CN103862173A - 一种殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法，属于高速激光焊接技术领域。这种殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法把激光焊机的平行激光束由屋脊式分光镜分为第一反射激光束和第二反射激光束，第一反射激光束经聚焦镜聚焦后形成预热激光束，第二反射激光束经聚焦镜聚焦后形成焊接激光束，预热激光束和焊接激光束同时对焊接试件的焊缝进行预热和焊接。该焊接方法采用双光束激光串列方式进行焊接，前一束激光进行预热，后一束激光进行焊接，通过控制焊接热输入能量在焊缝和附近区域的分布来降低温度梯度和焊接应力，从而实现殷瓦钢的高速无裂纹焊接。

Description

一种殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法，属于高速激光焊接技术领域。 
背景技术
殷瓦钢（Invar钢，也称殷钢，也有的称为因瓦钢、因钢）是FeNi36合金，其常温线膨胀系数低于1.6×10-6k-1，约为低碳钢的十分之一，而且在较大的温度范围内变化很小，因此广泛用于精密测量装置、电子工业以及液化天然气船。但是殷瓦钢是单相奥氏体组织，热裂敏感性高，其焊接热裂纹问题严重影响了焊接质量和生产效率。殷瓦钢焊接时容易形成热裂纹和再热裂纹，对于焊接热输入量和焊接工艺都有严格的要求，即使采用热量相对集中、热输入量较小的钨极氩弧焊（TIG焊）时热裂问题仍没有很好的解决，对于焊接工艺和焊接操作者的水平要求十分严格，生产效率和自动化程度低。 
为了解决殷瓦钢的焊接热裂纹问题并提高生产效率，目前主要有两种方法： 
（1）加入填充材料。加入Mn、Ti、Ca、Nb和C等元素能够降低殷瓦钢的焊接热裂倾向，但是加入的填充材料会使得焊缝处的线膨胀系数增大，破坏殷瓦钢的低膨胀性能，影响焊接接头的低温力学性能；
（2）降低焊接热输入量，采用固相连接方法或热量高度集中的高能束焊接方法。采用搅拌摩擦焊方法虽然能够实现殷瓦钢板的焊接，但是该方法用于厚度仅0.7mm的殷瓦钢薄膜的连接则较为困难，焊接变形等问题使其应用受到了限制。采用激光焊接殷瓦钢时能够获得无裂纹的焊接接头，但是焊接速度较低，而为了提高焊接速度而提高焊接功率时，由于激光焊接热输入高度集中（深宽比最高可达15: 1）因此焊缝与周围金属材料之间的温度梯度急剧增大，导致焊接应力的问题更为突出，容易形成焊接热裂纹，严重制约了焊接速度的提高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法。该焊接方法采用双光束激光串列方式进行焊接，前一束激光进行预热，后一束激光进行焊接，通过控制焊接热输入能量在焊缝和附近区域的分布来降低温度梯度和焊接应力，从而实现殷瓦钢的高速无裂纹焊接。 
本发明采用的技术方案是：一种殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法，其特征在于：把激光焊机的入射激光束采用反射镜反射，反射镜的反射激光束由屋脊式分光镜分为第一反射激光束和第二反射激光束，第一反射激光束经聚焦镜聚焦后形成预热激光束，第二反射激光束经聚焦镜聚焦后形成焊接激光束，所述预热激光束和焊接激光束同时对焊接试件的焊缝进行预热和焊接；其焊接方法为： 
（a）用乙醇清洗殷瓦钢薄膜的表面，然后放入焊接工作台的夹具中固定；
（b）调整激光焊接头高度与殷瓦钢薄膜距离80-100mm处，调整保护气装置与殷瓦钢薄膜距离10-15mm处并成45度角，调整预热激光与焊接激光之间的距离为5-10mm，预热激光正离焦5-8mm；
（c）打开激光焊机，电压调至27V，脉宽0.8-1ms，频率30赫兹，速度250-350mm/min，激光功率调为100-300W，调整焊接点直径至0.5mm；
（d）打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，按电脑生成的焊接路径进行焊接；
（e）激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。
本发明的有益效果是：这种殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法把激光焊机的平行激光束由屋脊式分光镜分为第一反射激光束和第二反射激光束，第一反射激光束经聚焦镜聚焦后形成预热激光束，第二反射激光束经聚焦镜聚焦后形成焊接激光束，预热激光束和焊接激光束同时对焊接试件的焊缝进行预热和焊接。该焊接方法具有如下优点： 
1、采用激光预热进行殷瓦钢的激光焊接，能降低焊接热裂倾向提高焊接速度；
