CN102941412A

CN102941412A - 一种激光焊接焊缝孔洞控制方法及装置

Info

Publication number: CN102941412A
Application number: CN2012103900686A
Authority: CN
Inventors: 王春明; 陈志春; 胡席远; 王军
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2013-02-27

Abstract

本发明公开了一种激光焊接焊缝孔洞控制方法及其装置，方法是在激光焊接过程中，采用吸气的方式将匙孔内部的蒸汽吸走，保证匙孔的通畅。装置包括一套吸气装置，该吸气装置工作时通过管道与气管的连接，并固定在激光头上，将气管的吸嘴对准焊缝的上方。本发明能够有效的解决激光深熔焊过程中的孔洞问题。且适合多种材料，不同板厚，不同接头形式的激光焊接，尤其对厚板，夹层板，表面涂层板的孔洞控制有很好的效果。装置简单易实现，成本很低，总之，本发明只需要调整好气管的吸嘴与焊缝的相对位置就可以方便的应用在生产中且能起到非常好的效果。

Description

一种激光焊接焊缝孔洞控制方法及装置

技术领域

本发明属于激光焊接技术，涉及一种激光焊接过程中焊缝缺陷的控制方法及装置，更具体的说是涉及焊缝内部孔洞的控制。

背景技术

激光焊接是材料加工领域应用得愈来愈广泛的先进加工方法之一，与其他焊接技术相比，激光焊接技术有着高功率，高速度，高深宽比，窄的热影响区且柔性好，便于生产过程中的自动化控制，适用于多种材料之间的连接，因此，在航天、汽车、钢铁等行业有着广泛的应用。但是由于激光焊接的特点，能量密度高，冷却速度快，激光深熔焊过程中的匙孔内蒸汽的暴沸和不稳定现象，以及焊接夹层板时，表面的氧化物的影响，导致焊接过程中极易产生孔洞等焊接缺陷，大大的降低了焊缝的质量和可靠性。因此，激光深熔焊过程中，控制和减少焊接过程中的孔洞是需要解决的一大问题。

激光焊接过程中的匙孔效应：激光深熔焊接是一个十分复杂的过程，匙孔和等离子体的形成，匙孔内材料蒸汽和熔池内液态材料的流动、匙孔的稳定性、熔池表面的变形以及各种焊接工艺参数对焊接质量都有很大的影响。在上述激光深熔焊接所涉及的各个方面中，匙孔效应是关键，也是激光深熔焊接研究的热点和难点，更为重要的是匙孔效应在激光深熔焊接过程中的作用是巨大的。当激光功率密度达到10⁶-10⁷W/cm²时，激光输入速率远远大于热传导、对流、及辐射散热的速率，材料表面发生熔化和气化而形成匙孔，孔内的金属蒸汽压与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔直接射到孔底，产生匙孔效应。匙孔的作用和黑体一样，能将射入的激光完全吸收。在孔内存在着四种力量的相互作用，金属蒸汽的压力，四周液体的重力，表面张力以及材料流动的流体静压力，正是这几种力的作用保证匙孔的稳定存在。一旦焊接过程中受到外来干扰或材料内部条件的影响，匙孔就会崩塌，闭合而形成孔洞，即使在正常条件下，由于匙孔四周的液体金属填满匙孔的时候，金属蒸汽来不及快速逃逸而被封在匙孔内，导致往往不能完全填满而形成大的孔洞。尤其是当激光焊接厚板，夹层板或涂层板时，由于焊接这些材料过程中，匙孔会更加的不稳定，加上外来气体对匙孔的扰动作用，更容易使匙孔闭合，形成大的空腔，从而出现孔洞缺陷。

激光焊接过程中，通过改变侧吹气流大小、种类，以及功率、速度等其他工艺参数能够起到一定的减少孔洞缺陷的作用。也有人焊接时通过控制间隙，错边量来减少焊缝中孔洞的数量和尺寸，其他方法比如对材料的预先处理，激光复合焊时采用特殊的焊丝等，这些方法能够一定程度上减少激光焊接过程中的孔洞，但均增加了工艺和操作的复杂性，且有些方法在生产实践中难以实施。

当激光焊接厚板或者夹层板或者涂层材料时，匙孔内部的高温高压金属蒸汽以及夹层中间的氧化皮，涂层材料的汽化容易造成匙孔的闭合和崩塌，这样就容易形成焊缝内部不规则的大的孔洞。如何让匙孔内部的金属蒸汽或者外来蒸汽高速地，有方向性地逸出，从而保证匙孔焊接过程中的稳定性是控制和消除焊缝内部孔洞的关键方法。因此，本发明旨在提出一种能够快速导走焊接过程中匙孔内部蒸汽的方法。

