，抑制焊接缺陷，尤其是铝合金大厚板中的未熔合缺陷。
二、普通的激光电弧复合焊接技术受限于焊枪尺寸，只适用于低于20mm板厚的焊接。本发明通过设计，去掉了空间体积较大的焊枪，通过改进激光填丝焊的送丝机构达到电弧焊接的目的，改进后的送丝机构前端可深入到大厚板超窄间隙的高拘束空间中完成焊接，可以适应的工件板厚与破口间隙比值大于等于10：1。此外，通过低电流自发诱导电弧还能有效降低焊接热输入，防止由于热输入过大造成的合金元素损失、焊缝组织恶化、焊接变形等。
三、本发明中的低电流焊丝自发诱导电弧产生的等离子体能够稀释光致等离子体的粒子密度，降低光致等离子体的屏蔽效应，从而大幅度提高激光束能量传输及吸收效率。
四、电弧控制中心通过恒压特性电源实时监测焊接过程中电回路的电流大小，并根据电流大小调节送丝机构的焊丝送进行为和恒压特性电源的输出电流以维持电弧稳定，避免了热量在焊丝前端与待焊工件表面接触的熔滴处集中导致的熔滴爆断、焊接飞溅、电路瞬态失稳等问题，通过熔滴过渡的控制维持了电弧的稳定，保证了焊接质量。其中减小送丝机构的焊丝送进速度，增加熔滴脱离的驱动力的原理是：焊丝送进速度减小以后，焊丝尖端的液态熔滴由于惯性继续按原有速度送进，焊丝尖端与液态熔滴之间的分离驱动力与熔滴过渡频率随着送丝速度的降低而增大。以此通过调节焊丝送进速度控制熔滴过渡驱动力与过渡频率（即送丝速度减慢得越多，熔滴与焊丝分离越快）。焊丝送进速度控制范围为-10m/min~+30m/min，焊丝送进速度减小为负值代表焊丝由向待焊工件送进的状态改为回抽状态。
总之，本发明结合了激光电弧复合焊与激光填丝焊的优势，通过环形电极、导电送丝轮的设计将电弧引入大厚板超窄间隙焊接过程的高拘束空间内并与激光产生协同增强效应，提出一种基于低电流焊丝诱导电弧的引入方式，构建了低电流焊丝自发诱导电弧激光复合焊接新方法，解决了大厚板超窄间隙构件目前面临的焊接问题。
进一步，本发明所述环形电极外壳为绝缘的圆筒形外壳，圆筒形外壳外径为10~20mm，圆筒形外壳壁厚为1.2~2.5mm，导电送丝轮直径4.5~9.5mm。
这样的尺寸设计不仅可适应大厚板超窄间隙构件的焊接，而且可保证焊丝的稳定送进及自发诱导电弧的稳定性。
进一步，本发明所述当恒压特性电源监测到电回路中电流减小到设定的最小电流值时，焊丝尖端与待焊工件表面之间的距离是0.5-2mm。
实验验证，控制焊丝与待焊工件保持上述适当的距离，既可防止电弧过长而产生的电弧不稳定、偏吹、熄弧等影响焊接质量，又可避免焊丝与待焊工件粘连，产生短路，熔滴爆断等现象。
进一步，本发明所述恒压特性电源输出电流的范围是0-100A。
采用上述电流范围能够有效的降低焊接热输入，防止工件及焊丝中的合金元素烧损；防止功率过大造成送丝及导电机构过热；改善熔滴过渡，使其更加稳定；产生的电弧能稀释光致等离子体并与激光复合产生耦合增强效应。
进一步，本发明焊接过程中，激光束作用点与焊丝尖端之间的距离为-3mm-+3mm。
实验证明，在本发明激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接中，-3mm-+3mm的光丝间距下能保证熔滴过渡模式为更加稳定的液桥过渡模式，熔滴过渡频率大，焊缝形貌较好，熔池中合金元素分布更为均匀。
附图说明
图1为本发明实施例低电流焊丝自发诱导电弧产生示意图。
图2为本发明实施例送丝机构前端内部俯视结构放大示意图。
图3为本发明实施例激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接总体结构示意图
图中，1为环形电极，2为导电送丝轮，3为焊丝，4为送丝嘴，5为导电送丝轮固定轴，6为恒压特性电源，7为诱导电弧，8为待焊工件，9为送丝机，10为激光头，11为保护气装置的保护气导管，12为窄间隙坡口。
图4为本发明实施例复合焊接系统熔滴过渡控制流程示意图。
图5为本发明实施例焊接输出电流信号示意图。
具体实施方式
实施例
