CN102886606A - 一种激光再制造金属薄板焊接件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种激光再制造金属薄板焊接件的方法和装置，涉及特种加工领域。本发明首先采用连续激光重熔裂纹及附近区域将裂纹封闭，然后将薄板焊接件接头处表面加热升温到动态应变时效温度区域，采用激光双面冲击的方法对薄板焊接件接头处表面进行激光冲击强化。本发明能够复合强化和再制造薄板焊接件，闭合焊缝表面的裂纹和清除焊缝内部气孔，提高薄板焊接件接头的抗拉强度，增加其使用寿命。

Description

一种激光再制造金属薄板焊接件的方法和装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指一种在动态应变时效温度条件下激光双面冲击强化激光重熔薄板焊接件接头的方法和装置，适用于薄板焊接件再制造、强化和延寿领域，如钣金件焊接件再制造和表面强化。

背景技术

铝合金由于密度小、无磁性、热导率和强度高，以及良好的成型性、低温性能、耐腐蚀性能等被广泛应用于各种焊接结构中；合金元素多、组织结构复杂多变的铝合金对焊接技术和设备的要求越来越高，焊接件接头性能的好坏，与工程应用的安全性和可靠性有着直接的关系，国内外对铝合金的焊接做了大量的研究工作，其焊接性、焊接材料及焊接工艺的研究几乎与母材的研究同步，从而促进了铝合金焊接技术的发展，在许多焊接结构中，焊缝及热影响区因再结晶或回火软化后力学性能一般比母材差，属薄弱环节，常常通过焊后热处理或应变硬化得以强化。

焊后热处理会破坏整个焊缝的焊接质量以及导致高幅残余拉应力，直接导致焊接件的断裂失效，提高焊缝热影响区强度很好的替代方法是应变硬化，如对焊缝进行滚压或机械喷丸，而这些工艺在一些复杂结构中并不实用或不理想，采用激光重熔方法修复薄板焊接件接头处裂纹，然后再进行接头表面激光冲击强化处理，可以大大提高焊接件接头机械性能，焊接结构的疲劳强度，在很大程度上决定于构件中的应力集中情况，不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷(如未焊透、咬边等)是产生应力集中的主要原因，除此之外，焊接结构自身的一些特点，如接头性能的不均匀性，焊接残余应力等，都对焊接结构疲劳强度有影响，铝合金焊接结构在重复外力作用下，往往发生疲劳断裂，疲劳破坏过程一般很难觉察到，因此疲劳断裂具有很大的危险性，有数据表明，铝合金焊接构件中90%的断裂是由于焊接接头处的疲劳破坏引起的，因此，铝合金焊接接头的疲劳性能受到设计及使用单位越来越广泛的关注，研究铝合金焊接接头的疲劳断裂特性，分析产生疲劳断裂危害的因素，估算焊接接头的疲劳寿命，是提高和继续发展铝合金焊接结构的重要课题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种激光再制造金属薄板焊接件接头的方法，即先采用毫秒连续激光束重熔闭合焊接件的裂纹区域，再在动态应变时效温度条件下采用双面纳秒脉冲激光束同时冲击重熔区域，从而提高接头的机械性能。

本发明采用的方案为，首先利用裂纹检测仪检测金属薄板焊接件接头表面的裂纹，利用连续激光对裂纹进行重熔修复，然后将修复后的薄板焊接件接头表面进行打磨抛光处理；再在薄板焊接件上下表面粘附吸收层，采用工件夹具将薄板焊接件固定在真空箱中进行加热，使其温度上升至金属动态应变时效温度区域，采用脉冲激光双面同时冲击薄焊接件接头上下两表面，在高能冲击力作用下，冲击区域的金属表层产生严重塑性变形并且内部微观组织结构发生演变，最终导致焊接件接头处表层晶粒细化，并在冲击区域诱导高幅残余压应力，从而提高接头处的机械性能；本发明的创造性在于激光重熔闭合焊接件接头处裂纹后，在动态应变时效温度区域利用激光冲击焊接件接头导致接头处金属表层产生塑性变形，最终导致表层金属晶粒细化，达到复合强化和再制造焊接件接头的效果。

本发明所述的连续激光参数为：脉宽为50μs- 20 ms，功率为1-5 kW，光斑直径2-10 mm，搭接率为50%；脉冲激光参数范围为：脉宽8-30 ns，重复频率为1-100 Hz，脉冲能量为1-20 J，光斑大小为3-10 mm。

