CN1943959A - 一种激光－电弧复合加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合热源材料加工方法。采用的技术方案是：在激光－电弧复合热源加工过程中，激光功率输出脉冲与交流电弧在同步脉冲触发信号的控制下，协调控制输出，即激光脉冲峰值功率始终出现在交流电弧负半波区间(ACEN)。该方法的复合方式为：激光与电弧同轴或旁轴；电弧类型为非熔化极惰性气体保护电弧、熔化极气体保护电弧、等离子弧；激光束类型为YAG固体激光束、CO2激光束或二级管激光束等。本发明的有益效果是：能够减少激光能量的损耗，保证激光能量的充分利用。增强交流电弧负半波区间放电，减少加工参数及环境因素对加工稳定性的影响。提高电弧稳定性，改善加工区域的表面成型，增加熔深1－2倍。
Description
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，特别是一种复合热源材料加工方法。
背景技术
当激光与电弧作用于共同区域，激光与电弧存在相互作用，即为常说的激光-电弧复合热源材料加工方法。目前，激光-电弧复合热源研究和应用领域，基本上是采用连续激光或脉冲激光与连续电弧相复合。根据我们研究发现，在采用激光与交流电弧复合时，两者存在着一个能量相互增强、减弱的匹配关系。在高速加工过程中，激光与电弧相互作用，虽然电弧能够稳定燃烧，但是会出现局部热电子发射不足，电弧会产生漂移、膨胀现象。同时大功率电弧产生的等离子体对激光能量存在吸收和对光束存在散射作用。并随着电弧功率的增加，该作用逐渐增强，从而大大削弱了激光的作用效果，造成能源资源的损耗。在加工结果方面，主要表现为熔深降低、表面成型不连续。并且在复合焊接过程激光冲击作用点与电弧作用中心之间的距离、电弧弧长都会影响到复合热源加工效果。
发明内容
为了解决现有激光-电弧复合热源加工方法的不足，本发明提出了一种新型的激光-电弧复合热源材料加工方法，它解决了现有激光-电弧复合热源加工技术由于电弧局部热电子发射不足以及电弧等离子体对激光能量的吸收和光束散射所造成的一系列问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种激光-电弧复合加工方法，该方法是，在激光-电弧复合加工过程中，在同步脉冲信号的控制下，激光脉冲始终作用于交流电弧负半波区间，其中，电弧电流为40A-500A，激光脉冲峰值功率1-5KW，激光与电弧同轴或旁轴，基值功率为200W-1000W，激光脉冲频率为10-200Hz，激光冲击点与电弧熔池中心之间的距离DLA为1~6mm，激光束1与电弧电极2之间的夹角α为15-45°，电极2尖端到工件的距离h为1-5mm。电弧类型为TIG电弧、MIG电弧、MAG电弧或等离子弧。激光类型为YAG固体激光束、CO2气体激光束或二极管激光束。该方法的复合方式为：激光与电弧同轴或旁轴。
本发明的有益效果是：1)在小功率激光与大功率电弧复合时，能够减少激光能量的损耗，保证激光能量的充分利用。2)采用脉冲激光诱导、增强交流电弧负半波区间放电，能够减少加工参数及环境因素对加工稳定性的影响。3)采用脉冲激光与交流电弧负半波区间的协调控制，能够提高电弧稳定性，改善加工区域的表面成型，增加熔深1-2倍。该新型激光-电弧复合热源技术能够最大限度的利用激光与电弧的能量，与已有的激光-电弧复合热源加工技术相比具有极大的优势。无论从工艺角度和经济角度考虑，都有很大的工业应用潜力和发展前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的具体实施方式中激光脉冲与交流电弧半波区间作用的协调匹配方式图。
图2是本发明的激光-电弧复合热源装置示意图。
图中1.激光束，2.电弧电极，3.保护气外罩。
具体实施方式
本实施方式采用旁轴激光-电弧复合热源装置，参阅图2所示的相对位置。其中激光束1与电弧电极2之间的夹角α为45°；激光束1冲击作用点与电弧电极2焊接熔池中心距离DLA为2mm；保护气外罩3内的电极2尖端到工件的距离h为2mm。然后根据待加工材料及板厚确定激光功率、电弧功率、保护气体流量。在复合焊接过程中，激光为脉冲输出模式，电弧采用交流模式。设定触发脉冲信号，根据焊接、切割、表面处理的需要，使激光脉冲峰值作用于交流电弧负半波区间，激光脉冲频率与电流频率一致。参阅图1所示，其中以焊接镁合金5mm厚板材为例，电弧电流为100A；激光脉冲峰值功率1KW，基值功率为200W；激光脉冲频率为40Hz；焊接速度2000mm/min。为了保证加工过程中激光脉冲与交流电弧正、负半波区间获得良好匹配，利用工控机通过A/D转换器分别同时给激光器和电弧装置一个触发信号。采用这种方式，一方面使激光能量和电弧能量得到充分发挥，显著降低能源消耗，提高加工效率。另一方面材料表面成型得到明显改善。
Claims (3)
1、一种激光-电弧复合加工方法，其特征在于，该方法是，在激光-电弧复合加工过程中，在同步脉冲信号的控制下，激光脉冲始终作用于交流电弧负半波区间，其中，电弧电流为40A-500A，激光脉冲峰值功率1-5KW，激光与电弧同轴或旁轴，基值功率为200W-1000W，激光脉冲频率为10-200Hz，激光冲击点与电弧熔池中心之间的距离(DLA)为1~6mm，激光束(1)与电弧电极(2)之间的夹角(α)为15-45°，电极(2)尖端到工件的距离(h)为1-5mm。
2、根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合加工方法，其特征在于，所述的电弧类型为TIG电弧、MIG电弧、MAG电弧或等离子弧。
3、根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合加工方法，其特征在于，所述的激光类型为YAG固体激光束、CO2气体激光束或二极管激光束。
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