一种激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，复合焊接系统包括用于产生激光束的激光头、可实时调节焊丝送进速度的送丝机构、焊丝和保护气装置，其结构特点是：所述送丝机构包括适用于窄间隙坡口12的环形电极1、用于约束焊丝3位置、辅助送丝并实现环形电极1与焊丝3电连接的导电送丝轮2、约束焊丝3送进位置的送丝嘴4、与环形电极1连接的送丝机9；所述复合焊接系统还包括恒压特性电源6和电弧控制中心，恒压特性电源6的正极与送丝机构的环形电极1电连接，恒压特性电源6的负极与待焊工件8电连接；
焊接过程中，恒压特性电源6输出小电流，送丝机构送进焊丝3，保护气通过保护气装置的保护气导管11输送到焊接位置并对其形成保护气氛，焊丝3在待焊工件8表面自发诱导电弧7，与激光头10产生的激光束复合进行焊接；图1为本例低电流焊丝自发诱导电弧产生示意图。图中，5为用于将导电送丝轮2固定在环形电极1内部的导电送丝轮固定轴。图2为本例送丝机构前端内部俯视结构放大示意图。图3为本例激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接总体结构示意图，附图为示意图，有关于表现本发明的发明点，省略了与发明点无关的装置，比如省略了保护气装置的保护气瓶等部分。
恒压特性电源6、环形电极1、导电送丝轮2、焊丝3与待焊工件8之间形成电回路，电弧控制中心通过恒压特性电源6实时监测焊接过程中电回路的电流大小，并根据电流大小调节送丝机构的焊丝送进行为和恒压特性电源6的输出电流以维持电弧稳定，具体包括：
焊接过程中，送丝机构以设定的焊丝送进速度送进焊丝3，焊丝尖端的液态熔滴接触待焊工件8表面会在电流回路中形成短路电流；恒压特性电源6监测到电回路中出现短路电流时，电弧控制中心通过调节恒压特性电源6的输出电流，控制电流增长速度，防止熔滴迅速爆断，同时通过减小送丝机构的焊丝送进速度，增加熔滴脱离的驱动力，使得焊丝尖端的液态熔滴与焊丝3迅速脱离并过渡至待焊工件熔池中，完成一次熔滴过渡；熔滴过渡后，焊丝3与待焊工件8表面分离引燃电弧；随着焊丝送进速度降低，焊丝尖端与待焊工件8之间距离增大，电弧变长，电回路中电流迅速减小，恒压特性电源6监测到电回路中的电流减小到设定的最小电流值时，电弧控制中心通过控制送丝机构使焊丝送进速度恢复至设定的焊丝送进速度。
图4为实施例复合焊接系统熔滴过渡控制流程示意图，从图4可以看出电弧控制中心的具体工作方式，对应的控制过程焊接输出电流信号如图5所示，下面结合焊接过程对电弧控制中心的工作方式进行具体描述：
S1、开始焊接，程序初始化，设置系统参数，恒压特性电源加载恒定电压，此时焊接输出电流I=0，焊接过程中同步实时采集回路电流值，送丝机构以设定的焊丝送进速度送进焊丝，焊丝接触待焊工件表面时，电流回路中形成短路电流，即监测到电流I>0，焊丝尖端在电阻热和激光束热作用形成液态熔滴；恒压特性电源监测到电回路中的短路电流，电流信号特征为图5中t1-t2段，电弧控制中心通过调节恒压特性电源的输出电流，控制电流增长速度，防止熔滴迅速爆断，同时通过减小送丝机构的焊丝送进速度，增加熔滴脱离的驱动力，使得焊丝尖端的液态熔滴与焊丝迅速脱离并过渡至待焊工件熔池中，完成第一次熔滴过渡；熔滴过渡后焊丝与待焊工件表面分离引燃电弧；
S2、焊丝尖端在电弧热和激光束热作用形成液态熔滴，随着焊丝送进速度降低，焊丝尖端与待焊工件之间距离增大，电弧变长，恒压特性电源监测到电回路中的电流迅速变小，电流信号特征为图5中t2-t3段；
S3、当电回路中电流减小到设定的最小电流值，电流信号特征为图5中t3-t4段，恢复焊丝送进速度至设定的焊丝送进速度，此时为焊接过程中较稳定阶段，电弧大小与焊接电流值都比较稳定，电流控制为设定焊接输出电流值（设定的焊接稳定阶段的恒压特性电源输出电流），电流信号特征为图5中t5-t6段；
S4、焊丝尖端液态熔滴接触待焊工件表面，在电流回路中形成短路电流，电弧熄灭，恒压特性电源监测到电回路中的短路电流，电流信号特征为图5中t6-t7段，电弧控制中心通过调节恒压特性电源的输出电流，控制电流增长速度，防止熔滴迅速爆断，同时通过减小送丝机构的焊丝送进速度，增加熔滴脱离的驱动力，使得焊丝尖端的液态熔滴与焊丝迅速脱离并过渡至待焊工件熔池中，完成一次熔滴过渡，电流信号特征为图5中t7-t8段；
