CN106077954B

CN106077954B - 一种非熔透激光焊接方法

Info

Publication number: CN106077954B
Application number: CN201610536816.5A
Authority: CN
Inventors: 张明军; 胡永乐; 唐昆; 毛聪; 张健
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2036-07-11
Also published as: CN106077954A

Abstract

本发明涉及一种激光非熔透焊接方法，其特征在于：步骤1、除去第一母材（2）和第二母材（3）上下表面上的杂质，用焊接夹具准确搭接并夹紧；步骤2、将真空罩（6）连接到激光焊接头（7）上，真空罩可以在激光焊接头上旋转；步骤3、将激光焊接头移动到工件上方，使真空罩与工件表面保持一定距离；步骤4、从真空罩的进气口（8）供给一定压力的压缩空气；步骤5、工业液氮经专用装置的喷枪（1）喷射到工件下表面；步骤6、启动激光焊接系统，激光束（4）垂直辐射工件上表面，激光束与喷枪（1）同步移动，完成焊接过程。在本发明中，局部真空环境和液氮冷却同步作用，避免了激光非熔透焊接时焊缝背面的热变形和氧化变色，实用性强。

Description

一种非熔透激光焊接方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接方法，尤其涉及一种非熔透激光焊接方法。

背景技术

激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度的焊接方法，是激光加工技术应用的重要方面之一，激光技术应用于焊接中极大地推动了焊接技术的发展，激光焊接由于具有焊接速度快、深度大、变形小，能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单等优点，在工业领域得到广泛应用。

激光焊接分为两种模式：激光热传导焊和激光深熔焊接。激光热传导焊类似于钨极氩弧焊，焊接效率较低。激光深熔焊接是采用高能量密度（大于10⁶ W/cm²）激光束照射到材料表面，材料快速熔化、汽化，甚至形成等离子体，巨大的材料蒸发汽化压力使材料中熔化的液态表面向下凹陷，形成 “匙孔”，又称为“小孔”，进入小孔的激光能量几乎被全部吸收，在小孔的侧壁和底部产生剧烈的蒸发。随着激光的继续照射，小孔持续维持，当激光停止照射后，小孔周边的熔液回流，冷却凝固形成焊缝。

目前针对类似电梯轿厢壁板等件的加强筋工艺为胶粘，工序繁琐，费时费力，使用一定年限后胶会老化。采用电阻点焊接头密闭性差，容易影响表面质量。在某些精密场合，为保证箱体内部元器件的工作环境，箱体外的加强筋都采用非熔透焊接，较为普遍的是电弧铆焊，通过填充焊丝改善焊点的性能，但是焊点表面会有很大的凸起，箱体内部容易产生变形，加强筋与箱体的搭接边尺寸大，不仅浪费材料，还增加了箱体的重量，而非熔透激光焊接单面成型就能弥补这些缺点，使用激光不仅可以点焊，而且可以很容易实现快速的连续缝焊，达到比单个焊点强度高得多的焊接接头。

相比全熔透激光焊接，非熔透激光焊接对焊接参数的变化更敏感，焊接参数的微小变化都可能导致接头产生未融合、背部烧穿等缺陷。焊缝的外观形貌是判断非熔透激光焊接试件焊接质量的重要因素，要求焊缝表面不能出现熔渣，甚至不能出现表面变色。

公开号为 “CN 204524558 U”的实用新型专利公开了一种激光未熔透焊的装置，把待焊工件放置在带冷却水的工作台上，在一定程度上解决了激光非熔透焊接时下层钢材表面的受热变形问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中通过20℃ 的冷却水冷却下层钢材，对下层钢材的受热变形改善程度有限，对下层钢材的外表面氧化变色无能为力。

公开号为 “CN 104002044 B”的发明专利公开了一种非熔透激光焊接设备及焊接方法，通过实时捕捉焊缝背面的温度，得出焊接熔深情况，从而对激光功率进行实时调节，在一定程度上解决了激光非熔透焊接时焊接熔深精确控制的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中焊缝背面温度与焊接熔深的对应关系在实际生产难以准确获得，另外对焊缝背面的微小变形通过单一改变激光功率难以实现。

公开号为 “CN 103008884 A”的发明专利公开了一种激光搭接非熔透焊接方法，在未熔透面覆盖保护膜隔断空气进行焊接，在一定程度上解决了不锈钢轨道客车钢结构外露的未熔透面发生氧化的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法对于焊接过程中激光参数的波动等因素引起的背部烧伤甚至烧穿难以控制。

