《脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法》是大連理工大學於2009年12月22日申請的專利，該專利的申請號為2009102487618，公布號為CN101774091A，授權公布日為2010年07月14日，發明人是劉黎明、宋剛、張兆棟、郝新鋒、郝曉虎、柴培。該專利屬於材料工程技術領域。
《脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法》屬於材料工程技術領域，涉及一種焊接方法，特別是脈衝雷射-交流電弧複合焊接方法。雷射的脈衝由峰值脈衝和後續的基值脈衝構成，其特徵在於，雷射的峰值脈衝電流強度為300安～500安，寬度為0.1毫秒～0.5毫秒，基值脈衝電流強度為100安～200安，寬度為3毫秒～15毫秒，在交流電弧電流正半波的二分之一處，觸發雷射的峰值脈衝，後續雷射基值脈衝延續到交流電弧同一周期負半波結束；交流電弧頻率為脈衝雷射頻率的整數倍。該方法實現了能量最佳化配置，能在較低雷射功率下形成雷射小孔，利用小孔效應，使焊接熔深比相同焊接參數下的已有技術增加10％～25％，並提高了電弧穩定性，改善了焊縫質量，適合工業化套用。
2020年7月，《脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法》獲得中國第二十一屆中國專利銀獎。
（概述圖為《脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法
- 類別：專利
- 公布號：CN101774091A
- 公布日：2010年07月14日
- 申請號：2009102487618
- 申請日：2009年12月22日
- 申請人：大連理工大學
- 地址：遼寧省大連市甘井子區凌工路2號
- 發明人：劉黎明、宋剛、張兆棟、郝新鋒、郝曉虎、柴培
- 分類號：B23K28/02（2006.01）I
- 專利代理機構：大連智慧專利事務所
- 代理人：潘迅
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,權利要求,實施方式,實施例1,實施例2,榮譽表彰,
專利背景
在雷射-電弧複合熱源焊接過程中，雷射與電弧的能量匹配一直是複合熱源焊接的研究熱點。發明專利申請“雷射-電弧複合脈衝協調控制方法”（申請號CN02156592.9）提出，在脈衝信號頻率相同的條件下，在電弧的基值脈衝區域觸發雷射峰值功率，而雷射的基值脈衝與電弧的峰值脈衝同步，可以顯著提高焊接過程穩定性，該方法只涉及到直流電弧和高功率雷射複合焊接控制，目的在於解決電弧空間電漿對雷射的吸收和散射作用而產生的問題。
當焊接有色金屬時，一般選用交流電弧，利用交流電弧的陰極霧化作用來清除焊接板材表面的氧化膜。由於交流電弧電流的周期性變化，雷射脈衝與交流電弧匹配時，雷射脈衝作用在交流電弧波形的不同區域，會產生不同的能量分布方式，對焊接過程及其結果有不同的影響，例如，會直接影響到焊縫熔深的大小以及焊接過程電弧的穩定性。因此，脈衝雷射與交流電弧脈衝相位的最佳化匹配，對提高複合熱源焊接質量和效率具有重要意義。
發明內容
專利目的
《脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法》的目的是提供一種脈衝雷射-交流電弧複合焊接的脈衝相位的最佳化匹配方法，在2009年之前脈衝雷射-交流電弧複合焊接基礎上，獲得更大的熔深，提高焊接效率。
技術方案
《脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法》的目的是通過以下技術方案實現的：
《脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法》，雷射的脈衝由峰值脈衝和後續的基值脈衝構成，其特徵在於，雷射的峰值脈衝電流強度為300安～500安，峰值脈衝寬度為0.1毫秒～0.5毫秒，基值脈衝電流強度為100安～200安，基值脈衝寬度為3毫秒～15毫秒；在交流電弧電流正半波的二分之一處，觸發雷射的峰值脈衝；雷射的峰值脈衝寬度和基值脈衝寬度之和，等於交流電弧電流的周期減去正半波寬度的二分之一；交流電弧的頻率為脈衝雷射頻率的整數倍。
在交流電弧電流正半波二分之一處，在電弧的作用下焊接材料開始融化，這時加入雷射的峰值脈衝，能夠保證雷射在焊接板材上瞬間形成小孔，而後續較寬的雷射的基值脈衝能維持雷射小孔的張開狀態，這樣可以充分利用小孔效應實現深熔焊。
交流電弧電流負半波時，電弧的穩定性一般相對較差，對焊縫質量不利。設定雷射的峰值脈衝寬度和後續的基值脈衝寬度之和等於交流電弧的周期減去正半波寬度的二分之一，是為了使基值脈衝一直延續到交流電弧同一周期負半波結束，雷射脈衝產生的大量金屬蒸汽有利於提高交流電弧在負半波時的電弧放電能力，從而提高了電弧的穩定性，改善了焊縫的質量。