S5、熔滴过渡后焊丝与待焊工件表面分离引燃电弧，循环步骤S2-S4。
其中设定的焊丝送丝速度和设定的最小电流值均是通过预实验得到的，焊接材料、尺寸、焊接要求等不同，设定的焊丝送丝速度和最小电流值也不同。
本例中所述环形电极1外壳为绝缘的圆筒形外壳，圆筒形外壳外径为10~20mm，圆筒形外壳壁厚为1.2~2.5mm，导电送丝轮2直径4.5~9.5mm。
本例中所述当恒压特性电源6监测到电回路中电流减小到设定的最小电流值时，焊丝尖端与待焊工件8表面之间的距离是0.5-2mm。
本例中所述恒压特性电源6输出电流的范围是0-100A。
本例焊接过程中，激光束作用点与焊丝尖端之间的距离为-3mm-+3mm。
Claims (5)
1.一种激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，复合焊接系统包括用于产生激光束的激光头、可实时调节焊丝送进速度的送丝机构、焊丝和保护气装置，其特征在于：所述送丝机构包括适用于窄间隙的环形电极、用于约束焊丝位置、辅助送丝并实现环形电极与焊丝电连接的导电送丝轮、约束焊丝送进位置的送丝嘴和与环形电极连接的送丝机；所述复合焊接系统还包括恒压特性电源和电弧控制中心，恒压特性电源的正极与送丝机构的环形电极电连接，恒压特性电源的负极与待焊工件电连接；
焊接过程中，恒压特性电源输出小电流，送丝机构送进焊丝，焊丝在待焊工件表面自发诱导电弧，与激光头产生的激光束复合进行焊接；恒压特性电源、环形电极、导电送丝轮、焊丝与待焊工件之间形成电回路，电弧控制中心通过恒压特性电源实时监测焊接过程中电回路的电流大小，并根据电流大小调节送丝机构的焊丝送进行为和恒压特性电源的输出电流以维持电弧稳定，具体步骤包括：
S1、开始焊接，恒压特性电源加载恒定电压，送丝机构以设定的焊丝送进速度送进焊丝，焊丝接触待焊工件表面时，电流回路中形成短路电流，焊丝尖端在电阻热和激光束热作用形成液态熔滴；恒压特性电源监测到电回路中的短路电流，电弧控制中心通过调节恒压特性电源的输出电流，控制电流增长速度，防止熔滴迅速爆断，同时通过减小送丝机构的焊丝送进速度，增加熔滴脱离的驱动力，使得焊丝尖端的液态熔滴与焊丝迅速脱离并过渡至待焊工件熔池中，完成第一次熔滴过渡；熔滴过渡后焊丝与待焊工件表面分离引燃电弧；
S2、焊丝尖端在电弧热和激光束热作用形成液态熔滴，随着焊丝送进速度降低，焊丝尖端与待焊工件之间距离增大，电弧变长，恒压特性电源监测到电回路中的电流迅速变小；
S3、当电回路中电流减小到设定的最小电流值，恢复焊丝送进速度至设定的焊丝送进速度；
S4、焊丝尖端液态熔滴接触待焊工件表面，在电流回路中形成短路电流，电弧熄灭，恒压特性电源监测到电回路中的短路电流，电弧控制中心通过调节恒压特性电源的输出电流，控制电流增长速度，防止熔滴迅速爆断，同时通过减小送丝机构的焊丝送进速度，增加熔滴脱离的驱动力，使得焊丝尖端的液态熔滴与焊丝迅速脱离并过渡至待焊工件熔池中，完成一次熔滴过渡；
S5、熔滴过渡后焊丝与待焊工件表面分离引燃电弧，循环步骤S2-S4。
2.根据权利要求1所述的一种激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，其特征在于：环形电极外壳为绝缘的圆筒形外壳，圆筒形外壳外径为10~20mm，圆筒形外壳壁厚为1.2~2.5mm，导电送丝轮直径4.5~9.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，其特征在于：当恒压特性电源监测到电回路中电流减小到设定的最小电流值时，焊丝尖端与待焊工件表面之间的距离是0.5-2mm。
4.根据权利要求1所述的一种激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，其特征在于：所述恒压特性电源输出电流的范围是0-100A。
5.根据权利要求1所述的一种激光-低电流焊丝自发诱导电弧复合焊接系统的焊接方法，其特征在于：焊接过程中，激光束作用点与焊丝尖端之间的距离为-3mm-+3mm。
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