CN103612011A - 一种提高光纤激光焊接焊缝熔深的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高光纤激光焊接焊缝熔深的方法，属于焊接技术领域。在光纤激光焊接过程中，通过改变保护气体成分实现焊缝熔深；即采用惰性气体和活性气体的混合气体作为保护气体，所述的混合气体包括：He-O2混合气体，其中O2比例为5%-20%；Ar-O2混合，其中O2比例为5%-20%；He-CO2混合气体，其中，CO2比例为10%-50%；Ar-CO2混合气体，其中CO2比例为10%-50%。优点在于，通过调整保护气体中活性气体的含量，增加了激光小孔的深度，提高了焊缝熔深。

Description

一种提高光纤激光焊接焊缝熔深的方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种提高光纤激光焊接焊缝熔深的方法。
背景技术
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，焊缝深宽比可达到10:1以上。激光深熔焊接是激光焊接典型代表，其与传统焊接方法比较，具有焊缝深宽比大，焊接速度快，热影响区窄，焊接变形小，焊接质量高，易于控制等优点。因此，激光深熔焊接被认为是一种较为理想的焊接方法，得到越来越多的重视和应用。
激光焊接的优势之一在于获得较大的焊缝熔深，与传统焊接方法相比，在同样的热输入下，激光焊接能够实现较大板厚材料的一道焊接成形。激光焊接往往采用惰性气体作为保护气体，其焊缝熔深主要取决于激光功率、焊接速度等，增加激光功率、减少焊接速度均可提高焊缝熔深，其原理是增加了焊接热输入，大热输入条件下激光小孔扩张，焊缝熔深增加。但是，激光功率存在一定限度（例如工业用光纤激光功率最大为20kW），不能无限制提高激光功率来保证获得足够的焊缝熔深，并且减少焊接速度会降低加工效率。另外，采用增加热输入的方法提高激光焊接焊缝熔深，易产生焊接变形、气孔等缺陷，降低了焊接质量。因此，保持热输入不变，即在不改变激光功率、焊接速度等条件下，如何增加激光焊接焊缝熔深成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高光纤激光焊接焊缝熔深的方法，采用惰性气体和活性气体的混合气体替代原有的纯惰性气体作为保护气体，通过调整保护气体中活性气体的含量，增加了激光小孔的深度，提高了焊缝熔深。解决了现有激光焊接焊缝熔深的问题。
本发明在光纤激光焊接过程中，通过改变保护气体成分实现焊缝熔深的提高。该方法采用惰性气体和活性气体的混合气体作为保护气体，其中，He（氦）-O2（氧）混合保护气体中O2比例为5%-20%，Ar（氩）-O2混合保护气体中O2比例为5%-20%，He-CO2（二氧化碳）混合保护气体中CO2比例为10%-50%，Ar-CO2混合保护气体中CO2比例为10%-50%。
本发明所述激光焊接使用光纤激光，功率为5-15kW，激光保护气体流量为20-45L/min，焊接速度0.5-2.0m/min。
本发明所述保护气体喷嘴与激光束呈40°-50°，喷嘴距工件间距10-20mm。
本发明所述光纤激光焊接中保护气体中含有少量的O2或CO2改变了焊接过程中激光小孔内部压力平衡，增加了小孔内部扩张压力，促进了激光小孔深度的增加，光纤激光小孔深度的增加致使焊缝熔深的增加。
本发明通过光纤激光焊接保护气氛的改变，很好地提高了焊缝熔深，使焊接效率得到了进一步提高。
附图说明
图1是本发明的光纤激光焊接方法的焊接示意图；其中序号表示为：光纤激光1，激光保护气体2，保护气体喷嘴与激光束夹角3，喷嘴距工件间距4，工件5。
图2是本发明保护气体为He-20%O2时光纤激光焊接焊缝横截面图。
图3为对比方法，保护气体为纯He时光纤激光焊接焊缝横截面图。
图4是本发明保护气体为He-20%O2时光纤激光焊接小孔形状X射线实时检测图。
图5为对比方法，保护气体为纯He时光纤激光焊接小孔形状X射线实时检测图。
图6是本发明保护气体为Ar-50%CO2时光纤激光焊接焊缝横截面图。
图7是对比方法，保护气体为纯Ar时光纤激光焊接焊缝横截面图。
具体实施方式
以下结合附图以及示例性实施例，进一步详细描述本发明的设计思想以及形成机理，使本发明的技术解决方案更加清楚。
本发明在现有的光纤激光焊接过程中，通过光纤激光焊接保护气氛的调整，增加了激光小孔内部扩张压力，促进激光小孔深度的增加，致使焊缝熔深的增加，进一步提高使焊接效率。
本发明所采用的惰性气体和活性气体混合气体作为保护气体，有利于焊接过程中激光小孔深度的增加，从而促进了光纤激光焊接焊缝熔深的提高。
本发明采用的少量活性气体加入惰性气体作为保护气体，有效地扩展了激光小孔，小孔深度增加（如图4所示），从而形成了如图2所示的窄而深的焊缝。而对比方法纯惰性气体保护的光纤激光焊接方法（原有方法），激光小孔深度（如图5所示）明显小于惰性气体和活性气体混合气体作为保护气体时的小孔深度熔深，则焊缝熔深也较小，如图3所示。