用該方法焊接時，可以按照已有脈衝雷射-交流電弧複合焊接技術工藝要求確定脈衝雷射和交流電弧的參數，已有的交流電弧主要有TIG（非熔化極惰性氣體保護焊）電弧、MIG（熔化極惰性氣體保護）電弧、MAG（熔化極活性氣體保護）電弧及等離子弧，交流電弧的頻率一般為50～100赫茲，交流電弧頻率最好為脈衝雷射頻率的1～4整數倍，相應的脈衝雷射頻率範圍為25～100赫茲。
雷射脈衝波形的設定和調整可以通過調節雷射裝置的參數實現，交流電弧的波形也可以通過調節其電源參數調整，交流電弧的波形及正半波二分之一點可以用電流感測器及單片機測得，可採用同步脈衝觸發信號控制方法在交流電弧電流正半波二分之一點對雷射脈衝進行觸發控制。
該方法實現了脈衝雷射和交流電弧兩種焊接熱源能量的最佳化配置，實現了在較低雷射功率下雷射小孔的形成，並延長了雷射小孔的存在時間，充分利用小孔效應使複合焊接熔深較2009年之前技術增大10％～25％，同時提高了交流電弧的穩定性，改善了焊縫成形質量，並能避免氣孔等焊接缺陷，適合工業化套用。
附圖說明
圖1為一種雷射脈衝波形示意圖。圖中橫軸和縱軸分別為時間和電流強度，1為雷射峰值脈衝，2為雷射基值脈衝，t1、t2分別為雷射峰值脈衝和基值脈衝的寬度。
圖2是當交流電弧電流為正負不對稱波形時，圖1所示的雷射脈衝與交流電弧電流的相位匹配示意圖。圖中3為交流電弧電流波形，t3為交流電弧電流正半波寬度，t4為交流電弧周期，t1+t2＝t4-t3/2；在交流電弧電流正半波二分之一時間點觸發雷射峰值脈衝。
圖3是當交流電弧電流為方波時，雷射脈衝與交流電弧電流的相位匹配示意圖。圖中t5、t6分別為雷射峰值脈衝和基值脈衝的寬度，t7為交流電弧電流的正半波寬度，t8為交流電弧周期，t5+t6＝t8-t7/2；交流電弧電流波形3為方波。
權利要求
1.《脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法》雷射的脈衝由峰值脈衝和後續的與峰值脈衝無間隔的基值脈衝構成，其特徵在於，雷射的峰值脈衝電流強度為300安～500安，峰值脈衝寬度為0.1毫秒～0.5毫秒，基值脈衝電流強度為100安～200安，基值脈衝寬度為3毫秒～15毫秒；在交流電弧電流正半波的二分之一處，觸發雷射的峰值脈衝；雷射的峰值脈衝寬度和基值脈衝寬度之和，等於交流電弧電流的周期減去正半波寬度的二分之一；交流電弧的頻率為脈衝雷射頻率的整數倍。
2.如權利要求1所述的脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法，其特徵在於，脈衝雷射的頻率為25～100赫茲，交流電弧的頻率為脈衝雷射頻率的1～4整數倍。
實施方式
實施例1
用脈衝相位控制方法，YAG脈衝雷射-交流TIG電弧複合焊接8毫米厚AZ31B鎂合金板材。
交流電弧電流強度為100安，電弧電壓12伏，焊接速度1000毫米每分鐘。通過調節YAG脈衝雷射和交流TIG電弧的電源參數使雷射脈衝和交流電弧電流的波形、頻率達到設定要求，如圖1和圖2所示。
雷射峰值脈衝1的電流強度為400安，寬度t1為0.2毫秒，後續的基值脈衝2的電流強度為100安，寬度t2為7.6毫秒；交流電弧電流周期t4為12.8毫秒，正半波寬度t3為10.0毫秒，t1+t2＝t4-t3/2。
雷射脈衝頻率為39赫茲，交流電弧頻率為78赫茲。交流電弧電流波形3為正負不對稱形，雷射脈衝的平均輸出功率為600瓦，其中峰值脈衝的功率密度為2.4×10瓦每平方厘米，基值脈衝的功率密度為1.1×10瓦每平方厘米。
用霍爾電流感測器採集焊接電弧電流信號，通過A/D轉換將其轉換為數位訊號，利用單片機計算處理判斷電流信號的波峰和波谷，在交流電弧電流正半波二分之一時間點，即t3/2處，用信號控制器對雷射器發出觸發控制信號（延遲時間為一個電流周期），使雷射的峰值脈衝作用於交流電弧電流的正半波二分之一處。
與相同焊接參數條件下已有的脈衝YAG雷射-交流TIG電弧複合焊接相比，該實施例焊接熔深由5.5毫米提高到6.3毫米。
實施例2
用脈衝相位控制方法，YAG脈衝雷射-交流TIG電弧複合焊接5毫米厚Q235碳鋼板材。
交流電弧電流強度為200安，電弧電壓14伏，焊接速度800毫米每分鐘。如圖3所示，通過調節YAG脈衝雷射和交流TIG電弧的電源參數使雷射脈衝和交流電弧電流的波形、頻率達到設定要求。
雷射峰值脈衝1的電流強度為500安，寬度t5為0.5毫秒，後續的基值脈衝2的電流強度為110安，寬度t6為14.5毫秒；交流電弧電流周期t8為20毫秒，正半波寬度t7為10毫秒，t5+t6＝t8-t7/2；脈衝雷射頻率為50赫茲，交流電弧頻率為50赫茲。交流電弧電流波形3為方波，雷射平均輸出功率為800瓦，其中峰值脈衝的功率密度為2.8×10瓦每平方厘米，基值脈衝的功率密度為1.2×10瓦每平方厘米。
參數調整好後，在交流電弧電流正半波二分之一時間點，即t7/2處，觸發脈衝雷射，達到雷射脈衝與交流電弧的能量匹配及相位匹配，方法同實施例1。
與相同焊接參數條件下已有的脈衝YAG雷射-交流TIG電弧複合焊接相比，該實施例焊接熔深由4.2毫米提高到4.8毫米。
榮譽表彰
2020年7月，《脈衝雷射-交流電弧複合焊接脈衝相位控制方法》獲得中國第二十一屆中國專利銀獎。