实施该方法的装置包括控制系统、激光器、真空箱、裂纹检测仪、表面轮廓监测仪、工件夹具、薄板焊接件、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、激光发射头Ⅰ、激光发射头Ⅱ和五轴联动工作台， 真空箱位于五轴工作台上由真空箱夹具固定，真空箱顶端和底端中间均设有上透视窗和下透视窗、真空箱内设有加热板、用于测量薄板焊接件温度的温度传感器和液位计，真空箱一侧设有加液阀门和排液阀门，真空箱顶端一侧设有抽真空阀门，真空箱内部四周设有隔热层，当真空箱内焊接接头的温度处于金属动态应变时效温度时，加热板停止加热，薄板焊接件被固定在真空箱内部底座上，薄板焊接件上依次设有吸收层和约束层；用耐高温密封胶带将吸收层与薄板焊接件密封并用工件夹具固定；表面轮廓监测仪和裂纹检测仪安装在真空箱上透视窗上方；激光器发出的连续激光由激光发射头Ⅰ通过上透视窗照射在薄板焊接件上表面；；激光器发出的脉冲激光一路由激光发射头Ⅰ通过上透视窗照射在薄板焊接件上表面，另一路经反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、激光发射头Ⅱ通过下透视窗照射在薄板焊接件下表面。

所述一种激光再制造金属焊接件接头表面的装置，其特征在于：所述吸收层可为美国3M公司的铝箔，其厚度为0.3 mm，所述约束层可用710型高温硅油，利用液位计监测焊接件上表面约束层的厚度，通过加液阀门和排液阀门来控制焊接件上表面的约束层厚度为1-2mm；所述支撑焊接件的底座为厚度可调的调节板，控制焊接件下表面与下透视窗的距离为1-2 mm，保证焊接件下表面的约束层厚度。

所述一种激光再制造金属焊接件接头表面的装置，其特征在于：真空箱有上透视窗和下透视窗，上透视窗能够开闭，下透视窗被固定在真空箱上，上、下透视窗周围均采用密封胶密封。

本发明专利最明显的特征在于将薄板焊接件加热到动态应变时效温度，提高薄板焊接件内部的位错活动速率，导致焊缝区域的位错运动加剧，晶粒细化更加明显，从而提高激光冲击的影响深度。

本发明专利的特征还在于控制系统能够并行控制激光器、加热板、五轴工作台和工件夹具，控制激光束(毫秒连续激光束和纳秒脉冲激光束)和加工点的相对位置，实时接受表面轮廓监测仪和裂纹检测仪反馈的信息，并根据这些信息进行下一步的处理。

激光再制造金属薄板焊接件接头强化方法具体步骤如下：

1 将焊接件固定在真空箱底部，盖上上透视窗，将真空箱抽至真空，采用裂纹检测仪检测金属薄板焊接件接头处的裂纹，然后通过控制系统控制激光器激发重熔激光束聚焦在焊接裂纹表面，采用毫秒连续激光束瞬间照射裂纹处，使裂纹区域重熔并闭合裂纹。

2将薄板焊接件取出，磨平抛光激光重熔区域后，在接头上下两表面均粘附吸收层，边缘采用耐高温密封胶带密封，采用工件夹具将薄板焊接件固定在真空箱底部，薄板焊接件接头下表面对准真空箱下透视窗，使激光器激发的纳秒脉冲激光束可以透过真空箱下透视窗冲击强化薄板焊接件接头下表面。向真空箱中注入710型高温硅油，使油面高出焊接件上表面1-2 mm，关闭真空箱上透视窗，将真空箱抽至真空，先预热薄板焊接件，将温度提高到动态应变时效温度；利用控制系统控制加热板，对真空箱中内部环境加热，通过温度传感器将数据反馈给控制系统，从而控制箱内温度，将薄板焊接件加热到动态时效温度区域。

3 根据薄板焊接件的厚度和材料特性设置连续激光参数，采用双面脉冲激光同时冲击激光重熔区域。

4 通过表面轮廓监测仪反馈系统，测量冲击过程中表面的变形量，把信息反馈给控制系统，根据反馈信息调节激光冲击工艺参数，实现金属薄板焊接件的再制造。

本发明具有以下优势：

1 在动态应变时效温度下，微观结构运动加快(如位错运动)，激光诱发高能冲击波冲击焊接件接头导致薄板焊接件接头表面和内部塑性变形剧烈，同时金属材料会产生动态蠕动，焊缝中的气孔会在金属材料动态蠕动的作用下逐渐消失。

