專利名稱：采用激光等離子體引燃tig電弧的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的TIG(惰性氣體鎢極保護(hù)焊)電弧引燃方法主要分為接觸引弧和非接觸引弧兩大類，從引弧的機(jī)理來看，他們都是通過強(qiáng)電場(chǎng)擊穿電極與工件之間的間隙，瞬間產(chǎn)生大量能參與導(dǎo)電的帶電粒子，而后由焊接電源提供后續(xù)電流來進(jìn)行引燃電弧的，因此，如何產(chǎn)生大量的帶電粒子成為引燃TIG電弧的前提。在傳統(tǒng)的引弧方法中，主要是靠陰極的電子發(fā)射以及氣體間隙中中性粒子的電離來產(chǎn)生大量的帶電粒子，其中接觸引弧存在鎢極燒損、粘鎢極、工件表面擦傷和焊縫夾雜等一系列問題，通常應(yīng)用于手工電弧焊或者對(duì)焊接質(zhì)量要求不高的焊接過程中；而非接觸引弧主要包括高頻引弧和高壓脈沖引弧兩大類，其中高頻引弧由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低而得到了廣泛應(yīng)用和研究，特別是隨著自動(dòng)化程度的提高， 高頻引弧的使用越來越普遍。然而在自動(dòng)TIG焊接設(shè)備中，采用高頻引弧有時(shí)也不能保證在期望的地方引燃。另外，高頻容易擊穿焊接電源和焊接回路中的其它電氣元件，干擾無線電接收或其它電子儀器的正常工作；同時(shí)在引弧過程中產(chǎn)生的高頻通常對(duì)人體有非常大的危害。目前，歐洲已經(jīng)開始考慮立法禁止使用高頻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有高頻引弧方法對(duì)人體危害大的問題，提供一種采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法。本發(fā)明方法為固定待焊接件，使TIG焊槍的中軸線垂直于待焊接件的待焊接表面，并使TIG焊槍的鎢極的末端與待焊接表面之間的距離d的范圍為2mm 5mm ；使激光束的光軸與TIG焊槍的中軸線形成30° 60°的夾角β，并使激光束在待焊接表面的入射點(diǎn)在TIG焊槍的沿焊接方向的電弧前方，引燃TIG電弧的過程為首先啟動(dòng)TIG焊槍的焊接開關(guān)，使其處于焊接空載狀態(tài)；然后啟動(dòng)激光器使其產(chǎn)生激光束，激光束與待焊接件相互作用產(chǎn)生激光等離子體，引燃TIG電??；所述激光束在待焊接表面的入射點(diǎn)在TIG焊槍的沿焊接方向的電弧前方的3mm之內(nèi)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明方法通過激光束與待焊接件作用產(chǎn)生的激光等離子體來引燃TIG電弧。它采用激光束作用于待焊接件表面，使其產(chǎn)生大量的金屬和氣體等離子體， 致使TIG焊槍的鎢極與待焊接件之間通過激光等離子體導(dǎo)通，引發(fā)鎢極尖端的電子崩，從而導(dǎo)致鎢極產(chǎn)生熱電子發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射并形成自持放電，引燃TIG電弧。本發(fā)明方法引燃 TIG電弧的方式為非接觸引弧方式，具有無高頻高壓危害、不粘鎢極、無工件表面擦傷等優(yōu)點(diǎn)，它的焊接電弧穩(wěn)定、并且實(shí)現(xiàn)設(shè)備簡單。


圖1為本發(fā)明方法中，待焊接件與TIG焊槍以及激光束之間的位置關(guān)系示意圖，圖中B所示的箭頭表示保護(hù)氣體的方向；圖2為本發(fā)明方法引弧的過程中，形成金屬蒸汽的示意圖；圖3為本發(fā)明方法引弧的過程中，產(chǎn)生激光等離子體的示意圖，圖中C為鎢極，D為激光等離子體；圖4為本發(fā)明方法引弧的過程中，引燃TIG電弧的示意圖，圖中D為激光等離子體，E為電??；圖5為TIG電弧穩(wěn)定燃燒的示意圖，圖中E為電弧。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的方法為固定待焊接件1，使TIG焊槍2的中軸線垂直于待焊接件1的待焊接表面，并使TIG焊槍2的鎢極的末端與待焊接表面之間的距離d的范圍為2mm 5mm ；使激光束3的光軸與TIG焊槍2的中軸線形成30° 60°的夾角β，并使激光束3在待焊接表面的入射點(diǎn)在TIG焊槍2的沿焊接方向A的電弧前方，引燃TIG電弧的過程為首先啟動(dòng)TIG焊槍2的焊接開關(guān)，使其處于焊接空載狀態(tài)；然后啟動(dòng)激光器使其產(chǎn)生激光束3，激光束3與待焊接件1相互作用產(chǎn)生激光等離子體，引燃TIG電?。凰黾す馐?在待焊接表面的入射點(diǎn)在TIG焊槍2的沿焊接方向A的電弧前方的 3mm之內(nèi)。