发明内容

本发明针对激光深熔焊接的过程中的匙孔效应，要解决的技术问题是焊接过程中由于匙孔效应带来的焊缝内部的孔洞缺陷，提出了一种激光焊接焊缝孔洞控制方法及装置。

本发明提供的一种激光焊接焊缝孔洞控制方法，其特征在于，在激光焊接过程中，采用吸气的方式将匙孔内部的蒸汽吸走，保证匙孔的通畅。

吸气可以采用侧吸式、同轴式和底吸式吸气。

本发明提供的实现激光焊接焊缝孔洞控制方法的装置，其特征在于，它包括一套吸气装置，该吸气装置工作时通过管道与气管的连接，并固定在激光头上，将气管的吸嘴对准焊缝的上方。

本发明通过在激光焊接过程中，采用一套额外的吸气的装置，外接抽气泵或者真空泵、吸气泵的方法通过气管迅速将匙孔内部的高温高压的蒸汽吸走，保证匙孔的通畅性，也能起到一种对其他气体和夹杂物的导向和牵引的作用，使焊接过程中产生的气体迅速逃逸出焊缝内部而避免形成孔洞。基于吸气方式的激光焊接过程中孔洞的控制和消除的措施，在传统的激光焊接方式上，将吹气的装置改为吸气的装置，即外加一套吸气装置，真空泵、抽气泵或者吸气泵，通过管道与气管的连接固定在激光头上，将气管端部也即吸嘴对准焊缝的上方，固定在激光头上保证焊接过程中与光束同时移动，通过调节气管的位置，角度，保证气管的吸嘴处于匙孔的正上方，边焊接边对着匙孔吸气，气管的吸嘴可以做成各种形状，比如圆口、扁口、带U型槽口、锥形口、喇叭口等。气管后面的吸气装置，可调节吸力的大小，保证气管的吸嘴处的吸力大小刚好合适。该方法的优点在于：

1、能够有效的解决激光深熔焊过程中的孔洞问题。且适合多种材料，不同板厚，不同接头形式的激光焊接，尤其对厚板，夹层板，表面涂层板的孔洞控制有很好的效果。

2、该方法简单易实现，成本很低，气管的吸嘴可以做成任何形状固定在任何型号激光器的激光头上，同激光光束保持同步。

3、气管的吸嘴可以从任何一个角度作用在焊缝上，可与激光器同轴吸，可大角度吸，可小角度吸，也可平吸，甚至还可以在焊缝底面吸。总之，该方法只需要调整好气管的吸嘴与焊缝的相对位置就可以方便的应用在生产中且能起到非常好的效果。

附图说明

图1是气管，激光头、吸气装置的装配示意图；

图2是具体实施方法一，侧吸式吸气，气管的吸嘴与光束、工件的位置示意图；

图3是具体实施方法二，同轴式吸气，气管的吸嘴与光束、工件的位置示意图；

图4是具体实施方法三，底吸式吸气，气管的吸嘴与光束、工件的位置示意图；

图5是侧吸时激光焊接过程中匙孔、熔池示意图。

具体实施方式

将激光焊接过程中的辅助吹气装置替换为吸气装置，就可以实现吸气的方法，即外接一个吸气装置，可以使抽气泵，也可以是真空泵。将吸气装置通过管道与气管（如铜管等耐高温材料管）连接，然后将气管固定在激光头上，调节气管的位置和角度，保证气管的吸嘴对准光束焦点的位置，焊接过程中，打开吸气装置的开关，调节吸力的大小，即可在焊接中实现边焊接边吸气的方法。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

典型的三种实施方式如下图所述。

图1所示为气管4、激光头和吸气装置的装配示意图。如图所示，工件1以及工件上焊接时形成的熔池。转接板9，通过螺栓与螺母固定在激光头上2，激光头上钻有不同位置的安装孔，转接板可根据需要安装在不同的位置。转接板上开有较长的双导轨，可安装调节台或其他零件。调节台5，它通过螺钉螺母安装在连接板的导轨槽上，调节台用来保证气管4的位置和角度。气管4固定在调节台上，其尾部连接吸气装置6，气管4根据需要可设计成不同的形状，安装在工件的不同位置。本图中所示为大角度侧吹方式的连接，气管4的吸嘴应该对准光束3及其焦点位置。吸气装置6上有控制开关和调节吸力大小的按钮8。

图2所示为侧吸气时，气管4与激光束，工件的相对位置示意图，气管4在此方式中做成弯曲的形状，方便焊接过程中大角度入射，气管4端部所指的位置和光束3的焦点重合，焊接方向为激光在前。气管4通过调节台固定，与吸气装置管道连接。侧吸气时，焊接方向与气嘴的位置可以在一个平面也可以不在一个平面内。如果气管4和焊接方向不在一个平面内的话，可以避免吸气时，气管的吸嘴会影响到匙孔周边的液态金属，图中将焊接方向改为垂直纸面的方面即可保证吸气时气管的吸嘴与焊接方面垂直。

图3所示为同轴吸气时的装置示意图，在激光头2上安装一个与光束3同轴的双层空心圆锥台形状的同轴气流通道，气流从同轴气流通道12中间通过，即两层管道之间的夹层。然后经吸气装置的管道7通向抽气泵或者真空泵。图中箭头所指的方向11为吸气时通道内部的气流方向。同轴气流通道顶部为封闭的，底部不闭合，通过外壁上孔洞与激光头之间螺栓连接固定在激光头上。

