一种超声辅助空心钨极GTA-激光同轴复合焊接系统的制作方法

一种超声辅助空心钨极gta-激光同轴复合焊接系统
技术领域
1.本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种超声辅助空心钨极gta-激光同轴复合焊接系统。


背景技术：

2.目前，在电弧焊设备和激光器的迭代更新和性能提高的基础上，激光-电弧复合焊接技术的发展越来越迅速，已经成为高效化焊接技术的典型代表之一。激光与钨极惰性气体保护焊电弧(gas tungsten arc，gta)复合的热源可充分发挥激光与电弧的各自优势，相互弥补对方的不足，复合能量显著大于两种热源的简单叠加，可实现1 1﹥2的协同效应。在工艺角度，激光与gta(激光-gta)组成的复合热源可显示出很好的焊接性和焊接适应性；在能量角度，穿透能力和焊接效率的提升是其显著特点。然而在激光-gta复合焊接过程，还存在焊接电流临界值较小的问题，超过临界值，激光诱导电弧压缩作用消失，电弧膨胀，深熔焊接实现困难，并且焊接接头因元素偏析、晶粒粗大、气孔等引发的一系列焊接质量问题。


技术实现要素：

3.基于以上不足之处，本发明的目的是为解决激光与电弧组成的复合热源焊接临界值较小的问题，将超声、电弧、激光三能场复合，提供一种超声辅助空心钨极gta-激光同轴复合焊接系统，抑制焊接接头因元素偏析、晶粒粗大、气孔等引发的一系列焊接质量问题。同时本发明可更有效解决连续激光与大电流连续电弧热源复合时电弧对激光的屏蔽作用。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现：一种超声辅助空心钨极gta-激光同轴复合焊接系统，包多组超声发生装置、gta焊接装置和激光焊接装置，所述的gta焊接装置的焊枪及其夹持的钨极开有轴向同心的通孔，所述的激光焊接装置发出的激光经聚焦后穿过所述的通孔，在待焊工件上方形成gta电弧与激光的同轴复合，多组超声发生装置的超声发射端以gta焊接装置的焊枪枪头为圆心环绕其周围，同时在所述的超声发射端与工件之间形成可聚焦的超声场，且利用超声压缩电弧，使得电弧弧柱横截面的直径收缩至空心钨极内孔直径。
5.进一步的，每组所述的超声发生装置的超生发射端可拆卸连接有聚能罩，多组所述的聚能罩间隙配合形成底部敞口的凹球面形聚能罩组，在所述的凹球面形聚能罩组的顶部中心位置开有中心孔，钨极穿过所述的中心孔位于所述的凹球面形聚能罩组内。
6.进一步的，每组所述的超声发生装置的超生发射端可拆卸连接有聚能罩，多组所述的聚能罩间隙配合形底部敞口的凹球面形聚能罩组，在所述的凹球面形聚能罩组的顶部中心位置开有中心孔，钨极穿过所述的中心孔位于所述的凹球面形聚能罩组内。
7.进一步的，所述的gta焊接装置产生的脉冲电弧峰值电流对应超声发生装置产生的超声脉冲激励段，进而获得一种超声波叠加的焊接脉冲电弧，并且所述的超声波叠加的焊接脉冲电弧的无脉冲段对应激光焊接装置产生的激光脉冲段，从而实现超声能量与焊接脉冲电弧同相波形加载，与脉冲激光异相波形加载。
8.进一步的，激光脉冲占空比10-90％对应超声波叠加焊接脉冲电弧的占空比90-10％。
9.进一步的，所述的激光焊接装置产生的激光波长10.6μm，最大输出功率2000w，脉冲频率0-1000hz，脉冲占空比0-100％。
10.进一步的，所述的gta焊接装置产生脉冲电流的脉冲频率0.5-450hz，脉冲占空比10-90％。
11.进一步的，所述的超声发生装置最大输入功率5000w，超声的激励频率10-40khz，脉冲频率1hz-10 mhz，振幅20-250μm。
12.本发明的有益效果及优点：对比常规gta电弧，由空心钨极引燃的gta电弧中轴线上电流密度、温度、等离子体流速更小，更有利于实现外加超声场的调控，且利用超声压缩电弧，使得电弧弧柱收缩至空心钨极内，在该束状核心电弧条件下，电弧整体能量密度更为均匀，有助于获得更大的焊缝熔深。另外，激光与gta同轴的结构设计，使复合热源能量呈轴对称分布，焊接质量不受焊接方向影响，更适合于二维和三维结构件焊接。本发明能够更有效解决连续激光与大电流连续电弧热源复合时电弧对激光的屏蔽作用，电弧电流峰值时电弧单独作用，而当电流基值时，激光可收缩电弧，提高能量利用率，可获得高效、稳定的大熔深焊接过程，对中厚板材料的深熔焊具有显著优势。本发明可开展中厚板材焊接、可细化焊缝组织、能够抑制元素偏析等缺陷，进而实现一种高质量、高稳定性、高效率的焊接方法。
