专利名称：激光—单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接系统，更具体地说，涉及一种激光-单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统及其使用方法。
背景技术：
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊缝。激光焊接以其能量密度高、焊速快、变形小、熔深大和易实现自动化等优点而被广泛应用于各种结构件的焊接。20世纪70年代英国帝国大学的w. M. steen首次采用电弧焊辅助激光进行焊接，提出了激光-电弧复合焊接技术的概念。由于激光电弧复合焊接技术避免了单独激光焊和单独电弧焊的缺点，具有提高焊接速度，增强焊接接头的桥接性，降低焊接成本等优点，因此在随后的几十年中，这一技术成为国际焊接界的研究热点之一。目前，激光复合焊接工艺的大多是关于激光与单电源复合，研究基本集中在激光与不同性质热源的配合研究，如激光-TIG、激光-等离子热源、激光-MIG等。双丝焊作为一种高效率的焊接方法越来越被人们关注，熔化极气体保护双弧焊最早应用是在1955年。双丝MIG焊有焊接速度高、熔敷效率高、热输入线能量小、焊接气孔少等优点，目前已成为国际焊接领域研究的热点，国外大的焊接设备厂商已纷纷推出自己的双丝高速焊电源产品，国内也开始着手这方面的研究，并取得了初步成效。激光-电弧复合焊和双丝焊虽然具有诸多优点，但是，它们也都具有自身的局限性双丝焊最常用的是串列双丝焊的形式，但是这种方法虽然提高了焊接的熔敷率和焊接速度，但是并没能起到加大熔深的作用，同时双丝焊两个电弧之间的强烈干扰问题，即电弧本身的电磁力和等离子流力使熔滴过渡不稳定，两个电弧之间的电磁力将影响两个电弧的形态和熔滴过渡的过程；激光电弧复合焊接时，两者的焊接速度存在不匹配的情况，同时如何控制两电弧之间作用力的大小，这都将严重影响激光电弧复合热源焊接的质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述的现有技术中的不足，提供一种激光-单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统，通过激光与双丝MIG焊相结合，集合其优点克服其缺点，既能提高焊接熔敷效率、加大熔深、加快焊接速度，又能够实现稳定焊接，获得良好的焊接质量。本发明的目的通过下述技术方案予以实现激光一单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统，包括第一焊枪，第二焊枪，电焊机，激光器，其中所述激光器用于产生激光束，所述电焊机用于向第一焊枪和第二焊枪输出信号，所述第一焊枪和第二焊枪与电焊机的正极相连，所述电焊机的负极与工件相连；所述第一焊枪、第二焊枪和由激光器产生的激光束在XOZ平面、YOZ平面和YOX平面的投影位置关系如下在YOX平面内，垂直于焊接方向，第一焊枪、第二焊枪和激光束在被焊工件上的作用点成一条直线分布。在ZOY平面内，第一焊枪与Z方向的夹角a范围为15° 45°，第二焊枪与Z方向的夹角P范围为15° 45° ;第一焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离Rl为0 5mm，第二焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离R2为0 5mm。在ZOX平面内，第一焊枪的投影与X方向的夹角O和第二焊枪的投影与X方向的夹角9均为90°。上述位置参数优选如下在ZOY平面内，第一焊枪与Z方向的夹角a范围为15° 30°，第二焊枪与Z方向的夹角P范围为15° 30° ;第一焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离Rl为2 4mm，第二焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离R2为2 4mm。在使用本发明的焊接系统进行焊接时，首先按照上述结构关系连接并配置第一焊枪、第二焊枪和激光器，然后调整焊接参数，最后施焊，所述焊接参数如下送丝速度1.5 5m/min，激光功率750 1500W，干伸长15—25_，焊接速度3-5mm/s,焊丝间距0 9mm,焊枪倾角30° ,保护气流量15_25L/min,焊机预设值150Amps-350Amps，焊接电压25V_40V，焊接电流 50A-130A。