專利名稱：：一種激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明提出的一種激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊接方法屬于復(fù)合熱源焊接
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及到該復(fù)合熱源焊接方法可改善單獨冷金屬過渡電弧焊縫的鋪展性，并可取代非熔化極惰性氣體保護焊(TIG焊)焊接不銹鋼、高強鋼、鎳基合金。
背景技術(shù)：
：冷金屬過渡技術(shù)簡稱CMT(ColdMetalTransfer)是Fornis公司在研究薄板焊接、無飛濺過渡技術(shù)及鋁與鋼異種金屬連接技術(shù)基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展和成熟起來的一門新的焊接技術(shù)。冷金屬過渡技術(shù)(以下簡稱CMT)將送絲與熔滴過渡過程進行數(shù)字化協(xié)調(diào)，該過程的完成主要通過焊槍上的拉絲機構(gòu)和送絲系統(tǒng)中的送絲機構(gòu)一起實現(xiàn)，焊槍上的拉絲機構(gòu)實現(xiàn)對焊絲的送進和快速回抽動作，送絲系統(tǒng)中的送絲機構(gòu)實現(xiàn)對焊絲的推進。焊接過程中，焊絲往工件方向送進，當(dāng)焊絲端部的熔滴接觸到熔池的瞬間，處理器檢測到一個短路信號，并將信號反饋給焊槍拉絲機構(gòu)，此時，拉絲機構(gòu)快速回抽焊絲，熔滴小橋被拉斷，焊絲與熔滴分離實現(xiàn)短路過渡過程，短路過渡結(jié)束，電弧重新引燃，焊絲繼續(xù)向前送進，重復(fù)前面的短路過渡過程。短路過渡發(fā)生時，電弧熄滅，且流經(jīng)焊絲的電流非常小，大約20安培，確保起到無飛濺過渡的作用。由于上述CMT電弧焊接電流小、熱輸入小、飛濺小和焊后變形小，焊縫金屬的冶金質(zhì)量高，這種CMT電弧特別適合于薄板焊接。但是由于CMT電弧焊的熔池溫度相對較低，特別在焊接中厚板金屬時，液態(tài)焊縫金屬在母材表面潤濕性差、鋪展性差、焊縫余高大，在采用多層多道焊時，易出現(xiàn)未熔合或夾渣等缺陷。此外，采用純Ar保護的CMT電弧焊接不銹鋼、鎳基合金或高強鋼時，由于保護氣體中沒有氧化性氣體，因此可以減少焊縫金屬中的C、0等有害雜質(zhì)元素的含量，從而能夠改善焊縫的冶金性能，但是由于熔池中缺少氧化物，CMT電弧的陰極斑點難于穩(wěn)定，焊接過程中陰極斑點不停地漂移，表現(xiàn)為電弧飄動，挺度不足，焊接過程不穩(wěn)定，對焊接質(zhì)量有不利的影響。
發(fā)明內(nèi)容針對
背景技術(shù)：
中CMT弧焊焊縫鋪展性不佳以及純Ar保護的CMT電弧焊接存在的上述不足，本發(fā)明提出一種激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源的焊接方法，該方法可以很好地解決上述問題，實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。本發(fā)明的技術(shù)方案如下1、一種激光_冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊接方法，其中冷金屬過渡電弧5位于純Ar保護氣體中，并且冷金屬過渡電弧5的焊絲4在小電流下借助焊絲4快速回抽完成金屬熔滴短路過渡焊接，該焊接熱輸入小、飛濺小、熔池溫度低，其特征在于，1)上述冷金屬過渡電弧5與功率彡800W的激光束2形成新的復(fù)合熱源；2)激光束2采用散焦，激光束2照射在被焊工件1表面上的激光斑直徑為l_4mm；3)冷金屬過渡電弧5的斑點既可位于激光束2的光斑之前，也可位于激光束2的光斑之后，兩斑點中心間距L為O-Smm；4)冷金屬過渡電弧5的焊槍3與水平面夾角θ為45°-75°。2、根據(jù)上述復(fù)合熱源焊接方法，所述的激光器可為CO2激光器、Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纖激光器或半導(dǎo)體激光器。3、根據(jù)上述的復(fù)合熱源焊接方法，純Ar保護的復(fù)合熱源焊接方法，能取代非熔化極惰性氣體保護焊(TIG)焊接不銹鋼、高強鋼、鎳基合金。4、根據(jù)上述復(fù)合熱源焊接方法，該復(fù)合熱源主要用于上述各類金屬板材或管材焊接。本發(fā)明提出的一種激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊接方法解決了液態(tài)熔池鋪展性不佳的問題，改善了焊縫成形，同時明顯改善了純Ar保護CMT電弧的穩(wěn)定性，提高了焊接質(zhì)量和焊接效率。圖1本發(fā)明的一種激光_冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源的焊接方法的示意中1為被焊工件，2為激光束，3為CMT電弧5的焊槍，4為焊絲，箭頭表示復(fù)合熱源焊接方向，6為復(fù)合熱源焊接形成的焊縫，L表示CMT電弧5的斑點與激光束2的斑點之間的中心距離，θ為焊槍3與水平面間的夾角。