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1、(10)申请公布号 CN 102151944 A (43)申请公布日 2011.08.17 CN 102151944 A *CN102151944A* (21)申请号 201110026475.4 (22)申请日 2011.01.25 B23K 9/067(2006.01) B23K 9/16(2006.01) B23K 26/04(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 雷正龙 陈彦宾 冯杰才 李颖 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 牟永林 (54) 发明名称 采。
2、用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法 (57) 摘要 采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 属 于焊接技术领域。它解决了现有高频引弧方法对 人体危害大的问题。将 TIG 焊枪的中轴线垂直于 待焊接件的待焊接表面， 并使 TIG 焊枪的钨极的 末端与待焊接表面之间的距离 d 的范围为 2mm 5mm ； 使激光束的光轴与 TIG 焊枪的中轴线形成 30 60的夹角 ， 并使激光束在待焊接表面 的入射点在 TIG 焊枪的沿焊接方向的电弧前方， 引燃 TIG 电弧的过程为 ： 启动 TIG 焊枪的焊接开 关， 使其处于焊接空载状态 ； 然后启动激光器使 其产生激光束， 激光束与待焊接件相互作。
3、用产生 激光等离子体， 引燃TIG电弧。 本发明适用于引燃 TIG 电弧。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 CN 102151944 A1/1 页 2 1. 一种采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 固定待焊接件 (1)， 使 TIG 焊枪 (2) 的中轴线垂直于待焊接件 (1) 的待焊接表面， 并使 TIG 焊枪 (2) 的钨极的末端与待焊接表面之间的距离 d 的范围为 2mm 5mm ； 使激光束 (3) 的光轴与 TIG 焊枪 (2) 的中轴线形成 30 60的夹角。
4、 ， 并使激光 束 (3) 在待焊接表面的入射点在 TIG 焊枪 (2) 的沿焊接方向 (A) 的电弧前方， 引燃 TIG 电 弧的过程为 ： 首先启动TIG焊枪(2)的焊接开关， 使其处于焊接空载状态 ； 然后启动激光器使其产生 激光束 (3)， 激光束 (3) 与待焊接件 (1) 相互作用产生激光等离子体， 引燃 TIG 电弧 ； 所述激光束 (3) 在待焊接表面的入射点在 TIG 焊枪 (2) 的沿焊接方向 (A) 的电弧前方 的 3mm 之内。 2. 根据权利要求 1 所述的采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 所述 激光器为具有高峰值功率的脉冲激光器。 3. 根。
5、据权利要求 1 所述的采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 所述 激光器为脉冲 CO2激光器、 YAG 激光器或光纤激光器。 4. 根据权利要求 1 所述的采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 所 述激光束 (3) 为具有高功率峰值的短脉冲激光， 所述激光束 (3) 的峰值功率为 1000W 20000W， 所述激光束 (3) 的峰值作用时间为 1ms 10ms。 5. 根据权利要求 1 所述的采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 所述 TIG 焊枪 (2) 的钨极呈圆锥形或圆台形。 6. 根据权利要求 1 所述的采用激光等离子。
6、体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 所述 TIG 焊枪 (2) 的钨极呈圆锥形， 圆锥形的圆锥角度为 30 60。 7. 根据权利要求 1 所述的采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 所述 TIG 焊枪 (2) 的焊接电流为 30A 200A， TIG 焊枪 (2) 的保护气体为 Ar 气。 8. 根据权利要求 7 所述的采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 所述 Ar 气的流量为 5l/min 30l/min。 9. 根据权利要求 7 所述的采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 所述 Ar 气的流量为 10l/min。