2激光冲击波的压力峰值超过板料动态屈服强度极限，激光冲击波作用区域板料的表层发生局部微观的塑性变形，阻挡了材料在激光冲击过程中发生弹性变形部分的回复，于是在材料表层产生了残余压应力，由于残余压应力的存在打破了板料内部原有力系的平衡，形成了在板料厚度方向上不均匀的应力分布，从而产生使板料弯曲变形趋势的弯矩。采用两面同时激光冲击的方法，可以抑制薄板焊接件单向弯曲变形。

3 将金属薄板焊接件加热到动态应变时效温度，再采用脉冲激光双面同时冲击焊接件接头区域，动态应变时效中发生的溶质原子与位错的交互作用形成均匀分布、高密度的位错组态，从而更有效细化重熔区域的晶粒，提高焊缝区域的机械性能。

附图说明

图1为薄板焊接件接头处示意图；

图2为钨极氩弧焊接装置示意图；

图3为激光再制造金属薄板焊接件装置示意图；

图4为真空箱内装置示意图；

图5为激光冲击强化前薄板焊接件各部分示意图；

图6为激光冲击前后焊接件焊缝区域截面SEM照片；

图7为激光冲击强化前后薄板焊接件抗拉强度对比图；

图1和图2中，Ⅰ焊缝区，Ⅱ熔合区，Ⅲ热影响区，Ⅳ母材，ⅤM55TIG焊丝，Ⅵ氩气流，Ⅶ喷嘴，Ⅷ绝缘套，Ⅸ导电嘴，Ⅹ钨级，Ⅺ进气管；

图3，4，5中，1控制系统，2激光器，3真空箱夹具，4表面轮廓监测仪，5连续激光束，6脉冲激光束，7激光发射头Ⅰ，8裂纹检测仪，9反射镜Ⅰ，10真空箱，11五轴联动工作台，12激光发射头Ⅱ，13反射镜Ⅱ，14加热板，15隔热层，16抽真空阀门，17下透视窗，18上透视窗，19工件夹具，20温度传感器，21液位计，22加液阀门，23排液阀门，24耐高温密封胶带，25吸收层，26薄板焊接件，27约束层，28底座。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出具体装置的细节和工作情况。

用本发明采用的装置包括控制系统1、激光器2、激光发射头Ⅰ7、激光发射头Ⅱ12、真空箱10、表面轮廓监测仪4、裂纹检测仪8和五轴联轴工作台11，真空箱10位于五轴工作台上11，在真空箱10设有上透视窗18和下透视窗17、真空箱10内设有加热板14、抽真空阀门16、加液阀门22、排液阀门23、隔热层15，薄板焊接件26上依次设有吸收层25、约束层27并用耐高温密封胶24将吸收层25与薄板焊接件26密封；用工件夹具19将薄板焊接件26固定在真空箱10内的底座28上，表面轮廓监测仪4安装在真空箱10的上透视窗18上方；控制系统1控制激光器2、加热板14、表面轮廓监测仪4和五轴联轴工作台11，并接受裂纹检测仪8反馈回来的信息。

按照重熔修复焊接件接头处裂纹的方法，用工件夹具19将薄板焊接件26固定在真空箱10底部，再将真空箱10固定在五轴联动工作台11上，采用裂纹检测仪8检测焊接接头表面裂纹，通过控制系统1控制五轴工作台11移动真空箱10，使连续激光束5聚焦在焊接件接头表面裂纹处，由控制系统1控制激光器2激发出的功率为1-5 kW的毫秒连续激光5重熔修复裂纹，再将修复过的焊接件表面打磨抛光。

按照冲击强化焊接件接头的方法，在焊接件上下表面放置吸收层25，再用耐高温密封胶带24将吸收层25与薄板焊接件26密封，打开真空箱的上透视窗18，将薄板焊接件26装夹在固定在真空箱10中的工件夹具19上，用工件夹具19将薄板焊接件26固定在真空箱10底部，再将真空箱10固定在五轴联动工作台11上，通过控制系统1控制五轴工作台11移动真空箱10，控制可控高度的底座28伸缩，使焊接件下表面与下透视窗17的间距为1-2 mm，通过真空箱10上的加液阀门22，向真空箱10内注作为激光冲击时约束层27的710型高温硅油，利用液位计21监测710型高温硅油的油面高度，通过加液阀门22和排液阀门23来控制焊接件26)表面的约束层27厚度为1-2mm。关闭真空箱10的上透视窗18，用气泵将连接真空箱10的抽真空阀门16，将真空箱10抽至真空。

