CN105499804B - 一种激光焊接过程中焊缝内部孔洞的控制方法及控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光焊接过程中焊缝内部孔洞的控制方法，在激光装置的激光头对工件进行深熔焊的过程中，利用吹气装置在熔池上方吹出气流以形成局部负压，从而将匙孔内的蒸气吹走，保证匙孔的通畅，使焊接过程中产生的气体逃逸出熔池内部而避免形成孔洞，本发明能够有效地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。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接领域，更具体地，涉及一种激光焊接过程中焊缝内部孔洞的控制方法及控制装置。
背景技术
激光焊接是近年来材料加工领域应用愈来愈广泛的先进加工方法之一，与其他焊接技术相比，激光焊接有着高功率，高效率，高深宽比，热影响区小，低变形等优势，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，在航空航天、汽车、轮船、钢铁等行业有着广泛应用。
激光深熔焊是一个十分复杂的过程，匙孔和等离子体的形成，匙孔内材料蒸气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。当激光功率密度达到106-107W/cm2时，激光能量输入速率远大于热传导、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，激光通过匙孔直接作用于孔底，产生匙孔效应。在匙孔壁面存在金属蒸气反冲压力，重力引起的液面静压力，液面表面张力引起的附加压力以及考虑熔池旋转流动对壁面产生的附加压力，这几种力的动态平衡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，匙孔就会坍塌闭合而形成气孔，即使在正常条件下，由于匙孔四周的液体金属填充匙孔时，金属蒸气来不及快速逃逸而被封在匙孔内，形成大的孔洞。尤其是厚板、夹层板及涂层板激光焊接时，由于板厚、氧化皮以及镀层的影响，匙孔内部的高温高压金属蒸气以及夹层中间的氧化皮，涂层材料的气化容易造成匙孔的闭合和坍塌，这样就容易形成焊缝内部不规则的大的孔洞，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，以及调节功率、速度等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。
专利申请号为201210390068.6的中国专利说明书公开了一种激光焊接过程中焊缝内部孔洞的控制方法及控制装置，但是这种方法是采用吸气的方式吸走匙孔内的蒸气，其吸气时容易吸走熔池中的部分液体，破坏了熔池的稳定性，工艺窗口窄，易产生焊缝下凹等缺陷。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光焊接焊缝孔洞的控制方法及装置，其能够有效地解决激光深熔焊过程中的孔洞问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光焊接过程中焊缝内部孔洞的控制方法，其特征在于，在激光装置的激光头对工件进行深熔焊的过程中，利用吹气装置在熔池上方吹出气流，以在熔池和匙孔上方形成局部负压，从而将匙孔内的蒸气吹走，保证匙孔的通畅，使焊接过程中产生的气体逃逸出熔池内部而避免形成孔洞，其中，所述吹气装置包括与所述激光头固定连接在一起的平吹气嘴，所述平吹气嘴吹出的气流为水平方向且流速为3000m/min～6000m/min，所述平吹气嘴的气流出口与工件的竖直间距为2mm～5mm，并且其与激光头发出的激光束的水平间距为1mm～4mm，所述局部负压是熔池上方所吹气流与大气存在压力差ΔP，并且ΔP＝P2-P1，1.5KPa≤ΔP≤6KPa，P2为大气压，P1为所吹气流的气压。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种控制装置，其包括激光装置、气瓶、流量阀、出气杆和平吹气嘴，所述气瓶通过所述流量阀与所述出气杆连接，所述出气杆远离流量阀的一端安装所述平吹气嘴，所述流量阀用于调节流出气瓶的气体，所述平吹气嘴用于吹出气流、使气流保持水平并提高从出气杆流出的气体的流速，所述激光装置的激光头通过转接板与所述出气杆固定连接。
优选地，还包括流量计，所述流量计设置于所述流量阀与所述出气杆之间。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明能够有效地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，成本低廉，适应性强，出气杆及平吹气嘴可以固定在任何型号的激光器上，同激光保持同步移动。
(3)平吹气嘴的位置以及平吹气嘴的长、宽容易调节，该方法只需调整平吹气嘴与焊缝的相对位置就能方便地应用于生产中且效果显著。
附图说明
图1是本发明中深熔焊时的示意图；
图2是本发明中平吹气嘴的示意图；
图3是本发明中平吹气嘴与光束、工件的位置示意图；
图4是本发明中深熔焊时工件上产生匙孔、熔池示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。
