技术领域
[0001] 本
发明属于激光焊接技术领域，特别涉及一种减少焊接飞溅的光纤激光焊接方法。
背景技术
[0002] 激光深
熔焊接时，激光
辐射照度大于106W/cm2，材料在高
能量密度的
激光束作用下迅速
熔化、
汽化，形成激光小孔。由于小孔的存在，激光束能量能够深入到材料内部而形成深而窄的
焊缝，因此激光深熔焊接被认为是一种较为理想的焊接方法。
[0003] 作为新一代的激光，光纤激光具有较高的电光转换效率、较好的光束
质量以及较低的操作
费用等优点，光纤激光深熔焊接得到了越来越多的关注和应用。然而，焊接
缺陷的形成是光纤激光深熔焊主要的问题之一，其中焊接飞溅是一种主要的焊接缺陷。与CO2激光、Nd：YAG激光相比，光纤激光焊接飞溅倾向更大，程度更为严重。光纤激光焊接飞溅的产生可分为两类：一类是高焊接速度条件下(焊接速度一般高于3.0m/min)，激光小孔内金属
蒸汽向小孔开口处斜后方喷发而出，强大的作用
力致使小孔后方的熔池表面凸起，飞溅由凸起熔融金属脱离熔池而形成；另一类是较慢焊接速度条件下(焊接速度一般低于2.0m/min)，小孔内金属蒸汽喷发的作用力使小孔开口处前沿的熔池凸起，熔融金属脱离熔池，形成了飞溅。这两类光纤激光焊接飞溅的形成存在较大的差异。
现有技术中针对高速光纤激光焊接飞溅问题，开展了许多研究工作，分析了焊接飞溅的形成原因，并从保护气体(流量和方向)、工艺参数和熔池行为相互影响方面，提出了解决思路和方法。但是，目前尚未较好的解决较慢速光纤激光焊接飞溅问题，降低了焊接质量，限制了光纤激光焊接尤其是中厚板高功率光纤激光焊接的应用。因此，在中厚板高功率光纤激光焊接过程中，如何减少较慢焊接速度下的焊接飞溅成为亟待解决的问题。
[0004] 现有研究报道和
专利文献表明，激光功率三
角波脉冲调制主要用来解决激光深熔焊(多为CO2激光和Nd：YAG激光焊接)小孔型气孔问题。激光焊接过程中，通过对激光功率的三角波调制，改变了焊接熔池流动行为，从而减小了小孔型气孔倾向。目前，脉冲调制尤其是三角波脉冲调制对激光焊接飞溅的影响尚无公开的数据和报道。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种减少光纤激光焊接飞溅的方法，解决现有较慢速高功率光纤激光焊接飞溅的问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
[0007] 本发明提供一种减少焊接飞溅的光纤激光焊接方法，是将光纤激光功率调制成三角波脉冲，其中，脉冲
峰值功率5-10kW，基值功率2-4kW，脉冲
频率15-125Hz，三角波脉冲上升沿时间3-7ms。
[0008] 优选地，所述脉冲频率为60Hz。
[0009] 所述光纤激光功率的三角波脉冲的由以下函数式表示：
[0010]
[0011] 其中，Pmax为脉冲峰值功率；Pmin为基值功率；T为脉冲周期(T＝1/f)，f为脉冲频率；T0为三角波脉冲上升沿时间,P为功率，t为时间。
[0012] 所述方法应用于中厚板高功率较慢焊接速度的光纤激光焊接过程中，焊接速度0.5-2.0m/min。
[0013] 保护气体
喷嘴2与激光束轴线6之间的夹角3为40°-50°；保护气体喷嘴2与
工件5之间的距离4为10-20mm。
[0014] 该方法采用惰性气体氩或氦作为激
光保护气体，其中，氦气保护气体流量20-60L/min，氩气保护气体流量10-25L/min。
[0015] 被焊接板材的厚度为5-25mm。
[0016] 该方法通过提高激光小孔的
稳定性，减少焊接飞溅。
[0017] 本发明提供的光纤激光焊接方法用于减少焊接飞溅。
[0018] 用于中厚板高功率较慢焊接速度的光纤激光焊接，焊接速度0.5-2.0m/min。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0020] 本发明的光纤激光焊接采用三角波脉冲调制激光功率，并通过调整保护气体喷嘴与激光束之间的夹角度数、保护气体喷嘴与工件之间的距离，在较慢焊接速度0.5-2.0m/min条件下提高了激光小孔稳定性，激光小孔开口处前沿熔池凸起程度和频率显著降低，从而减少了因小孔开口处前沿熔池凸起而形成的焊接飞溅，使焊接质量得到了进一步提高。
附图说明
[0021] 图1为本发明的光纤激光焊接方法的焊接示意图；
[0022] 图2为本发明光纤激光功率调制成三角波脉冲；
[0023] 图3为未采用本发明方法的光纤激光焊接飞溅形成过程；
[0024] 图4为采用本发明光纤激光焊接方法的光纤焊接焊缝表面飞溅情况；
[0025] 图5为未采用本发明光纤激光焊接方法的光纤焊接焊缝表面飞溅情况；
[0026] 图6为采用与未采用本发明光纤激光焊接方法的光纤激光焊接条件下因飞溅引起的失重情况对比。