由控制系统1控制激光器2激发出两束能量在12 J、持续时间为8-30 ns的脉冲激光束6，其中一束激光通过激光发射头Ⅰ7作用在薄板焊接件26的上表面，另外一束激光经过反射镜Ⅰ9和反射镜Ⅱ13反射进入激光发射头Ⅱ12，最终作用在薄板焊接件26的下表面；控制系统1可以控制激光发射头Ⅰ7和激光发射头Ⅱ12中凸透镜移动调节光斑大小；由表面轮廓监测仪4监测表面形貌，并把监测数据返回控制系统1，并通过控制系统1控制五轴联动工作台15的移动，调整经激光发射头Ⅰ7和激光发射头Ⅱ12的发出的激光束6和薄板焊接件26的相对位置；控制系统1还可根据表面轮廓监测仪4的信号确定下一步的冲击参数。

实施实例

本实施实例采用尺寸为200×100×10mm(长×宽×厚)的2219铝合金。采用钨极氩弧焊接的装置将两块2219铝合金薄板焊接成一体，如图2所示，焊接的接头形式为：对接、开坡口，接头间隙为0.2mm，选用M55TIG焊丝，焊接设备选择手工钨极氩弧焊，焊接电流选择150A，焊前将材料进行机械打磨去除氧化膜，考虑焊接设备精度和操作人员技术等因素，焊接件接头处有可能存在氧化，气孔，裂纹，未淬透，夹渣，脆化等几个方面的缺陷，都不同程度地降低焊缝的强度、塑性和抗蚀性等，如图6(a)所示，焊接件焊缝区域截面会有少量的气孔。

采用图3系统，检测铝合金薄板焊接件接头处裂纹，控制系统控制激光器激发毫秒连续激光重熔并修复裂纹，将修复过的焊接件表面打磨并抛光，在动态时效温度200℃条件下，采用图3系统激光双面冲击强化2219铝合金薄板试样焊接接头，2219铝合金薄板试样表面制备如图3所示，2219铝合金薄板试样上下表面均贴有吸收层3M铝箔，采用710型耐高温硅油作为约束层，确保油面高出2219铝合金薄板试样表面1-2 mm。

按照上述方法准备待冲击的2219铝合金薄板试样，用工件夹具将2219铝合金薄板试样固定在真空箱中，然后向真空箱中注710型高温硅油，待油面高于吸收层1-2 mm，关闭真空箱上透视窗，将箱内抽至真空；利用控制系统控制五轴联动工作台移动真空箱，进入冲击区域；利用控制系统启动加热板，温度传感器将真空箱内温度反馈给控制系统，从而通过控制真空箱内加热板的开闭控制真空箱内的温度；当温度达到200℃时，加热板进入保温模式以保证箱内温度维持在200℃左右；采用激光器对2219铝合金薄板试样表面进行激光冲击强化处理，由控制系统控制激光器激发出能量为12 J、持续时间为8-30 ns的脉冲激光束，光斑直径为3mm。

在动态应变时效温度下，高能脉冲激光束透过约束层辐照到吸收层上引起吸收层的汽化、电离形成冲击波，高能冲击波作用在2219铝合金薄板试样表面上，即是激光冲击波诱导2219铝合金表层发生塑性变形；通过控制五轴联动工作台控制2219铝合金薄板试样移动，采用50%搭接率搭接冲击的方式进行激光冲击，直至整个2219铝合金薄板试样接头表面冲击完成。

观察激光复合强化前后的2219铝合金薄板焊接件截面的形貌，如图6所示，激光复合强化前2219铝合金薄板焊接件截面会有少量气孔，强化后截面气孔全部消失，对激光复合强化前后的2219铝合金薄板焊接件进行拉伸试验，如图7所示，激光复合强化前后2219铝合金薄板焊接件的抗拉强度对比图。可以看出激光复合冲击强化后的抗拉强度大幅提高，从而增加了薄板焊接件的使用寿命。

Claims (5)