参照图1～图4，一种控制装置，包括激光装置、气瓶9、流量阀8、出气杆4和平吹气嘴10，所述气瓶9通过所述流量阀8与所述出气杆4连接，所述出气杆4远离流量阀8的一端安装所述平吹气嘴10，所述流量阀8用于调节流出气瓶9的气体，所述平吹气嘴10用于吹出气流并使气流保持水平，所述激光装置的激光头2通过转接板5与所述出气杆4固定连接。上述出气的各零件之间可以采用软管6连接。
进一步，所述控制装置还包括流量计7，所述流量计7设置于所述流量阀8与所述出气杆4之间，以获得流出气瓶9的气体的体积。
出气杆4的端部与平吹气嘴10(参照图2)相连，以确保焊接过程中高的气流流速和方向水平。本发明中的平吹气嘴10优选包括倾斜部和水平部，倾斜部与水平部分别设置为第一气体通道和第二气体通道并且第一气体通道和第二气体通道相连通，倾斜部与出气杆4固定连接，用于导出出气杆4内的气体；水平部用于使流出的气体为水平方向，第二气体通道水平部靠近出气口一端横截面逐步缩小，出气口横截面最小为10×0.8mm，对流经气体有一定压缩作用，在相同气流量下极大地提高气流流速。
参照图4，在激光装置的激光头2发出激光3对工件1进行深熔焊的过程中，利用吹气装置在熔池12上方吹出气流，以在熔池12和匙孔11上方形成局部负压，从而将匙孔11内的蒸气吹走，保证匙孔11的通畅，使焊接过程中产生的气体逃逸出熔池12内部而避免形成孔洞，其中，所述吹气装置包括与所述激光头2固定连接在一起的平吹气嘴10，所述平吹气嘴10吹出的气流为水平方向且流速为3000m/min～6000m/min，所述平吹气嘴10的气流出口与工件1的竖直间距为2mm～5mm，并且其与激光头2发出的激光束的水平间距为1mm～4mm，所述局部负压是熔池12上方所吹气流与大气存在压力差ΔP，并且ΔP＝P2-P1，1.5KPa≤ΔP≤6KPa，P2为大气压，P1为所吹气流的气压。
图中熔池12内部的箭头表示焊接过程中熔池12内的气体，夹杂物通过熔池12过渡到匙孔11内部。由于平吹气嘴10施加平吹气流的作用，使得匙孔11内部的金属蒸气，匙孔11端部的等离子体均会朝向匙孔11上方流动。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。当不施加平吹高速辅助气流时，匙孔11内部充满着高温高压的金属蒸气，一方面此蒸气过于激烈易造成匙孔11失稳，从而导致匙孔11封闭产生孔洞缺陷；另一方面，匙孔11内部温度和压强较高，使得熔池12内部的气体，外来夹杂物无法快速的通过匙孔11逸出而留在熔池12内部，也会形成孔洞。而当施加高速平吹气流时，根据伯努利方程，会在匙孔11及熔池12上方产生局部负压，从而使得匙孔11内部的高温高压金属蒸气迅速向上流动离开匙孔11，从而保证了匙孔11内部通畅，降低了匙孔11闭合的可能性，同时由于局部负压的作用，外来的气体，夹杂物也会迅速过渡到匙孔11内部，并通过匙孔11快速逃逸而不会停留在熔池12内产生缺陷。
实施例1
在激光装置的激光头2发出激光3对工件1进行深熔焊的过程中，利用吹气装置在熔池12上方吹出气流，以在熔池12和匙孔11上方形成局部负压，从而将匙孔11内的蒸气吹走，保证匙孔11的通畅，使焊接过程中产生的气体逃逸出熔池12内部而避免形成孔洞，其中，所述吹气装置包括与所述激光头2固定连接在一起的平吹气嘴10，所述平吹气嘴10吹出的气流为水平方向且流速为3000m/min，所述平吹气嘴10的气流出口与工件1的竖直间距为2mm，并且其与激光头2发出的激光束的水平间距为3mm，ΔP＝1.5KPa。
实施例2
在激光装置的激光头2发出激光3对工件1进行深熔焊的过程中，利用吹气装置在熔池12上方吹出气流，以在熔池12和匙孔11上方形成局部负压，从而将匙孔11内的蒸气吹走，保证匙孔11的通畅，使焊接过程中产生的气体逃逸出熔池12内部而避免形成孔洞，其中，所述吹气装置包括与所述激光头2固定连接在一起的平吹气嘴10，所述平吹气嘴10吹出的气流为水平方向且流速为6000m/min，所述平吹气嘴10的气流出口与工件1的竖直间距为5mm，并且其与激光头2发出的激光束的水平间距为1mm，ΔP＝6KPa。
实施例3
在激光装置的激光头2发出激光3对工件1进行深熔焊的过程中，利用吹气装置在熔池12上方吹出气流，以在熔池12和匙孔11上方形成局部负压，从而将匙孔11内的蒸气吹走，保证匙孔11的通畅，使焊接过程中产生的气体逃逸出熔池12内部而避免形成孔洞，其中，所述吹气装置包括与所述激光头2固定连接在一起的平吹气嘴10，所述平吹气嘴10吹出的气流为水平方向且流速为5000m/min，所述平吹气嘴10的气流出口与工件1的竖直间距为4mm，并且其与激光头2发出的激光束的水平间距为4mm，ΔP＝4.2KPa。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种激光焊接过程中焊缝内部孔洞的控制方法，其特征在于，在激光装置的激光头对工件进行深熔焊的过程中，利用吹气装置在熔池上方吹出气流，以在熔池和匙孔上方形成局部负压，从而将匙孔内的蒸气吹走，保证匙孔的通畅，使焊接过程中产生的气体逃逸出熔池内部而避免形成孔洞，其中，所述吹气装置包括与所述激光头固定连接在一起的平吹气嘴，所述平吹气嘴吹出的气流为水平方向且流速为3000m/min～6000m/min，所述平吹气嘴的气流出口与工件的竖直间距为2mm～5mm，并且其与激光头发出的激光束的水平间距为1mm～4mm，所述局部负压是熔池上方所吹气流与大气存在压力差ΔP，并且ΔP＝P2-P1，1.5KPa≤ΔP≤6KPa，P2为大气压，P1为所吹气流的气压，所述平吹气嘴包括倾斜部和水平部，倾斜部与水平部分别设置为第一气体通道和第二气体通道并且第一气体通道和第二气体通道相连通，倾斜部与出气杆固定连接，用于导出所述出气杆内的气体，水平部用于使流出的气体为水平方向，水平部靠近出气口一端横截面逐步缩小，出气口横截面最小为10×0.8mm，对流经气体有一定压缩作用，在相同气流量下极大地提高气流流速。