本實(shí)施方式中TIG焊槍2垂直入射于待焊接件1的表面，在激光等離子體引燃TIG 電弧時(shí)，需要采用單脈沖高峰值功率的激光束3作用于待焊接件1的表面，使其能在瞬間產(chǎn)生金屬蒸發(fā)并形成大量的等離子體接觸到鎢極，導(dǎo)致由于等離子體填充了電極之間的間隙，整個(gè)焊接電路被導(dǎo)通，鎢極在等離子體以及空載電壓形成的電場(chǎng)的共同作用下，產(chǎn)生熱電子發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射并形成自持放電，引燃TIG電弧。在引燃過程中，激光束在沿焊接方向 A的前面，TIG焊槍在后面，引弧時(shí)，激光束3在待焊接件1表面的入射點(diǎn)最好在鎢極延長線與工件交匯點(diǎn)0的沿焊接方向A的后方。本實(shí)施方式中首先將待焊接件1放在焊接工作臺(tái)上，并夾緊，然后固定TIG焊槍2， 并設(shè)置好TIG焊槍2的位置參數(shù)，激光束3焊槍需要固定在TIG電弧前方，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)激光束3與TIG焊槍2之間的相互作用位置，設(shè)置激光束3的引弧參數(shù)。分別設(shè)置TIG 焊槍2和激光束3焊槍的焊接工藝參數(shù)。激光束3的峰值功率大小根據(jù)焊接材料、TIG焊槍2與激光束3相互作用的位置參數(shù)等確定。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步說明，所述激光器為具有高峰值功率的脈沖激光器。其它與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步說明，所述激光器為脈沖CO2激光器、YAG激光器或光纖激光器。其它與實(shí)施方式一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二或三的進(jìn)一步說明，所述激光束 3為具有高功率峰值的短脈沖激光，所述激光束3的峰值功率為1000W 20000W，所述激光束3的峰值作用時(shí)間為Ims 10ms。其它與實(shí)施方式一、二或三相同。對(duì)于一定的焊接材料，峰值功率越大，產(chǎn)生的激光等離子體越大，越有利于TIG電弧引弧。同時(shí)，激光束3作用于焊接工件時(shí)能在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)迅速使材料熔化、氣化、產(chǎn)生激光等離子體并能迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三或四的進(jìn)一步說明，所述 TIG焊槍2的鎢極呈圓錐形或圓臺(tái)形。其它與實(shí)施方式一、二、三或四相同。激光等離子體引燃TIG電弧的過程中，激光等離子體中含有大量帶電粒子；而TIG 電弧焊槍空載時(shí)，鎢極與待焊接件1之間存在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度原理，鎢極底面形狀越尖，其電場(chǎng)強(qiáng)度越大，就越有利于吸引激光等離子體向鎢極方向偏移，從而有利于引弧。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三、四或五的進(jìn)一步說明，所述 TIG焊槍2的鎢極呈圓錐形，圓錐形的圓錐角度為30° 60°。其它與實(shí)施方式一、二、三、 四或五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三、四、五或六的進(jìn)一步說明， 所述TIG焊槍2的焊接電流為30A 200A，TIG焊槍2的保護(hù)氣體為Ar氣。其它與實(shí)施方式一、二、三、四、五或六相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式七的進(jìn)一步說明，所述Ar氣的流量為 51/min 301/min。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式七的進(jìn)一步說明，所述Ar氣的流量為 101/min。其它與實(shí)施方式七相同。
具體實(shí)施方式