附图说明
13.图1为本发明实施例1的复合焊接系统结构示意图；
14.图2为本发明实施例1超声发生装置水冷及电路布置示意图；
15.图3为焊枪体头部内部结构示意图；
16.图4为聚能罩组俯视图；
17.图5为脉冲超声 空心钨极gta脉冲电弧 脉冲激光复合焊接方法示意图；
18.图6为超声辅助gta-激光同轴复合热源堆焊焊缝横截面形貌对比图，其中，(a)超声辅助gta-激光同轴复合焊接，(b)gta-co2激光焊接，(c)co2激光焊接。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步的说明：
20.实施例1
21.如图1-4所示，一种超声辅助空心钨极gta-激光同轴复合焊接系统，包三组超声发生装置3、gta焊接装置2和激光焊接装置1，所述的gta焊接装置2的焊枪及其夹持的钨极5开有轴向同心的通孔，所述的激光焊接装置1发出的激光经聚焦后穿过所述的通孔，在待焊工件上方形成gta电弧与激光的同轴复合，三组所述的超声发生装置3的超声发射端以gta焊接装置的焊枪枪头为圆心环绕其周围，同时在所述的超声发射端与工件之间形成可聚焦的超声场，且利用超声压缩电弧，使得电弧弧柱横截面的直径收缩至钨极5内孔直径。
22.所述的超声发生装置为三组，每组所述的超声发生装置包括超声换能器8和变幅杆9，超声换能器8与变幅杆9连接，变幅杆9的超生发射端10螺纹连接有聚能罩7，三组所述的聚能罩7间隙配合形底部敞口的凹球面形聚能罩组4，在所述的凹球面形聚能罩组4的顶
部中心位置开有中心孔6，钨极5穿过所述的中心孔6位于所述的凹球面形聚能罩组4内，并且三组变幅杆9的超声发射端10以球形聚能罩组4的中心孔6为圆心、同一圆周、120
°
间隔排列，变幅杆9内设置有水冷管道，侧壁开有水冷通孔，水冷装置通过管道与变幅杆9上的水冷通孔串联连接，形成水冷回路进行散热，可减少水循环通路距离，提高水循环速度和散热效率；三组超声换能器8以串联形式由同一超声电源控制，形成环形回路，这样不但可减少线路长度及还可提高系统集成度，每组换能器通过固定装置围绕在焊枪周围并与其固定连接。三组变幅杆9的超声发射端10与待焊工件之间形成可聚焦超声场。焊枪体内表面配有无机陶瓷隔热涂层。
23.其中，激光焊接装置1位于焊枪的上方，并通过螺纹与焊枪连接，且设置有密封圈，减少保护气体非工作状态下的损耗。所述的变幅杆放大系数介于7～11之间，空心钨极的最大的外径尺寸可达到12mm，最小内径尺寸为2.5mm。通过控制激光电源、gta焊接电源、超声发生装置电源使之产生稳定的激光、空心钨极gta电弧和超声场。在工作状态下，焊接保护气首先通入，然后打开水冷装置形成散热回路。在固定好待焊接工件后，再依次设置激光电源和焊接电源，使得激光装置产生的激光经过聚焦镜片聚焦后穿过空心钨极形成激光与空心钨极gta电弧的同轴复合，然后调节超声发生装置电源，获得稳定超声场，形成稳定的连续超声辅助常规空心钨极gta-连续激光同轴复合热源，共同作用于工件，进而实现完整焊接过程。
24.实施例2
25.本实施例采用如实施例1所述的一种超声辅助空心钨极gta-激光同轴复合焊接系统，其中，gta焊接装置产生的脉冲电弧峰值电流对应超声发生装置产生的超声脉冲激励段，进而获得一种超声波叠加的焊接脉冲电弧，并且所述的超声波叠加的焊接脉冲电弧的无脉冲段对应激光焊接装置产生的激光脉冲段，从而实现超声能量与焊接脉冲电弧同相波形加载，与脉冲激光异相波形加载；使得激光脉冲占空比10-90％对应超声波叠加焊接脉冲电弧的占空比90-10％。所述的激光焊接装置产生的激光波长10.6μm，最大输出功率2000w，脉冲频率0-1000hz，脉冲占空比0-100％，可采用co2激光束、yag固体激光束、半导体激光束或光纤激光束。所述的gta焊接装置产生脉冲电流的脉冲频率0.5-450hz，脉冲占空比10-90％。所述的超声发生装置最大输入功率5000w，超声的激励频率10-40khz，脉冲频率1hz-10 mhz，振幅20-250μm。
26.实施例3
