[发明专利]微束等离子弧和激光复合焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金板材或型材对接焊接的方法，具体地说是一种通过同时使用微束等离子弧和激光两种热源对铝合金板材或型材进行对接焊接的方法，属于金属焊接技术领域。

背景技术

铝合金具有密度小、塑性好、易于加工成型、无低温脆性转变及耐大气腐蚀等许多优点，广泛应用于航空、航天、高速轨道列车或其它运载工具的结构材料，然而，由于铝合金材料特有的物理和化学特性，决定了其独特的焊接性。

目前，国内针对铝合金材料特别是厚板铝合金的焊接，普遍采用的是熔化及隋性气体保护焊(MIG焊)工艺，然而普通熔化焊的热输入比较大，接头软化、裂纹、气孔等问题都很难解决。

激光焊接技术已经被广泛应用多年，主要用于焊接各种金属材料，例如铝合金、不锈钢等等，一般的激光焊接设备，包括一个产生固有单色高能光束的固态或气体激光振荡器，一个带有偏向镜的光路或者允许将激光束传输到位于待焊接板材对面的焊头的光纤，焊头中包括一个透镜或一个或多个聚焦反射镜，以便将激光束聚焦在待焊接材料上，在待焊接材料的对接处形成一个或多个焦点，从而在局部集中足够的功率密度去熔化待焊接材料，通常，焊头还包括一个用来借助于与激光束同轴布置的排气喷嘴供给焊接气体，也称辅助气体的供气装置，该供气装置也可以设置在激光焊头的外部。

相对于激光焊接技术，目前也广泛使用电弧焊接技术，用于将两个金属工件对接焊接起来，该技术是借助于一个或多个电弧使得连接起来的工件边缘熔化。这其中，包括TIG(钨极惰性气体)，MIG(金属极惰性气体)、MAG(金属极活性气体)等三种工艺方法，另外还有采用等离子弧焊接工艺方法。

然而，对于焊接铝合金板材或型材，激光焊接工艺或电弧焊接工艺各有其特有的特点。

激光焊具有功率密度高、同等热输入量时熔深大、热影响区窄、焊接变形小、焊接速度快和易于实现自动化等优点，由于激光焊可以将热源集中在很小的尺寸内，所以激光焊可以精确焊接细微部分，从而可以进行深熔焊，在焊接生产中具有很大的应用潜力。但是利用激光束焊接铝合金时，由于铝对激光的反射率高、导热快等特性，常需要采用较大功率的激光器进行焊接，造成焊接成本过高，且在激光焊铝合金厚板时，也易出现稳定性差、气孔、裂纹、下塌等焊接缺陷。另外，由于激光焊接的激光束聚焦点尺寸很小，所以需要待焊接工件具有高定位精度，同时对焊接接头的加工精度和设备精度都有较高的要求。

电弧焊和等离子焊与激光焊相比，具有较低的焊接缺陷，并能够容易地跟踪焊接线，但其焊缝宽度和热影响区宽度大，焊接速度慢。

为了解决铝合金材料的焊接问题，近年来出现了很多复合焊接工艺，比如激光-TIG和激光-MIG、激光-等离子弧等，以提高焊接质量和焊接速度。

相比之下，激光与TIG复合的工艺相对简单，易于操作，但是由于反复采用高频引弧，起弧过程中电弧的稳定性相对较差，电弧的方向性和刚性也不理想，钨极端头处于高温金属蒸汽中，容易受到污染，从而影响电弧的稳定性。对于铝合金来说由于其本身对电弧的敏感性比较强，当电弧不稳定时，在焊接过程中就会造成焊缝最终的成形不好，影响焊接质量。

激光与MIG复合焊接时，对对焊间隙的要求更为宽松，但是由于存在熔滴过渡的问题，使得整个焊接过程的稳定性控制更为复杂，不利于工业生产，这样一来就不能对铝合金进行高速焊接，降低了焊接铝合金的效率。

激光与等离子弧复合焊接时，等离子弧的引燃和移动更稳定，可以显著提高焊接速度和熔深，特别适合铝合金板材和型材的高速对接焊接。

现有技术中已存在专利号为200480043356.8的中国专利“使用等离子体和激光进行连续对接焊的方法及使用该方法来制造金属管的方法”中所述的焊接方法，但是这种方法的等离子体实际上包含了各种火焰和电弧加热方法，火焰等离子加热时热量不集中、热影响区很宽，不能很好使用于铝、铜等导热性好的材料，更不能应用于热处理强化的铝合金和热处理强化的钢铁等材料。电弧等离子加热比火焰等离子加热的情况略有改善，但其热影响区仍然较宽。另外，200480043356.8的中国专利“使用等离子体和激光进行连续对接焊的方法及使用该方法来制造金属管的方法”中所述的焊接方法及工艺主要是用来焊接金属管以及一些薄板金属，并没有专门针对铝合金的特点来设计焊接方法及工艺，特别是对于铝合金的板材和型材的焊接，更需要专门的焊接工艺，该方法不能实现对热处理强化铝合金的有效焊接。

发明内容