优选如下送丝速度I. 5 5m/min，激光功率750 1500W，干伸长1525_，焊接速度3-5mm/s,焊丝间距0 9mm,焊枪倾角30° ,保护气流量20L/min-25L/min,焊机预设值120Amps-240Amps 焊接电压25V_30V 焊接电流 70A-100A。本发明的复合焊接系统的一个技术核心在于两个电弧进行复合，一台林肯NVERTEC V350-PR0焊机供电，两焊枪并联接焊机正极，焊件接负极。双丝焊的两个电弧同时对工件进行加热，相互的热效应有利于提高焊接速度、节约电能。双丝MAG焊有焊接速度高、熔敷效率高、热输入线能量小、焊接气孔少等优点。双丝焊在单位时间内焊缝成形的热输入量减少，因而热影响区减小，接头力学性能提高。另外，两焊丝通过的电流通向，在吸引力的作用下可以将熔滴向焊缝中部吸引，因此可以在较低的参数下增加两焊丝间距而不必担心出现双焊道，焊丝间距的增加减小了单位面积的热输入，有利于接头性能的提高。本发明的复合焊接系统的另一个技术核心在于激光与两个电弧进行复合激光位于两电弧的中间，在激光的作用下，在电弧之间产生电离通道，在焊接过程中，电离通道有效的稳定了电弧，并加强电弧辐射的强度，激光一双电弧复合焊中电弧体积增大，电弧向激光复合区域偏移。复合热源电弧根部的收缩程度比单MIG电弧根部的收缩程度大，单MIG的电弧根部形态比较发散，电弧熔化焊丝的能力增强，熔滴的过渡形式出现的一脉多滴的情况。根据试验结果可知，本发明的焊接效率较激光单电弧复合焊接增加50%，对于平板堆焊可以使熔宽增加10% 15%，余高增加8% 15%。本发明的复合焊接系统的另一个技术核心在于两电弧和激光与焊道的位置关系，激光位于两电弧之间，通过控制三者之间的距离和角度，来调整焊接过程，通过最优的距离和角度控制，实现稳定的焊接过程。焊接方向垂直于两电弧与激光之间的连线，在焊接的过程当中，两焊丝位于焊道的两侧，熔滴由两侧在电弧力的作用下飞入熔池当中。本发明由于使用激光一电弧的复合大大提高了焊接效率，加大了焊接熔深和熔宽，改善焊缝成形，可实现交替燃弧，在热输入较小的前提下，实现高速焊接。
图I是本发明激光-单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统的立体示意图。图2是激光-单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统的三视图，即激光双电弧焊接系统沿图2中所示的Y轴方向在ZOX平面的投影视图、沿图2中所示的X轴方向在ZOY平面的投影视图、沿图2中所示Z轴方向在YOX平面的投影视图。图3展示的是分别用普通焊接方法和用所发明的焊接系统焊接后焊缝形貌，(a)为使用本发明焊接系统所焊的焊缝，(b)为使用普通双丝焊接方法获得的焊缝。图4是双MIG焊接和激光双丝复合焊接高速摄像图片对比，Ca)为双MIG焊，(b)为激光双丝复合焊接。图5本发明的交替燃弧电信号波形图及高速摄像图片，其中电压I (V)和电流I
(A)为第一焊枪的电信号，电压2 (V)和电流2 (A)是第二焊枪的电信号。
具体实施例方式下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。选择使用一台英国GS工公司生产的最大额定功率为2KW型号为JK2003SM的Nd YAG激光器提供激光光源、一台林肯工NVERTEC V350-PR0焊机、两台S-86A型半自动送丝机、加持和调整焊枪角度和位置的夹具、一个用于摆放工件的直线工作台，此外还包括气瓶、气阀、遥控盒等焊接辅助设备。林肯NVERTEC V350-PR0焊机提供恒压恒流直流等多种输出方式，其额定输出为电流350A，电压34V，60%的负载持续率，能进行手工焊接、直流TIG焊接、MIG焊接、脉冲MIG焊接、药芯焊丝焊接和碳弧气刨。输出电流范围为5A 425A之间，输入电压范围为20V-57V之间。V350电源本身可以输出基值、峰值、频率、脉宽比均可调的脉冲信号。在本焊接系统中，按照附图1-2所示的激光双电弧焊接系统进行组装并调整两个焊枪和激光束在XOZ平面、YOZ平面和YOX平面的投影位置关系、以使其满足如下的位置参数在YOX平面内，垂直于焊接方向，第一焊枪、第二焊枪和激光束在被焊工件上的作用点成一条直线分布。