[0027] 其中的附图标记为：
[0028] 1 光纤激光
[0029] 2 保护气体喷嘴
[0030] 3 保护气体喷嘴与激光束轴线之间的夹角
[0031] 4 保护气体喷嘴与工件之间的距离
[0032] 5 工件
[0033] 6 激光束轴线
具体实施方式
[0034] 如图1所示，本发明使用光纤激光1焊接，保护气体喷嘴2与激光束轴线6之间的夹角3的度数为40°-50°，保护气体喷嘴2与工件5之间的距离4为10-20mm；焊接速度0.5-2.0m/min；保护气体喷嘴2喷出的激光保护气体为惰性气体(氩或氦)；其中，氦气保护气体流量20-60L/min，氩气保护气体流量10-25L/min。
[0035] 如图2所示，本发明将光纤激光功率调制成三角波脉冲，其中，脉冲峰值功率5-10kW，基值功率2-4kW，脉冲频率15-125Hz，三角波脉冲上升沿时间3-7ms。
[0036] 本发明的三角波脉冲的函数式如下：
[0037]
[0038] 其中，Pmax为脉冲峰值功率；Pmin为基值功率；T为脉冲周期(T＝1/f)，f为脉冲频率；T0为三角波脉冲上升沿时间，P为功率，t为时间。
[0039] 下面结合
实施例对本发明进行进一步说明。
[0040] 实施例1
[0041] 针对20mm厚600MPa级高强
钢，即工件5，采用本发明光纤激光焊接方法，其中光纤激光1的激光功率调制成三角波脉冲，脉冲峰值功率为7kW，基值功率3kW，脉冲频率15-125Hz，三角波脉冲上升沿时间5ms，氩气保护气体流量为15L/min，所采用的保护气体喷嘴与激光束轴线6之间的夹角3为45°，保护气体喷嘴2与工件5之间的距离4为15mm，焊接速度1.0m/min。当脉冲频率为15-125Hz时，光纤激光焊接焊缝表面附着的飞溅颗粒较少而小(如图4所示)，而对比方法功率未调制的光纤激光焊接方法，小孔内金属蒸汽喷发的作用力使小孔开口处前沿的熔池凸起，熔融金属脱离熔池，形成了大量飞溅(如图3所示)，其焊缝表面附着的飞溅颗粒多而大(如图5所示)。
[0042] 工件5失重情况(如图6所示)表明，功率未调制的光纤激光焊接因飞溅失重0.71g，而脉冲频率为15-125Hz时，三角波脉冲调制的光纤激光焊接失重显著减少，最佳频率为60Hz，失重仅为0.39g；另一方面，频率超出15-125Hz范围内时(例如10Hz或150Hz)，焊接飞溅严重程度上升，失重增大。因此，采用三角波脉冲调制，在合适的脉冲
频率范围内，光纤激光焊接飞溅大幅减少，失重显著降低。
[0043] 实施例2
[0044] 针对15mm厚低
碳钢，即工件5，采用本发明的光纤激光焊接方法，其中激光1的激光功率调制成三角波脉冲，脉冲峰值功率为7kW，基值功率3kW，脉冲频率60Hz，三角波脉冲上升沿时间5ms，氦气保护气体流量为45L/min，所采用的保护气体喷嘴2与激光束轴线6之间的夹角3为40°，保护气体喷嘴2与工件5之间的距离4为12mm，焊接速度1.0m/min。三角波脉冲调制的光纤激光焊接失重为0.29g，而对比方法功率未调制的光纤激光焊接方法，失重为0.53g。采用三角波脉冲调制，光纤激光焊接飞溅大幅减少，失重显著降低。
[0045] 实施例3
[0046] 针对12mm厚780MPa高强钢，即工件5，采用光纤激光焊接方法，其中激光1的激光功率调制成三角波脉冲，脉冲峰值功率为5kW，基值功率2kW，脉冲频率100Hz，三角波脉冲上升沿时间5ms，氩气保护气体2流量为10L/min，所采用的保护气体喷嘴2与激光束轴线6之间的夹角3为45°，保护气体喷嘴2与工件5之间的距离4为10mm，焊接速度0.5m/min。三角波脉冲调制的光纤激光焊接失重为0.42g，而对比方法功率未调制的光纤激光焊接方法，失重为0.65g。采用三角波脉冲调制，光纤激光焊接飞溅大幅减少，失重显著降低。
[0047] 实施例4
[0048] 针对25mm厚490MPa级低
碳钢，即工件5，采用光纤激光焊接方法，其中激光1的激光功率调制成三角波脉冲，脉冲峰值功率为10kW，基值功率4kW，脉冲频率30Hz，三角波脉冲上升沿时间5ms，氩气保护气体2流量为20L/min，所采用的保护气体喷嘴2与激光束轴线6之间的夹角3为50°，保护气体喷嘴2与工件5之间的距离4为20mm，焊接速度2.0m/min。三角波脉冲调制的光纤激光焊接失重为0.51g，而对比方法功率未调制的光纤激光焊接方法，失重为0.86g。采用三角波脉冲调制，光纤激光焊接飞溅大幅减少，失重显著降低。
[0049] 尽管本发明已对其优选实施方案进行了详细说明，但本领域技术人员仍可采取改变
激光器类型(例如叠片激光(Disk laser))等技术参数实施本发明，在不脱离本发明设计思想的范围内，可以进行各种
变形和
修改，这些变化均属于本发明的保护范围。