如圖1所示，本發(fā)明提出的復(fù)合熱源由CMT電弧5與激光束2組成，激光束2采用散焦的形式，即激光束2照射在被焊工件1表面上的激光束2的光斑直徑為l_4mm，CMT電弧5的斑點與激光束2的光斑之間的中心距離L為0-8mm，焊槍3與工件表面夾角θ為45-75度。利用本發(fā)明提出的激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊接方法，在充分利用CMT電弧熱輸入低、飛濺小、焊縫變形小，焊接冶金質(zhì)量高的優(yōu)點的基礎(chǔ)上，利用復(fù)合熱源中激光的作用，克服了CMT電弧焊方法的不足，得到高質(zhì)量的焊接。激光束對CMT電弧具有引導(dǎo)、壓縮和穩(wěn)定的作用，激光束對CMT電弧作用的機理大致如下在采用Ar保護的CMT弧焊過程中，正如
背景技術(shù)：
中說明的，由于陰極斑點難于穩(wěn)定，電弧飄動、電弧挺度不夠，焊接過程不穩(wěn)定，當(dāng)采用本發(fā)明的復(fù)合熱源焊接方法時，能量密度很高的激光束照射到工件熔池表面，被照射的區(qū)域溫度迅速升高，達到金屬汽化溫度后，熔池表面金屬產(chǎn)生強烈汽化，結(jié)果使得電弧等離子體中的金屬原子密度提高，金屬原子與來自保護氣體的原子相比，具有更低的電離能，這樣，電弧就被強烈地吸引在金屬蒸汽密度比較高的區(qū)域燃燒，這時電弧的根部被牢固地吸引在工件表面激光照射區(qū)域，產(chǎn)生激光弓丨導(dǎo)電弧的現(xiàn)象，起到了穩(wěn)定CMT電弧陰極斑點的作用，從而增加了電弧的挺度，抑制了電弧漂移，因此，在無氧化氣體的純Ar保護條件下，可以穩(wěn)定地實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效的焊接。在復(fù)合熱源中，由于激光束2功率較大(》800W)，激光束2能充分地對工件加熱，從而改善熔池金屬的鋪展性和焊縫成形。具體實施方案利用本發(fā)明提出的一種激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源進行焊接試驗，試驗采用德國TRUMPF公司生產(chǎn)的HL2006D型Nd:YAG固體激光器，最大輸出功率2.6KW，輸出波長為1.06μm的連續(xù)光波，采用焦距為200mm的聚焦透鏡，CMT電弧電源為奧地利FRONIUS公司生產(chǎn)的TPS4000型數(shù)字化CMT焊接電源及送絲系統(tǒng)。1、試驗?zāi)覆臑?04不銹鋼，試板規(guī)格為200mmX40mmX7mm，采用Φ1.2mm的308L不銹鋼焊絲，保護氣體為純Ar，氣體流量為25L/min，試驗為平板堆焊，焊后考察焊縫成形。焊接規(guī)范參數(shù)如下焊接速度0.8m/min，送絲速度6.6m/min，焊接電流169A，電弧電壓19V，激光功率1000W，工件表面的光斑直徑為1.8mm，光絲間距3mm，干伸長度16mm。焊后對平板堆焊焊縫的熔深、熔寬及余高進行測量，結(jié)果如下熔深(mm)熔寬(mm)余高(mm)CMT弧輝L28472L68激光_冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源1.607Γ68Τ36可見，與單獨的CMT弧焊焊縫相比，激光_冷金屬過渡復(fù)合熱源焊縫的熔深和熔寬增加，余高減小，其中熔深增加大約25%，熔寬增加大約63%，而余高減小大約19%，在其它CMT弧焊參數(shù)相同的條件下，熔寬越大，余高越小，表明焊縫的鋪展性越好。余高熔寬比是一個更直觀反映焊縫鋪展性好壞的指標(biāo)，該指標(biāo)越小，焊縫鋪展性越好。計算表明，單獨CMT弧焊焊縫余高-熔寬比為0.36，而激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊縫余高-熔寬比為0.18，這表明對不銹鋼而言，激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊縫鋪展性明顯好于單獨CMT弧焊焊縫的鋪展性。2、試驗選材為Q235普通低碳鋼板，試板規(guī)格為200mmX40mmX8mm，采用直徑Φ1.2mm的ER50-6C02氣體保護焊絲，保護氣體為90%Ar+10%CO2，氣體流量20L/min。試驗為平板堆焊，分別進行單獨的CMT弧焊試驗和激光-CMT復(fù)合熱源試驗，焊后測量焊縫的熔深、熔寬及余高，比較焊縫成形情況。焊接規(guī)范參數(shù)如下焊接速度0.8m/min，送絲速度6.6m/min，焊接電流168A，電弧電壓19V，激光功率1200W，工件表面的光斑直徑為1.8mm，光絲間距3mm，干伸長度16mm。焊后對平板堆焊焊縫的熔深、熔寬及余高進行測量，結(jié)果如下熔深(讓)熔寬(讓)余高(讓)CMT弧輝L20486L62激光-CMT復(fù)合熱源1.71TTlΤ33可見，與單獨的CMT弧焊焊縫相比，激光-CMT復(fù)合焊縫的熔深和熔寬增加，余高減小，其中熔深增加大約43%，熔寬增加大約59%，而余高減小大約18%，單獨的CMT弧焊的余高-熔寬比為0.33，而激光-CMT復(fù)合熱源余高-熔寬比為0.17。