在ZOY平面内，第一焊枪与Z方向的夹角a范围为15° 45°，第二焊枪与Z方向的夹角P范围为15° 45° ;第一焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离Rl为0 4mm，第二焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离R2为0 4mm。第一焊枪的投影与X方向的夹角O和第二焊枪的投影与X方向的夹角0均为90。。在利用本发明的复合焊接系统进行焊接时，按照附图I和2所示位置连接设备，接入频率为工频50HZ的电源；调节V350电焊机参数，交流电压有效值取值范围35 90V ;调节两送丝机的送丝速度，范围I 15m/min ;调整激光的焦点，使离焦量达到_3mm 3mm ;然后调整激光光源与两把焊枪的位置，达到上述的各自预定位置。按照下表所示基本参数，施焊，此过程中电弧在两侧相互协调。表一试验基本参数
权利要求
1.激光一单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统，包括第一焊枪，第二焊枪，电焊机，激光器，其中所述激光器用于产生激光束，所述电焊机用于向第一焊枪和第二焊枪输出信号，其特征在于，所述第一焊枪和第二焊枪与电焊机的正极相连，所述电焊机的负极与工件相连；所述第一焊枪、第二焊枪和由激光器产生的激光束在XOZ平面、YOZ平面和YOX平面的投影位置关系如下 在YOX平面内，垂直于焊接方向，第一焊枪、第二焊枪和激光束在被焊工件上的作用点成一条直线分布； 在ZOY平面内，第一焊枪与Z方向的夹角α范围为15° 45°第二焊枪与Z方向的夹角β范围为15° 45° ;第一焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离Rl为O 5mm，第二焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离R2为O 5mm ; 在ZOX平面内，第一焊枪的投影与X方向的夹角Φ和第二焊枪的投影与X方向的夹角Θ均为90。。
2.根据权利要求I所述的激光一单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统，其特征在于，上述位置参数优选如下 在ZOY平面内，第一焊枪与Z方向的夹角α范围为15° 30°第二焊枪与Z方向的夹角β范围为15° 30° ;第一焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离Rl为2 4mm，第二焊枪在被焊工件上的作用点与激光束中心线的距离R2为2 4mm。
3.利用如权利要求I所述的激光一单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统进行焊接的方法，其特征在于，首先连接并配置第一焊枪、第二焊枪和激光器，然后调整焊接参数，最后施焊，所述焊接参数如下送丝速度I. 5 5m/min，激光功率750 1500W，干伸长15 — 25mm，焊接速度3-5mm/s,焊丝间距O 9mm,焊枪倾角30° ,保护气流量15—25L/min,焊机预设值150Amps-350Amps，焊接电压25V_40V，焊接电流 50A-130A。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，焊接参数优选如下送丝速度I.5 5m/min，激光功率750 1500W，干伸长15_25_，焊接速度3_5mm/s，焊丝间距O 9_，焊枪倾角30° ,保护气流量20L/min-25L/min,焊机预设值120Amps-240Amps焊接电压25V-30V 焊接电流 70A-100A。
全文摘要
本发明公开了激光—单电源双丝脉冲电弧复合焊接系统及其使用方法，包括第一焊枪，第二焊枪，电焊机，激光器，其中所述激光器用于产生激光束，所述电焊机用于向第一焊枪和第二焊枪输出信号，所述第一焊枪和第二焊枪与电焊机的正极相连，所述电焊机的负极与工件相连。本发明的复合焊接系统，通过激光与双丝MIG焊相结合，集合其优点克服其缺点，既能提高焊接熔敷效率、加大熔深、加快焊接速度，又能够实现稳定焊接，获得良好的焊接质量。
文档编号B23K28/02GK102848085SQ20121029025
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者李桓, 郑凯, 张晓枫, 于露, 狄勇 申请人:天津大学