专利名称：采用激光等离子体引燃tig电弧的方法
技术领域：
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：
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，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
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。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 ；使激光束的光轴与TIG焊枪的中轴线形成30° 60°的夹角β，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；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。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。
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，图中B所示的箭头表示保护气体的方向；图2为本发明方法引弧的过程中，形成金属蒸汽的示意图；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，D为激光等离子体；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；图5为TIG电弧稳定燃烧的示意图，图中E为电弧。
具体实施例方式具体实施方式
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 ；使激光束3的光轴与TIG焊枪2的中轴线形成30° 60°的夹角β，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。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0的沿焊接方向A的后方。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，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。
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。
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。
具体实施方式
四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Ims 10ms。其它与实施方式一、二或三相同。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。
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。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。
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30° 60°。其它与实施方式一、二、三、 四或五相同。
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。
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 51/min 301/min。
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 101/min。其它与实施方式七相同。
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、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. Om/min。其它与实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。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。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。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。
权利要求
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O)的中轴线垂直于待焊接件(1)的待焊接表面，并使 TIG焊枪⑵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O)的中轴线形成30° 60°的夹角β，并使激光束(3)在待焊接表面的入射点在TIG焊枪O)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C3)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C3)在待焊接表面的入射点在TIG焊枪O)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(X)2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Ims 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O)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体引燃TIG电弧的方法，其特征在于所述 TIG焊枪O)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⑵的焊接电流为30A 200A，TIG焊枪⑵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51/min 301/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101/min。
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. Om/min。
全文摘要
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β，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。
文档编号B23K26/04GK102151944SQ20111002647
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者冯杰才, 李颖, 陈彦宾, 雷正龙 申请人:哈尔滨工业大学