如图1所示，本发明的方法采用惰性气体和活性气体的混合气体作为保护气体，其中，He（氦）-O2（氧）混合保护气体中O2比例为5%-20%，Ar（氩）-O2混合保护气体中O2比例为5%-20%，He-CO2（二氧化碳）混合保护气体中CO2比例为10%-50%，Ar-CO2混合保护气体中CO2比例为10%-50%。
本发明的光纤激光焊接使用光纤激光，功率为5-15kW，激光保护气体流量为20-45L/min，焊接速度0.5-2.0m/min。
本发明在激光焊接过程中，保护气体喷嘴与激光束呈40°-50°，喷嘴距工件间距10-20mm。
实施例1
针对20mm厚780MPa级高强钢，即工件5，采用光纤激光焊接方法，其中激光1的激光功率为7kW，激光保护气体2的流量为45L/min，焊接速度1.0m/min；所采用的保护气体喷嘴与激光束的角度3为45°，喷嘴距工件间距4为12mm。原有方法是采用He作为保护气体，激光小孔形态如图5所示，焊缝熔深为9.5mm，如图3所示。现采用He-20%O2作为保护气体，激光小孔形态如图4所示，与He保护时相比，激光小孔形态明显扩张，小孔深度大幅增加，从而焊缝熔深达到了11.5mm，如图2所示。证明少量活性气体加入惰性气体作为保护气体时，光纤激光焊接小孔深度增加，从而明显地提高了焊缝熔深。
实施例2
针对20mm厚780MPa级高强钢，即工件5，采用光纤激光焊接方法，其中激光1的激光功率为7kW，激光保护气体2的流量为20L/min，焊接速度1.0m/min；所采用的保护气体喷嘴与激光束的角度3为45°，喷嘴距工件间距4为15mm。原有方法采用Ar作为保护气体，焊缝熔深为8.7mm，如图7所示。现采用Ar-50%CO2作为保护气体时，焊缝熔深达到了10.4mm，如图6所示。采用Ar-CO2混合气体作为保护气体能够有效地提高了焊缝熔深。
实施例3
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的激光功率为10kW，激光保护气体2的流量为30L/min，焊接速度1.0m/min；所采用的保护气体喷嘴与激光束的角度3为40°，喷嘴距工件间距4为10mm。原有方法采用Ar作为保护气体时，焊缝熔深为11.9mm。而现采用Ar-20%O2作为保护气体时，焊缝熔深达到了14.2mm，熔深提高了约19%。
实施例4
针对15mm厚低碳钢，即工件5，采用光纤激光焊接方法，其中激光1的激光功率为7kW，激光保护气体2的流量为45L/min，焊接速度2.0m/min；所采用的保护气体喷嘴与激光束的角度3为45°，喷嘴距工件间距4为20mm。原有方法采用He作为保护气体，焊缝熔深为8.1mm。而现采用He-20%CO2作为保护气体时，焊缝熔深达到了9.0mm，熔深提高了约11%。
本发明的光纤激光焊接过程中，通过光纤激光焊接保护气氛的调整，以惰性气体和活性气体的混合气体代替原有方法中的惰性气体作为保护气体，促进激光小孔深度的增加，从而达到了提高焊缝熔深的目的。
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保护气体成分及含量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。

Claims (5)

1.一种提高光纤激光焊接焊缝熔深的方法，其特征在于,在光纤激光焊接过程中，通过改变保护气体成分实现焊缝熔深；即采用惰性气体和活性气体的混合气体作为保护气体，所述的混合气体包括：He-O2混合气体，其中O2比例为5%-20%；Ar-O2混合，其中O2比例为5%-20%；He-CO2混合气体，其中，CO2比例为10%-50%；Ar-CO2混合气体，其中CO2比例为10%-50%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤激光焊接使用光纤激光功率为5-15kW，激光保护气体流量为20-45L/min，焊接速度0.5-2.0m/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保护气体喷嘴与激光束呈40°-50°，喷嘴距工件间距10-20mm。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述保护气体喷嘴与激光束呈45°，喷嘴距工件间距15mm。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光焊接使用光纤激光，功率为10kW，激光保护气体流量为30L/min，焊接速度1.0m/min。
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