图4所示为底吸气时的装置示意图，该方式关键是底部气嘴的位置，必须对准匙孔的底部，即图中光束3中心线的延长线的方向，安装气管4时，先在工件外使气管4做成图中所示的形状然后对准光束3的焦点位置，再通过移动激光头，将气管4端部移至工件底部，保证位置的准确性。其他装配同侧吸气时的方式。图中10表示焊接方向为垂直纸面的方向。

图5所示为焊接过程中匙孔和熔池的示意图。气管4在此实施方式中做成弯曲形状。1、14、15分别表示固态的工件，呈液态的熔池和激光深熔焊过程中的匙孔。图中熔池内部的箭头表示焊接过程中熔池内的气体，夹杂物通过熔池过渡到匙孔内部。13表示由于气管4吸气的作用，使得匙孔内部的金属蒸汽，匙孔端部的等离子体均会朝向气管的吸嘴的方向。10表示此图所示的焊接方向。此图解释了该方法之所以能够抑制激光焊接过程中孔洞的原因。当不加吸气时，匙孔内部充满着高温高压的金属蒸汽，一方面此蒸汽太过激烈容易造成匙孔的失稳状态，从而导致匙孔封闭产生孔洞缺陷;另一方面，匙孔内部温度和压强较高，使得熔池内部的气体，外来夹杂物无法快速的通过匙孔逸出而留在熔池内部，也会形成孔洞。而当采用吸气时，一是由于外部吸力的作用，会使得匙孔内部的高温高压金属蒸汽迅速离开匙孔，从而保证了匙孔内部的通畅性，降低了匙孔闭合的可能性，二是由于吸力的作用，外来的气体，夹杂物也会迅速过渡到匙孔内部，然后通过匙孔快速的逃逸出熔池而不会停留在熔池内产生缺陷。

本发明过程中，针对不同的板厚，材料，穿透焊和非穿透焊，采用吸气的方法时应适当调整激光功率，焊接速度与吸气的大小和位置。吸力太大，会导致整个焊接熔池受到影响，造成液态金属流失，熔池凹陷的厉害，吸力过小，又不能够迅速导走气体，到不到控制孔洞的效果。同样，吸气时气管的吸嘴的位置也非常重要，应保证它的位置处于小孔的上方而不是对着熔池的尾部。针对图2所示的侧吸气时的一些参数加以说明，激光器为4000w的光纤激光器，试验材料为表面镀层的材料，厚度为0.8mm,接头形式为搭接。试验中为保证穿透焊，采用功率为3.0kw,速度2m/min。试验装置如图2示意图所示，激光头的偏角范围是-15°-15°，气管4弯曲成大角度吸气，此角度需保证与光束基本平行，使气管4的吸嘴对准小孔。气管4的吸嘴距离工件的垂直高度范围在2-12mm,可根据实际焊接条件调整，距离越近，应适当降低吸力，反之增大吸力。当我们采用此种工艺条件时，可以消除由于镀层蒸汽引起的焊缝孔洞缺陷。

当然，实际中也并非一定得按照本实验所采用几种的吸气方法，此吸气方法同样适合于其他类型的激光器。本发明中气管4的位置、角度与材料的种类、厚度、有无涂层以及激光头的偏角有很大关系。侧吸气或者其他吸气方式中也可采用其他的工艺参数，并不局限于上述说明中的工艺参数。对于易产生孔洞缺陷的材料，厚度大的材料或者有涂层的材料，应增加吸力大小，由于吸气装置的原因，吸力大小与吸气装置的种类，密封度，管道口径等因素有关，所以本发明没有具体给出吸力大小的数值。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1. 一种激光焊接焊缝孔洞控制方法，其特征在于，在激光焊接过程中，采用吸气的方式将匙孔内部的蒸汽吸走，保证匙孔的通畅。

2.一种实现权利要求1所述激光焊接焊缝孔洞控制方法，其特征在于，吸气采用侧吸式吸气，即吸气方向与焊接用的激光光束不同轴。

3.一种实现权利要求1所述激光焊接焊缝孔洞控制方法，其特征在于，吸气采用同轴式吸气，即吸气方向与焊接用的激光光束同轴。

4.一种实现权利要求1所述激光焊接焊缝孔洞控制方法，其特征在于，吸气采用底吸式吸气，即对准匙孔的底部吸气。

5.一种实现权利要求1所述激光焊接焊缝孔洞控制方法的装置，其特征在于，它包括一套吸气装置，该吸气装置工作时通过管道与气管的连接，并固定在激光头上，将气管的吸嘴对准焊缝的上方。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述吸气装置为真空泵或者抽气泵或者吸气泵。

7.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，气管的吸嘴为圆口、扁口、带U型槽口、锥形口或喇叭口。

8.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，气管的吸嘴与激光束同轴。

9.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，气管的吸嘴与激光束不同轴。

10.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，气管的吸嘴对准匙孔的底部。