7、。 10. 根据权利要求 1 所述的采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 其特征在于 ： 所述 待焊接件 (1) 的焊接速度为 0.3m/min 2.0m/min。 权 利 要 求 书 CN 102151944 A1/3 页 3 采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种采用激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法， 属于焊接技术领域。 背景技术 0002 传统的 TIG( 惰性气体钨极保护焊 ) 电弧引燃方法主要分为接触引弧和非接触引 弧两大类， 从引弧的机理来看， 他们都是通过强电场击穿电极与工件之间的间隙， 瞬间产生 大量能参与导电的带电粒子， 而后由。
8、焊接电源提供后续电流来进行引燃电弧的， 因此， 如何 产生大量的带电粒子成为引燃 TIG 电弧的前提。在传统的引弧方法中， 主要是靠阴极的电 子发射以及气体间隙中中性粒子的电离来产生大量的带电粒子， 其中接触引弧存在钨极烧 损、 粘钨极、 工件表面擦伤和焊缝夹杂等一系列问题， 通常应用于手工电弧焊或者对焊接质 量要求不高的焊接过程中 ； 而非接触引弧主要包括高频引弧和高压脉冲引弧两大类， 其中 高频引弧由于结构简单、 成本低而得到了广泛应用和研究， 特别是随着自动化程度的提高， 高频引弧的使用越来越普遍。然而在自动 TIG 焊接设备中， 采用高频引弧有时也不能保证 在期望的地方引燃。 另外， 。
9、高频容易击穿焊接电源和焊接回路中的其它电气元件， 干扰无线 电接收或其它电子仪器的正常工作 ； 同时在引弧过程中产生的高频通常对人体有非常大的 危害。目前， 欧洲已经开始考虑立法禁止使用高频。 发明内容 0003 本发明的目的是为了解决现有高频引弧方法对人体危害大的问题， 提供一种采用 激光等离子体引燃 TIG 电弧的方法。 0004 本发明方法为 ： 固定待焊接件， 使 TIG 焊枪的中轴线垂直于待焊接件的待焊接表 面， 并使 TIG 焊枪的钨极的末端与待焊接表面之间的距离 d 的范围为 2mm 5mm ； 0005 使激光束的光轴与TIG焊枪的中轴线形成3060的夹角， 并使激光束在待 焊。
10、接表面的入射点在 TIG 焊枪的沿焊接方向的电弧前方， 引燃 TIG 电弧的过程为 ： 0006 首先启动 TIG 焊枪的焊接开关， 使其处于焊接空载状态 ； 然后启动激光器使其产 生激光束， 激光束与待焊接件相互作用产生激光等离子体， 引燃 TIG 电弧 ； 0007 所述激光束在待焊接表面的入射点在TIG焊枪的沿焊接方向的电弧前方的3mm之内。 0008 本发明的优点是 ： 本发明方法通过激光束与待焊接件作用产生的激光等离子体来 引燃 TIG 电弧。它采用激光束作用于待焊接件表面， 使其产生大量的金属和气体等离子体， 致使 TIG 焊枪的钨极与待焊接件之间通过激光等离子体导通， 引发钨极尖。
11、端的电子崩， 从 而导致钨极产生热电子发射和场致发射并形成自持放电， 引燃 TIG 电弧。本发明方法引燃 TIG 电弧的方式为非接触引弧方式， 具有无高频高压危害、 不粘钨极、 无工件表面擦伤等优 点， 它的焊接电弧稳定、 并且实现设备简单。 附图说明 0009 图1为本发明方法中， 待焊接件与TIG焊枪以及激光束之间的位置关系示意图， 图 说 明 书 CN 102151944 A2/3 页 4 中 B 所示的箭头表示保护气体的方向 ； 0010 图 2 为本发明方法引弧的过程中， 形成金属蒸汽的示意图 ； 0011 图3为本发明方法引弧的过程中， 产生激光等离子体的示意图， 图中C为钨极， 。
12、D为 激光等离子体 ； 0012 图 4 为本发明方法引弧的过程中， 引燃 TIG 电弧的示意图， 图中 D 为激光等离子 体， E 为电弧 ； 0013 图 5 为 TIG 电弧稳定燃烧的示意图， 图中 E 为电弧。 具体实施方式 0014 具体实施方式一 ： 下面结合图 1 说明本实施方式， 本实施方式的方法为 ： 固定待焊 接件 1， 使 TIG 焊枪 2 的中轴线垂直于待焊接件 1 的待焊接表面， 并使 TIG 焊枪 2 的钨极的 末端与待焊接表面之间的距离 d 的范围为 2mm 5mm ； 0015 使激光束 3 的光轴与 TIG 焊枪 2 的中轴线形成 30 60的夹角 ， 并使激。
13、光 束 3 在待焊接表面的入射点在 TIG 焊枪 2 的沿焊接方向 A 的电弧前方， 引燃 TIG 电弧的过 程为 ： 0016 首先启动TIG焊枪2的焊接开关， 使其处于焊接空载状态 ； 然后启动激光器使其产 生激光束 3， 激光束 3 与待焊接件 1 相互作用产生激光等离子体， 引燃 TIG 电弧 ； 0017 所述激光束 3 在待焊接表面的入射点在 TIG 焊枪 2 的沿焊接方向 A 的电弧前方的 3mm 之内。 0018 本实施方式中TIG焊枪2垂直入射于待焊接件1的表面， 在激光等离子体引燃TIG 电弧时， 需要采用单脉冲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。