2.一种实现权利要求1所述的方法的控制装置，其特征在于，包括激光装置、气瓶、流量阀、出气杆和平吹气嘴，所述气瓶通过所述流量阀与所述出气杆连接，所述出气杆远离流量阀的一端安装所述平吹气嘴，所述流量阀用于调节流出气瓶的气体，所述平吹气嘴用于吹出气流、使气流保持水平并提高从出气杆流出的气体的流速，所述激光装置的激光头通过转接板与所述出气杆固定连接，所述平吹气嘴包括倾斜部和水平部，倾斜部与水平部分别设置为第一气体通道和第二气体通道并且第一气体通道和第二气体通道相连通，倾斜部与所述出气杆固定连接，用于导出所述出气杆内的气体，水平部用于使流出的气体为水平方向，水平部靠近出气口一端横截面逐步缩小，出气口横截面最小为10×0.8mm，对流经气体有一定压缩作用，在相同气流量下极大地提高气流流速。
3.根据权利要求2所述的一种实现权利要求1所述的方法的控制装置，其特征在于，还包括流量计，所述流量计设置于所述流量阀与所述出气杆之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191219 Address after: 430014 999 new high tech Avenue, East Lake New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei Co-patentee after: Wang Chunming Patentee after: WUHAN INTELLIGENT EQUIPMENT INDUSTRIAL INSTITUTE Co.,Ltd. Co-patentee after: Mi Gaoyang Co-patentee after: Hu Xiyuan Co-patentee after: Wang Jun Address before: 430074 Hubei Province, Wuhan city Hongshan District Luoyu Road No. 1037 Patentee before: Huazhong University of Science and Technology |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200713 Address after: 430000 room 1001, building C1, future science and Technology City, No. 999, Gaoxin Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Patentee after: WUHAN XIANGMING LASER TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 430014 999 new high tech Avenue, East Lake New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei Co-patentee before: Wang Chunming Patentee before: WUHAN INTELLIGENT EQUIPMENT INDUSTRIAL INSTITUTE Co.,Ltd. Co-patentee before: Mi Gaoyang Co-patentee before: Hu Xiyuan Co-patentee before: Wang Jun |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A control method and control device for holes inside a weld in a laser welding process Effective date of registration: 20220920 Granted publication date: 20180102 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Hubei pilot Free Trade Zone Wuhan Area Branch Pledgor: WUHAN XIANGMING LASER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2022420000301 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20231031 Granted publication date: 20180102 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Hubei pilot Free Trade Zone Wuhan Area Branch Pledgor: WUHAN XIANGMING LASER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2022420000301 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |