[发明专利]一种基于微束等离子弧诱导的低功率激光高效焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光焊接方法，适用于常用金属薄板结构材料的高效焊接，尤其适用于对激光能量具有较高反射率的铝合金、镁合金等材料的焊接。

背景技术

由于环保和节能的需要，汽车等交通工具的轻量化已经成为发展潮流，使铝合金、镁合金等轻合金材料在交通工具制造中的推广应用成为必然趋势。铝合金等轻合金材料具有较高的导热、导电性，在生产制造环节，需要提供相对更高的焊接能量才能实现高效率、高质量焊接，这无疑增大了能源消耗，增加了生产中的能源成本。随着科技的高速发展，焊接制造对生产效率、制造精度和质量稳定性提出了越来越高的要求。同时，高效率、低能耗的现代制造技术已经成为制造领域一个重要的发展方向。

激光焊是一种高效率的焊接技术，由于激光焊接热源能量密度大，热输入低、使焊接热影响区窄、热变形小，容易实现深熔和高重复精度焊接。但是，较低的间隙搭桥能力却使激光焊接对装配精度提出了更高要求。激光+电弧复合焊接技术利用电弧热源作用面积大的特点弥补了单一激光焊接热源间隙搭桥能力不足的缺点，同时也能实现高效率的深熔焊接。经过三十余年的研究与推广，激光+电弧复合焊接已经为国内外学者所广泛认同，使不同形式的电弧热源，如TIG、MIG、MAG电弧等，通过旁轴或同轴方式与激光热源实现了复合，并不断开发出焊接新工艺应用于不同材料与结构。

为了获得较大的焊接熔深，实现较高的焊接效率，激光+电弧复合焊接技术基本选用激光功率在2kW以上甚至更大功率的激光器，并大多匹配具有相对较大焊接电流的自由电弧。这使激光+电弧复合焊接技术在获得高效率制造的同时，生产设备成本投入较高，能量消耗较大。即使选用激光功率在1kW以下的小功率激光器，也一般匹配能量作用较为发散的TIG电弧(自由电弧)用于复合焊接，其电弧电流数值常常在80～100A以上，使低功率激光+电弧复合焊接获得的焊接效率提升较为有限，否则就要提高电弧电流，造成能量消耗的进一步增加。并且，在激光+电弧复合焊接过程中，由于自由电弧能量作用相对发散，使电弧热源的能量并没有获得高效利用，也直接影响了激光能量的高效利用，这为低功率激光+电弧复合焊接熔透效果和焊接效率的提升留下了进一步改进的空间。

相对于常用于激光+电弧复合焊接的TIG、MIG、MAG等自由电弧，微束等离子弧具有能量作用集中、电弧稳定、能量消耗小、焊接质量重复精度高等优点。但由于微束等离子弧往往基于极小的焊接电流产生，使其在用于焊接时熔深较小，生产效率低，一般仅用于小而薄的金属器件焊接，限制了其应用范围。而脉冲激光焊接热源具有单脉冲功率高、平均热输入低、能量密度大等特点，可以实现深熔和高重复精度焊接。但对于铝合金等轻合金材料，由于材料热导率和电导率大，对激光的反射率较高，使材料对激光能量的吸收率较低，影响焊接效率和熔深质量，这在低功率激光焊接中表现得尤为突出。因此，对于铝合金等轻合金材料，无论选用微束等离子弧焊接或者低功率脉冲激光焊接，虽然能耗低，但是均难以实现高效率深熔焊接。基于上述情况，焊接效率、焊接能耗和制造成本仿佛难以实现三者兼顾。

发明内容

本发明针对常用金属板结构材料，尤其是对激光能量具有较高反射率的铝合金、镁合金等材料，提供一种基于微束等离子弧诱导的低功率激光高效焊接方法。该方法能够实现常用金属材料的高效深熔焊接，尤其适用于铝合金、镁合金等轻合金材料的高效率、低能耗焊接。

本发明采取以下技术方案：

一种基于微束等离子弧诱导的低功率激光高效焊接方法，该方法借助微束等离子弧对激光等离子体的诱导作用及其辅热作用，实现对匙孔效应不稳定性的抑制，提高材料对激光热源能量的热吸收率，所述焊接方法的步骤如下：

(1)调整激光束出射方向，使其与铅垂面成0°～15°夹角；

(2)调整微束等离子焊枪，使微束等离子弧出射方向与激光束成15°～30°夹角；

(3)校准激光焊枪与微束等离子弧焊枪相对位置，使出射激光束与出射微束等离子弧位于同一平面，且以焊接前进方向为参照，微束等离子焊枪在前，激光焊枪在后；

(4)使微束等离子弧的引燃弧工作，校准激光焊枪与微束等离子焊枪相对位置，使激光束在工件平面的束斑与微束等离子弧束斑重合，重合度判断原则为：激光束斑位于微束等离子弧束斑范围内前进方向的后侧。