技术领域
[0001] 本
发明涉及一种焊接方法,属于激光材料加工技术领域,尤其涉及一种激光能量调制焊接方法。
背景技术
[0002] 与传统的焊接技术相比,
激光焊接具有能量
密度高、焊接速度快、
焊缝深宽比大、接头性能好等显著的优点,被认为是焊接领域中最具活
力的连接技术之一,已被广泛应用于核电、海洋、国防等领域。近年来,随着这些领域的快速发展,
对焊接厚度、
质量等方面均提出了更高的要求。例如,
核反应堆的一些待焊部件厚度超过了100mm,采用激光焊接技术已面临新的挑战。目前,可行的方法包括
电弧窄间隙多层填充焊、激光窄间隙多层填充焊及激光-电弧窄间隙多层填充焊,但此类方法存在重复加热、
变形大、小孔型气孔多和
侧壁未熔合
缺陷难控制等难题。如果激光功率足够大,采用激光穿透焊的方式可能会克服上述难题。
[0003] 近年来,得益于工业激光技术的突破,特别是光纤激光技术的突破,其最大稳定输出功率已可达100kW,这使得核电、海洋、国防等领域厚板的穿透高质焊接成为可能。例如,日本科学家采用50kW光纤激光,在低
真空下实现了100mm厚不锈
钢板的穿透焊接。然而,激光的功率太高又引入了新的问题:即使针对
焊接性能优良的
不锈钢,其穿透焊接过程也极不稳定。湖南大学采用10kW光纤激光焊接厚板不锈钢,发现焊接过程中
蒸发和飞溅非常剧烈,且存在焊件变形、焊缝凹陷和焊缝底部下榻严重等焊接缺陷。
[0004] 激光焊接的物理本质是基于熔池中的深熔小孔实现激光光能到熔池
热能的光热转化。激光焊接中材料的剧烈蒸发和飞溅、焊件变形、焊缝表面凹陷及焊缝底部下榻等缺陷,均与焊接过程中激光能量输入过大(导致熔池处于
过热状态)有关。一方面,为了获得更大的穿透深度,需要提高激光的功率和降低焊接速度;另一方面,提高激光功率和降低焊接速度以后,又存在能量输入过大导致的熔池过热问题。因此,在激光焊接中,需要对输入的激光能量实行调制,达到即不影响穿透深度,又抑制熔池能量过高引入的负面影响。
[0005] 激光焊接厚板中,深熔小孔的形成过程非常迅速(见图2),小孔的快速形成时间Tg(即孔深从快速增加过程转变为缓慢增加过程的拐点时间)小于焊接特征时间Tc(Tc为光斑直径除以焊接速度)。因此,在Tc内,设置前0~Tg内激光功率恒定,可基本不影响熔深;而在Tg~Tc内降低激光功率(该时间内激光功率对熔深几乎没有贡献,反而导致熔池处于过热状态),可降低熔池中输入的激光能量。如此周而复始的进行能量调制焊接,可明显降低激光输入能量,几乎不影响熔深,显著降低焊件变形;另外,还可使生产过程更绿色环保。
[0006] 本方法在焊接过程中周期性地调制输入的激光能量,在几乎不影响熔深的情况下,通过降低熔池中输入的能量,降低激光焊接中由于能量输入过大而引入的蒸发和飞溅剧烈、焊接过程
稳定性差、焊件变形严重等负面影响。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种激光能量调制焊接方法,适用于金属材料和非金属材料的激光焊接。
[0008] 所述的激光能量调制焊接方法,其特征在于:焊接时,激光光斑作用于
工件表面,其功率按一定的调制
频率进行调制焊接。
[0009] 所述的激光能量调制焊接方法,主要工艺参数为激光输出恒定功率时间t1与激光输出调制功率时间t2交替出现,交替频率为10~500Hz;t1为Tg~Tc,t2为Tc-t1~5Tc;t2时间段内激光的功率为零瓦至P(P为t1时间段的恒定功率)。
[0010] 其中Tg为深熔小孔从快速形成过程转变为慢速形成过程的拐点时间,Tc为作用于
板面的光斑直径除以焊接速度。
[0011] 本发明的有益效果是,在最佳调制的工艺参数下焊接时,大幅度的减少熔池中激光输入的能量,焊接深度几乎不变,焊件变形大幅度减小,
焊接飞溅明显减少,焊缝成形改善明显,焊接
制造过程更绿色环保。
附图说明
[0012] 图1为激光能量调制焊接示意图;
[0013] 图2为未调制焊接熔深随时间的变化规律及焊缝纵向图;
[0015] 图4为
实施例得到的焊缝横截面及能量耦合比例;
[0016] 图中,1.待焊工件,2.深熔小孔,3.