14、瞬间 产生金属蒸发并形成大量的等离子体接触到钨极， 导致由于等离子体填充了电极之间的间 隙， 整个焊接电路被导通， 钨极在等离子体以及空载电压形成的电场的共同作用下， 产生热 电子发射和场致发射并形成自持放电， 引燃 TIG 电弧。在引燃过程中， 激光束在沿焊接方向 A 的前面， TIG 焊枪在后面， 引弧时， 激光束 3 在待焊接件 1 表面的入射点最好在钨极延长线 与工件交汇点 O 的沿焊接方向 A 的后方。 0019 本实施方式中首先将待焊接件1放在焊接工作台上， 并夹紧， 然后固定TIG焊枪2， 并设置好 TIG 焊枪 2 的位置参数， 激光束 3 焊枪需要固定在 TIG 电弧前方， 。
15、根据实际情况调 节激光束 3 与 TIG 焊枪 2 之间的相互作用位置， 设置激光束 3 的引弧参数。分别设置 TIG 焊枪 2 和激光束 3 焊枪的焊接工艺参数。激光束 3 的峰值功率大小根据焊接材料、 TIG 焊 枪 2 与激光束 3 相互作用的位置参数等确定。 0020 具体实施方式二 ： 本实施方式为对实施方式一的进一步说明， 所述激光器为具有 高峰值功率的脉冲激光器。其它与实施方式一相同。 0021 具体实施方式三 ： 本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明， 所述激光器为 脉冲 CO2激光器、 YAG 激光器或光纤激光器。其它与实施方式一或二相同。 0022 具体实施方式四 ： 。
16、本实施方式为对实施方式一、 二或三的进一步说明， 所述激光束 3 为具有高功率峰值的短脉冲激光， 所述激光束 3 的峰值功率为 1000W 20000W， 所述激光 束 3 的峰值作用时间为 1ms 10ms。其它与实施方式一、 二或三相同。 0023 对于一定的焊接材料， 峰值功率越大， 产生的激光等离子体越大， 越有利于 TIG 电 说 明 书 CN 102151944 A3/3 页 5 弧引弧。同时， 激光束 3 作用于焊接工件时能在几毫秒的时间内迅速使材料熔化、 气化、 产 生激光等离子体并能迅速达到稳定状态。 0024 具体实施方式五 ： 本实施方式为对实施方式一、 二、 三或四的进。
17、一步说明， 所述 TIG 焊枪 2 的钨极呈圆锥形或圆台形。其它与实施方式一、 二、 三或四相同。 0025 激光等离子体引燃 TIG 电弧的过程中， 激光等离子体中含有大量带电粒子 ； 而 TIG 电弧焊枪空载时， 钨极与待焊接件 1 之间存在一定的电场强度， 根据电场强度原理， 钨极底 面形状越尖， 其电场强度越大， 就越有利于吸引激光等离子体向钨极方向偏移， 从而有利于 引弧。 0026 具体实施方式六 ： 本实施方式为对实施方式一、 二、 三、 四或五的进一步说明， 所述 TIG焊枪2的钨极呈圆锥形， 圆锥形的圆锥角度为3060。 其它与实施方式一、 二、 三、 四或五相同。 0027。
18、 具体实施方式七 ： 本实施方式为对实施方式一、 二、 三、 四、 五或六的进一步说明， 所述 TIG 焊枪 2 的焊接电流为 30A 200A， TIG 焊枪 2 的保护气体为 Ar 气。其它与实施方 式一、 二、 三、 四、 五或六相同。 0028 具体实施方式八 ： 本实施方式为对实施方式七的进一步说明， 所述 Ar 气的流量为 5l/min 30l/min。 0029 具体实施方式九 ： 本实施方式为对实施方式七的进一步说明， 所述 Ar 气的流量为 10l/min。其它与实施方式七相同。 0030 具体实施方式十 ： 下面结合图2至图5说明本实施方式， 本实施方式为对实施方式 一、 。
19、二、 三、 四、 五、 六、 七、 八或九的进一步说明， 所述待焊接件 1 的焊接速度为 0.3m/min 2.0m/min。其它与实施方式一、 二、 三、 四、 五、 六、 七、 八或九相同。 0031 本实施方式中所述的待焊接件 1 的焊接速度可为待焊接件 1 移动速度。 0032 本发明方法所述的引弧过程包括如下几个阶段 ： 一 ： 图 2 所示， 为高能量密度的激 光束3与待焊接件1作用形成金属蒸汽 ； 二 ： 图3所示， 在激光能量的进一步作用下， 等离子 体迅速长大并接触到钨极。由于激光等离子体中含有大量带电粒子， 一旦激光等离子体接 触到钨极， 钨极与待焊接件 1 之间的空气间隙。
20、即被导通， 焊接电流不断增大， 使钨极被加热 产生热电子发射 ； 三 ： 图 4 所示， 由于在钨极附近积累了大量的正离子而形成压降， 在电场 的作用下， 钨极表面电势壁垒变薄， 自由电子开始逸出引起场致发射。这样， 在热电子发射 和场致发射的共同作用下使阴极产生电子发射并形成自持放电， 引燃 TIG 电弧 ； 四 ： 图 5 所 示， 撤去激光源， 焊接电源提供的后续电流进一步稳定并维持电弧燃烧。 0033 本发明不局限于上述实施方式， 还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理 组合。 说 明 书 CN 102151944 A1/2 页 6 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102151944 A2/2 页 7 图 5 说 明 书 附 图 。