十下面結(jié)合圖2至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九的進(jìn)一步說明，所述待焊接件1的焊接速度為0. 3m/min 2. Om/min。其它與實(shí)施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。本實(shí)施方式中所述的待焊接件1的焊接速度可為待焊接件1移動(dòng)速度。本發(fā)明方法所述的引弧過程包括如下幾個(gè)階段一圖2所示，為高能量密度的激光束3與待焊接件1作用形成金屬蒸汽；二圖3所示，在激光能量的進(jìn)一步作用下，等離子體迅速長大并接觸到鎢極。由于激光等離子體中含有大量帶電粒子，一旦激光等離子體接觸到鎢極，鎢極與待焊接件1之間的空氣間隙即被導(dǎo)通，焊接電流不斷增大，使鎢極被加熱產(chǎn)生熱電子發(fā)射；三圖4所示，由于在鎢極附近積累了大量的正離子而形成壓降，在電場(chǎng)的作用下，鎢極表面電勢(shì)壁壘變薄，自由電子開始逸出引起場(chǎng)致發(fā)射。這樣，在熱電子發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射的共同作用下使陰極產(chǎn)生電子發(fā)射并形成自持放電，引燃TIG電??；四圖5所示，撤去激光源，焊接電源提供的后續(xù)電流進(jìn)一步穩(wěn)定并維持電弧燃燒。本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式，還可以是上述各實(shí)施方式中所述技術(shù)特征的合理組合。
權(quán)利要求
1.一種采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于固定待焊接件(1)，使TIG焊槍O)的中軸線垂直于待焊接件(1)的待焊接表面，并使 TIG焊槍⑵的鎢極的末端與待焊接表面之間的距離d的范圍為2mm 5mm ；使激光束(3)的光軸與TIG焊槍O)的中軸線形成30° 60°的夾角β，并使激光束(3)在待焊接表面的入射點(diǎn)在TIG焊槍O)的沿焊接方向(A)的電弧前方，引燃TIG電弧的過程為首先啟動(dòng)TIG焊槍(2)的焊接開關(guān)，使其處于焊接空載狀態(tài)；然后啟動(dòng)激光器使其產(chǎn)生激光束(3)，激光束C3)與待焊接件(1)相互作用產(chǎn)生激光等離子體，引燃TIG電??；所述激光束C3)在待焊接表面的入射點(diǎn)在TIG焊槍O)的沿焊接方向(A)的電弧前方的:3mm之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于所述激光器為具有高峰值功率的脈沖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于所述激光器為脈沖(X)2激光器、YAG激光器或光纖激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于所述激光束(3)為具有高功率峰值的短脈沖激光，所述激光束(3)的峰值功率為1000W 20000W，所述激光束(3)的峰值作用時(shí)間為Ims 10ms。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于所述 TIG焊槍O)的鎢極呈圓錐形或圓臺(tái)形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于所述 TIG焊槍O)的鎢極呈圓錐形，圓錐形的圓錐角度為30° 60°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于所述 TIG焊槍⑵的焊接電流為30A 200A，TIG焊槍⑵的保護(hù)氣體為Ar氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于所述 Ar氣的流量為51/min 301/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于所述 Ar氣的流量為101/min。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，其特征在于所述待焊接件(1)的焊接速度為0. 3m/min 2. Om/min。
全文摘要
采用激光等離子體引燃TIG電弧的方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有高頻引弧方法對(duì)人體危害大的問題。將TIG焊槍的中軸線垂直于待焊接件的待焊接表面，并使TIG焊槍的鎢極的末端與待焊接表面之間的距離d的范圍為2mm～5mm；使激光束的光軸與TIG焊槍的中軸線形成30°～60°的夾角β，并使激光束在待焊接表面的入射點(diǎn)在TIG焊槍的沿焊接方向的電弧前方，引燃TIG電弧的過程為啟動(dòng)TIG焊槍的焊接開關(guān)，使其處于焊接空載狀態(tài)；然后啟動(dòng)激光器使其產(chǎn)生激光束，激光束與待焊接件相互作用產(chǎn)生激光等離子體，引燃TIG電弧。本發(fā)明適用于引燃TIG電弧。
文檔編號(hào)B23K26/04GK102151944SQ20111002647
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者馮杰才, 李穎, 陳彥賓, 雷正龍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)