激光束,4.聚焦镜,5.传输光路,6.
激光器,7.数据线,8.电脑,9.保护气
喷嘴,10.熔池及焊缝。
具体实施方式
[0017] 下面结合实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
[0018] 实施例1
[0019] 采用IPG YLS 6kW光纤激光(光斑直径0.33mm,零离焦)变化速度进行焊接,熔深随焊接时间的变化规律及焊缝纵向形貌见图2,低速时小孔快速形成过程到缓慢形成过程的拐点时间约为6ms(该时间与激光参数和材料物理特性有关,低速时粗略估算可为焊接特征时间的一半),板材向右运动,焊接初始
位置的熔深形成过程非常迅速。
[0020] 以2m/min速度焊接为例,焊接特征时间Tc约为10ms。可见焊接特征时间的前6ms小孔已基本形成,后4ms激光输出能量对熔深几乎没有影响。针对该参数,分别采用6:4(前6ms输出激光能量,后4ms激光功率为零,交替频率为100Hz)、8:2(前8ms输出激光能量,后2ms激光功率为零,交替频率为100Hz)和10:0(即激光能量未调制)三种激光能量调制方式(激光功率在t2时间段的波形为“台阶”型,见图3(a)),在同一
块低
碳钢板材上进行能量调制焊接实验。结果表明这三种能量调制方式几乎不影响焊接熔深(见图4)。而采用6:4调制焊接时,减少了40%的激光输入能量。考虑到激光的能量转换效率低于30%,且多余的热量还需额外能量
支撑的
水冷系统散出,采用该方法实际降低的能耗会非常高。此外,通过调制激光能量的方式降低熔池中输入的激光能量,将显著地降低熔池的过热状态,提高焊接过程的稳定性。
[0021] 以下实施例均达到近似的效果,并且比实施例1更好,更为大地降低了能耗。
[0022] 实施例2
[0023] 一种激光能量调制焊接方法,包括以下步骤:
[0024] 1)将激光束作用于待焊板材,采用惰性气体保护焊接熔池;
[0025] 2)激光输出功率的调制波形采用“\”型,见图3(b)所示。即t1时间段激光功率恒定为P,而t2时间段激光的功率自P开始,线性减小至0W;
[0026] 实施例3
[0027] 一种激光能量调制焊接方法,包括以下步骤:
[0028] 1)将激光束作用于待焊板材,采用惰性气体保护焊接熔池;
[0029] 2)激光输出功率的调制波形采用“V”型,见图3(c)所示。即t1时间段激光功率恒定为P,而t2时间段激光功率的变化波形采用“V”型;
[0030] 实施例4
[0031] 一种激光能量调制焊接方法,包括以下步骤:
[0032] 1)将激光束作用于待焊板材,采用惰性气体保护焊接熔池;
[0033] 2)激光输出功率的调制波形采用“U”型,见图3(d)所示。即t1时间段激光功率恒定为P,而t2时间段激光功率的变化波形采用“U”型;
[0034] 以上所述,仅为本发明的几种具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以
权利要求书的保护范围为准。