1.一种激光再制造金属薄板焊接件的方法，其特征在于：首先利用裂纹检测仪检测金属薄板焊接件接头表面的裂纹，利用连续激光对裂纹进行重熔修复，然后将修复后的薄板焊接件接头表面进行打磨抛光处理；再在薄板焊接件上下表面粘附吸收层，采用工件夹具将薄板焊接件固定在真空箱中进行加热，使其温度上升至金属动态应变时效温度区域，采用脉冲激光双面同时冲击薄焊接件接头上下两表面，在高能冲击力作用下，冲击区域的金属表层产生严重塑性变形并且内部微观组织结构发生演变，最终导致焊接件接头处表层晶粒细化，并在冲击区域诱导高幅残余压应力，从而提高接头处的机械性能。

2.如权利要求1所述的一种激光再制造金属薄板焊接件的方法，其特征在于：所述的连续激光参数为：脉宽为50μs- 20 ms，功率为1-5 kW，光斑直径2-10 mm，搭接率为50%；所述脉冲激光参数范围为：脉宽8-30 ns，重复频率为1-100 Hz，脉冲能量为1-20 J，光斑大小为3-10 mm。

3.如权利要求1所述的一种激光再制造金属薄板焊接件的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将焊接件固定在真空箱底部，盖上上透视窗，将真空箱抽至真空，采用裂纹检测仪检测金属薄板焊接件接头处的裂纹，然后通过控制系统控制激光器激发重熔激光束聚焦在焊接裂纹表面，采用毫秒连续激光束瞬间照射裂纹处，使裂纹区域重熔并闭合裂纹；

（2）将薄板焊接件取出，磨平抛光激光重熔区域后，在接头上下两表面均粘附吸收层，边缘采用耐高温密封胶带密封，采用工件夹具将薄板焊接件固定在真空箱底部，薄板焊接件接头下表面对准真空箱下透视窗，使激光器激发的纳秒脉冲激光束能够透过真空箱下透视窗冲击强化薄板焊接件接头下表面，向真空箱中注入710型高温硅油，使油面高出焊接件上表面1-2 mm，关闭真空箱上透视窗，将真空箱抽至真空，先预热薄板焊接件，将温度提高到动态应变时效温度；利用控制系统控制加热板，对真空箱中内部环境加热，通过温度传感器将数据反馈给控制系统，从而控制箱内温度，将薄板焊接件加热到动态时效温度区域；

（3）根据薄板焊接件的厚度和材料特性设置连续激光参数，采用双面脉冲激光同时冲击激光重熔区域；

（4） 通过表面轮廓监测仪反馈系统，测量冲击过程中表面的变形量，把信息反馈给控制系统，根据反馈信息调节激光冲击工艺参数，实现金属薄板焊接件的再制造。

4.一种激光再制造金属薄板焊接件的方法的装置，其特征在于：所述装置包括控制系统、激光器、真空箱、裂纹检测仪、表面轮廓监测仪、工件夹具、薄板焊接件、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、激光发射头Ⅰ、激光发射头Ⅱ和五轴联动工作台，真空箱位于五轴工作台上由真空箱夹具固定，真空箱顶端和底端中间均设有上透视窗和下透视窗、真空箱内设有加热板、用于测量薄板焊接件温度的温度传感器和液位计，真空箱一侧设有加液阀门和排液阀门，真空箱顶端一侧设有抽真空阀门，真空箱内部四周设有隔热层，当真空箱内焊接接头的温度处于金属动态应变时效温度时，加热板停止加热，薄板焊接件被固定在真空箱内部底座上，薄板焊接件上依次设有吸收层和约束层；用耐高温密封胶带将吸收层与薄板焊接件密封并用工件夹具固定；表面轮廓监测仪和裂纹检测仪安装在真空箱上透视窗上方；激光器发出的连续激光由激光发射头Ⅰ通过上透视窗照射在薄板焊接件上表面；；激光器发出的脉冲激光一路由激光发射头Ⅰ通过上透视窗照射在薄板焊接件上表面，另一路经反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、激光发射头Ⅱ通过下透视窗照射在薄板焊接件下表面。

5.如权利要求4所述的一种激光再制造金属薄板焊接件的方法的装置，其特征在于：所述吸收层为美国3M公司的铝箔，其厚度为0.3 mm，所述约束层为710型高温硅油，利用液位计监测焊接件上表面约束层的厚度，通过加液阀门和排液阀门来控制焊接件上表面的约束层厚度为1-2mm；所述支撑焊接件的底座为厚度可调的调节板，控制焊接件下表面与下透视窗的距离为1-2 mm，保证焊接件下表面的约束层厚度。

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