[发明专利]一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法

说明书

一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，属于材料加工领域。该方法：复合焊中电弧电流恒定，激光输出恒定功率时间t₁内，电弧与激光产生协同效应并清除羽辉；激光输出调制功率时间t₂内电弧维持小孔存在，激光调制功率在零与P间(P为t₁内的恒定功率，大于3kW)。t₁和t₂的选取与小孔形成时间有关，其交替频率为10～500Hz；复合方式为：激光与电弧同轴或旁轴；电弧为非熔化极惰性气体保护电弧、熔化极气体保护电弧或等离子弧；激光束为Nd:YAG激光、光纤激光或碟片式激光。该方法可大幅度的减少能量输入，焊接过程更稳定，焊缝成形更好，且几乎不影响焊接熔深；由于大幅度的降低了制造能耗，使得焊接制造过程更绿色环保。

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，涉及一种材料加工方法，尤其涉及一种复合热源能量调制材料加工方法。

背景技术

近年来，得益于工业激光技术的突破，特别是光纤激光技术的突破，其最大稳定输出功率已可达100kW。将电弧与此类高功率激光复合焊接，一方面，通过激光与电弧的相互作用产生1+1>2的协同增强特性，可获得更大的焊接熔深或更高的焊接效率。另一方面，电弧的引入可克服焊接中光斑较小的缺点，从而提高桥联性和降低装配精度要求等。另外，这类高功率激光焊接中产生的羽辉对焊接过程存在严重的负面影响，电弧的引入可烧除激光光路通道中的羽辉，故而能够显著提高焊接熔深和过程稳定性，并改善焊缝成形。

尽管高功率激光电弧复合焊技术具有上述优点，然而此类高功率激光焊接中存在能量输入过大导致熔池过热的问题，从而诱发焊接过程剧烈蒸发和飞溅、焊件变形等缺陷。将电弧与此类高功率激光复合焊接，电弧能量的引入将使焊接能量输入过大的问题更突显。因此，在这类以激光为主型的高功率激光电弧复合焊接中，需要对输入的总能量实行调制，达到即不影响焊接深度，又抑制熔池因能量过高而引入的熔池过热的问题。

研究表明深熔小孔快速形成至缓慢形成的拐点时间T_g小于焊接特征时间T_c(光斑直径除以焊接速度)。复合焊中设定：电弧电流不变、前t₁(取值范围T_g～T_c)时间内激光功率恒定，激光与电弧相互作用产生协同增强效应并清除孔外羽辉，可基本不影响焊接熔深；t₂(取值范围为T_c-t₁～T_c)时间内降低激光功率(该时间内激光对熔深几乎没有贡献，反而导致熔池处于过热状态)，而电弧压力则可延迟小孔的闭合时间。通过降低激光的输入能量达到降低熔池中输入总能量的目的。如此周而复始的进行能量调制焊接，可明显降低激光输入能量，几乎不影响熔深，显著降低焊件变形。另外，由于高功率激光电弧复合焊接中，激光能量在总能量中占主要部分，故而该方法还可使生产过程更绿色环保。

相较于单高功率激光能量调制焊接方法，高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法除了具备激光-电弧协同增强效应、提高间隙容忍性、清除羽辉负面效应等激光电弧复合焊的固有优势外，电弧的引入还具备延长调制功率阶段小孔的闭合时间。此外，单高功率激光能量调制焊接中，功率的周期变化势必对熔池存在一定的力学冲击效应。复合焊中电弧压力的存在对稳定熔池具有明显的正面作用。

本方法在复合焊接过程中周期性地调制输入的激光能量(激光能量在高功率激光电弧复合焊中占主要部分)，在几乎不影响熔深的情况下，通过降低输入熔池中的能量，降低高功率激光电弧复合焊接中由于能量输入过大而引入的蒸发和飞溅剧烈、焊件变形严重等负面影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高功率激光电弧复合焊能量调制焊接方法，适用于金属材料和非金属材料的高功率激光电弧复合焊接。