27.本实施例采用如实施例1所述的一种超声辅助空心钨极gta-激光同轴复合焊接系统，可用于连续超声 常规空心钨极gta电弧 脉冲激光三者的复合焊接。本实施例在连续超声场与常规电弧的复合基础上，对激光发射频率进行控制，脉冲激光输出的能量由脉冲频率与脉冲能量一起决定，而其中脉冲能量又是由脉冲激光激发电流与脉冲宽度共同控制。在脉冲激光作用的每个周期内激光作用一定时间(脉冲宽度)使金属材料熔化，非脉冲段激光关闭，材料熔化过程依靠超声辅助空心钨极gta电弧维持。以co2激光器(波长10.6μm)为例，最大输出功率2000w，脉冲频率0～1000hz(0hz为连续激光)，占空比多档可调(0-100％)。相比于连续激光，脉冲激光具有更高的峰值强度，且使工件整体温升更小，热影响区更窄，工件变形更小。另外该条件下的焊缝不但会受到超声调控下的电弧作用，还会受到相邻脉冲的重复作用，可使深熔焊焊缝得到明显细化，这在一定程度可降低裂纹产生的倾
向。
28.实施例4
29.本实施例采用如实施例1所述的一种超声辅助空心钨极gta-激光同轴复合焊接系统，可用于连续超声 空心钨极gta脉冲电弧 脉冲激光。本实施例在连续超声场与脉冲激光的复合基础上，可通过调节gta焊接电源的脉冲模式，设置向gta焊接回路提供一个周期性的、具有高峰值的脉冲电流使之在空心钨极端部产生gta脉冲电弧。以焊机wsme500i为例，脉冲频率0.5-450hz之间任意可调，脉冲占空比10-90％。在复合热源焊接过程中，通过超声辅助空心钨极gta脉冲电弧与脉冲激光的脉冲协调焊接可解决连续激光与大电流连续电弧热源复合时电弧对激光的屏蔽作用，电弧电流峰值时电弧单独作用，而当电流基值时，激光可收缩电弧，提高能量利用率，可获得高效、稳定的大熔深焊接过程。
30.实施例5
31.本实施例采用如实施例1所述的一种超声辅助空心钨极gta-激光同轴复合焊接系统，可用于脉冲超声 空心钨极gta脉冲电弧 脉冲激光。通过调控超声发生装置的电源的超声脉冲频率与占空比，可产生脉冲超声。超声发生装置电源的输入功率2000w到5000w之间，激励频率范围介于10-40khz之间，脉冲频率调节预制范围介于1hz～10mhz之间。超声发生装置的电信号通过超声换能器转换为机械振动，其振幅较小，经超声变幅杆放大后，超声发射端局部振幅可达到20-250μm。倒扣的凹球面状的聚能罩，其产生的声聚焦能力更强。在依次启动激光电源、gta焊接电源和超声发生装置电源后，相对于连续超声，脉冲超声可实现超声能量与复合热源能量的匹配性控制，即实现超声能量与脉冲电弧或脉冲激光的同相及异相波形复合加载。利用本系统焊接，可获得拘束的复合热源，在超声空化效应和声流效应的机械搅拌以及脉冲导致的热搅拌共同作用下，可开展中厚板材焊接，可细化焊缝组织、可抑制元素偏析等缺陷，进而实现一种高质量、高稳定性、高效率的焊接过程，具有广泛的应用空间。
32.实施例6
33.如图5所示，结合复合热源焊接过程，利用脉冲超声调控gta脉动电弧，脉冲超声输出能量由脉冲超声激励电流、脉冲频率与占空比共同控制。根据超声脉冲有无分为超声作用和无超声作用两个阶段，其中在超声作用阶段，获得一种超声波叠加的焊接脉冲电弧。选择激光脉冲形式，根据激光脉冲的有无分为激光作用和无激光作用两个阶段，脉冲激光输出能量由脉冲激发电流、脉冲频率与脉冲宽度共同控制。基于脉冲激光与脉动电弧电流波形的协同控制，实现无超声波叠加的焊接电流阶段对应激光激发电流峰值输出，而在有超声波叠加的焊接电流阶段对应无激光激发电流输出的无激光作用阶段。基于电流波形的脉动电弧与脉冲激光“错峰”能量控制策略，基于工件端的热、力分布特性，获得既可以形成稳定深熔小孔，具有熔深“挖掘”阶段，又可以促进熔池流动，具有熔池“搅拌”阶段的复合热源结构。
34.实施例7
35.如图6所示，焊接的工件材料为sus304不锈钢，钨极通孔直径4mm，钨极尖端下方距离工件上表面的高度4mm，gta电流60a，co2激光功率800w，超声电源激励频率15khz，功率3200w。根据对比图可得出，利用本系统焊接，在超声自身的声流效应，空化效应造成的搅拌，和脉冲导致的热搅拌的多重搅拌作用下，可获得拘束的复合热源、可开展中厚板材焊
接、可细化焊缝组织、可抑制元素偏析等缺陷，进而实现一种高质量、高稳定性、高效率的焊接过程，具有广泛的应用空间。