這表明，對普通碳鋼而言，激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊縫的鋪展性也明顯好于單獨的CMT弧焊焊縫的鋪展性。3、選用哈爾濱焊接研究所自行開發(fā)研制的直徑Φ1.2mm的HS13/5L不銹鋼焊絲(Crl1.0-13.0%,Ν4.5-5%),依據(jù)GB/T17493-1998分別進行常規(guī)MAG焊、CMT弧焊和激光_冷金屬過渡電弧電弧復(fù)合熱源焊熔敷金屬性能試驗，焊后檢測熔敷金屬的沖擊韌性。(1)常規(guī)MAG焊焊接速度0.5m/min，焊接電流178A，電弧電壓22V，激光功率1000W，干伸長度16mm,保護氣體Ar+3%CO2,氣體流量20L/min。(2)CMT弧焊焊接速度0.5m/min，送絲速度6.6m/min，焊接電流168A，電弧電壓19V，干伸長度16mm,保護氣體Ar+3%CO2,氣體流量20L/min。(3)激光_冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊焊接速度0.6m/min，送絲速度6.6m/min，焊接電流168A，電弧電壓19V，激光功率1000W，干伸長度16mm，工件表面的光斑直徑為1.8mm，光絲間距3mm，保護氣體純Ar，氣體流量20L/min。熔敷金屬的沖擊韌性試驗結(jié)果如下表1常溫下試驗結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2熱處理狀態(tài)下試驗結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>熱處理規(guī)范590°CX12h熱處理，爐冷到100°C以下出爐空冷。從上述表1和表2可以看出，無論是焊態(tài)，還是熱處理狀態(tài)，激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊的熔敷金屬常溫沖擊韌性均高于常規(guī)MAG焊和CMT弧焊熔敷金屬的沖擊韌性。權(quán)利要求一種激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊接方法，其中冷金屬過渡電弧(5)采用純Ar保護氣體，并且冷金屬過渡電弧(5)的焊絲(4)在小電流下借助焊絲(4)快速回抽完成金屬熔滴過渡焊接，該焊接熱輸入小、飛濺小、熔池溫度低，其特征在于，1)上述冷金屬過渡電弧(5)與功率800W的激光束(2)形成新的復(fù)合熱源；2)激光束(2)采用散焦，激光束(2)照射在被焊工件(1)表面上的激光光斑直徑為1-4mm；3)冷金屬過渡電弧(5)的斑點既可位于激光束(2)的光斑之前也可位于激光束(2)的光斑以后，兩斑點中心間距L為0-8mm；4)冷金屬過渡電弧(5)的焊槍(3)與水平面夾角θ為45-75度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合熱源焊接方法，其特征在于，所述的激光器可為CO2激光器、Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纖激光器或半導(dǎo)體激光器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合熱源焊接方法，其特征在于，純Ar保護的復(fù)合熱源焊接方法，能取代非熔化極惰性氣體保護焊(TIG)焊接不銹鋼、高強鋼、鎳基合金。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合熱源的焊接方法，其特征在于，該復(fù)合熱源主要用于上述各類金屬的板材及管材焊接。全文摘要本發(fā)明提出的一種激光-冷金屬過渡電弧復(fù)合熱源焊接方法，屬于復(fù)合熱源
技術(shù)領(lǐng)域：
，該焊接方法解決純Ar保護的冷金屬過渡電弧焊接焊縫成型不佳，電弧穩(wěn)定性差的技術(shù)問題，本發(fā)明提出的復(fù)合熱源焊接方法包括焊接采用純Ar氣體保護；冷金屬過渡電弧(5)與功率≥800的激光束(2)形成新的復(fù)合熱源；激光束(2)為散焦，它在被焊工件(1)表面上的激光光斑直徑為1-4mm；冷金屬過渡電弧(5)的斑點可位于激光束(2)的光斑前或后，兩斑點中心間距L為0-8mm；冷金屬過渡電弧(5)的焊槍(3)與水平面夾角為45-75度。該復(fù)合熱源主要用于不銹鋼、高強鋼、鎳基合金的板材及管材焊接。文檔編號B23K28/02GK101811231SQ20091007840公開日2010年8月25日申請日期2009年2月20日優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日發(fā)明者于洪軍,卜大川,徐孝福,杜兵,林尚揚,滕彬,王威,王旭友,穆瑞驥,雷振申請人:機械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所