2、采用激光预热进行殷瓦钢的激光焊接能降低焊接变形；
3、焊接飞溅小；
4、结构简单，焊接过程及参数易于控制；
5、操作简单，稳定性高，重复性好，易于批量生产；
6、金属薄膜材料焊接均可采用此方法，具有一定的通用性。
附图说明
下面结合附图和实施方法对本发明作进一步说明。 
图1是一种殷瓦钢薄膜高速激光焊接的光学原理图。 
图2是图1中的A放大图。 
图中：1、反射镜，2、屋脊式分光镜，3、聚光镜，4、入射激光束，4a、反射激光束，4b、第一反射激光束，4c、第二反射激光束，4d、预热激光束，4e、焊接激光束，5、焊接试件，6、焊接工作台。 
具体实施方式
图1、2示出了一种殷瓦钢薄膜高速激光焊接的光学原理图。图中，殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法，把激光焊机的入射激光束度角4度角采用反射镜度角1度角反射，反射镜度角1度角的反射激光束度角4a度角由屋脊式分光镜度角2度角分为第一反射激光束度角4b度角和第二反射激光束度角4b度角，第一反射激光束度角4b度角经聚焦镜度角3度角聚焦后形成预热激光束度角4d度角，第二反射激光束度角4b度角经聚焦镜度角3度角聚焦后形成焊接激光束度角4e度角，预热激光束度角4d度角和焊接激光束度角4e度角同时对焊接试件度角5度角的焊缝进行预热和焊接。 
采用上述的技术方案，采用屋脊式分光镜把激光焊机的单束平行激光分为两束平行光束，经聚焦镜聚焦后形成串列排布的两束光，前一束激光预热，后一束激光焊接。屋脊式反射镜的反射面不是一个平面，而由两个平面组成，两反射面的相交线位于镜面中间，类似一个屋脊。一束平行光照射到屋脊式反射镜上，被不同角度的两个平面反射形成两束光，照射到聚焦镜的不同位置，聚焦后在焊接试件表面得到一定间距的两个光束。通过改变两个反射面的夹角和屋脊位置，可以得到不同焦点间距和排布方式的分光光束，也就是可以控制预热激光和焊接激光之间的能量分配，从而获得不同的预热温度和焊接热输入的组合参数。 
采用的具体焊接方法如下： 
用乙醇清洗殷瓦钢薄膜的表面，然后放入焊接工作台的夹具中固定，可以根据焊接路径和焊接速度用电脑控制焊接工作台的移动路径和移动速度。调整激光焊接头高度与殷瓦钢薄膜距离90mm处，调整保护气装置与殷瓦钢薄膜距离12mm处并成45度角。调整预热激光与焊接激光之间的距离为8mm，预热激光正离焦6mm。
打开激光焊机，电压调至27V，脉宽0.9ms，频率30赫兹，速度300mm/min，激光功率调为200W，调整焊接点直径至0.5mm（通过调整激光脉宽及电压大小或通过调整功率及焦点位置）。打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，电脑生成焊接路径，激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。 
采用激光预热的方法能够降低激光焊接时的焊接温度梯度从而降低焊接应力和变形，达到降低殷瓦钢焊接热裂倾向和焊接变形的目的，以解决殷瓦钢焊接时热裂倾向严重、生产效率低的问题。与殷瓦钢的钨极氩弧焊相比，采用激光预热的双光束激光焊接方法焊接效率高、焊接质量稳定而且自动化程度高。 

Claims (1)

1.一种殷瓦钢薄膜的高速激光焊接方法，其特征在于：把激光焊机的入射激光束（4）采用反射镜（1）反射，反射镜（1）的反射激光束（4a）由屋脊式分光镜（2）分为第一反射激光束（4b）和第二反射激光束（4b），第一反射激光束（4b）经聚焦镜（3）聚焦后形成预热激光束（4d），第二反射激光束（4b）经聚焦镜（3）聚焦后形成焊接激光束（4e），所述预热激光束（4d）和焊接激光束（4e）同时对焊接试件（5）的焊缝进行预热和焊接；其焊接方法为：
（a）用乙醇清洗殷瓦钢薄膜的表面，然后放入焊接工作台的夹具中固定；
（b）调整激光焊接头高度与殷瓦钢薄膜距离80-100mm处，调整保护气装置与殷瓦钢薄膜距离10-15mm处并成45度角，调整预热激光与焊接激光之间的距离为5-10mm，预热激光正离焦5-8mm；
（c）打开激光焊机，电压调至27V，脉宽0.8-1ms，频率30赫兹，速度250-350mm/min，激光功率调为100-300W，调整焊接点直径至0.5mm；
（d）打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，按电脑生成的焊接路径进行焊接；
（e）激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。
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