发明内容

本发明的目的是解决目前激光非熔透焊接过程稳定性差，易出现焊缝背面烧伤变形、氧化变色等问题。

本发明的技术方案是提供一种激光非熔透焊接方法，其特征在于。

步骤1：除去第一母材和第二母材上下表面上的杂质，用焊接夹具将第一母材和第二母材准确搭接并夹紧。

步骤2：将真空罩连接到激光焊接头上，真空罩可以在激光焊接头上旋转，焊接喷嘴与真空罩距离工件表面的距离可调。

步骤3：将激光焊接头移动到工件上方，使真空罩与工件上表面保持一定距离。

步骤4：从真空罩的进气口供给干燥的压缩空气。

步骤5：工业液氮经专用装置的喷枪喷射到工件下表面。

步骤6：启动激光焊接系统，激光束垂直辐射工件上表面，激光束与喷枪同步移动，完成焊接过程。

进一步地，在步骤1中，第一母材和第二母材板厚t₁和t₂为1 mm ~ 5 mm。

进一步地，在步骤2中，真空罩为气旋式真空吸盘。

进一步地，在步骤3中，真空罩与第一母材表面之间距离h为0.5 mm ~ 1.5 mm。

进一步地，在步骤4中，真空罩的供气压力为1 bar ~ 4 bar。

进一步地，在步骤5中，喷枪与第一母材或第二母材下表面所成角度α为15°～45°，移动速度为1 m/min ～ 10 m/min。

进一步地，在步骤5中，喷射到工件下表面的液氮前沿与激光束中心保持一定距离δ。

进一步地，距离δ为1 mm ~ 5 mm。

进一步地，在步骤5中，喷枪与第一母材或第二母材下表面保持一定距离d为10 mm~ 50 mm。

进一步地，在步骤5中，液氮以速度为100 m/min ～ 1000 m/min经喷枪喷射到工件下表面。

进一步地，该方法适用于薄板搭接接头。

本发明的有益效果是。

1）在本发明中，通过简易的气旋式真空罩在激光焊接区域形成局部真空环境，此时相比于大气环境，材料的沸点下降，因此当极高能量密度的激光作用在材料时金属更容易汽化蒸发，一方面相比于大气环境，会有更多的金属熔化和汽化，另一方面金属蒸汽的会比大气环境下低。如此，激光深熔焊接时，小孔侧壁和底部蒸发反冲压力减小，从而沿小孔向下流动的熔融金属减少，小孔底部聚集的熔融金属也减少。此时，焊缝背面的热积累大大减少。

2）采用本发明提供的激光非熔透焊接方法，通过在工件下表面喷射液氮，依据莱顿弗罗斯特效应，可以最大限度地消除工件背面的热积累效应，避免焊缝背面烧伤变形、氧化变色等缺陷的出现，相比调节工艺参数等其他方法，本方法操作简单方便，实用性更强。

3）在本发明提出的激光非熔透焊接方法，通过在焊接区域形成局部真空环境有助于抑制激光致等离子体的产生，避免了光致等离子体对入射激光的周期性逆韧致吸收，从而焊接熔深稳定性大大提高，同时可以减少激光能量输入，减小焊接变形。

4）在试验过程中，实验人员发现液氮以速度为300 m/min ～ 500 m/min喷射到工件背面时，焊缝接头融合适当，焊缝背面没有任何变形和氧化变色，出现了意料不到的技术效果。

附图说明

图1是本发明所述激光非熔透焊接方法示意图。

图2是气旋式真空罩的工作原理示意图。

图3是气旋式真空罩俯视图的示意图。

其中：其中：1、液氮喷枪，2、第一母材，3、第二母材，4、激光束，5、焊接喷嘴，6、真空罩，7、焊接头，8、真空罩供气口，9、焊接小孔，10、焊接熔池，11、凝固的焊缝，12、真空罩喷嘴。

具体实施方式

以下将结合附图1-3对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，焊接对象为1 mm ~ 5 mm厚的大结构板材搭接接头，安装在焊接头上的真空罩在激光焊接区域形成局部真空环境，激光束垂直入射在工件上表面实现深熔焊接，底部同步喷射工业液氮，实现两板的激光非熔透焊接连接。

步骤1：除去第一母材2和第二母材3上下表面上的杂质，这些杂质包括水渍、油污、铁锈等对焊接质量有影响的杂物；用焊接夹具将第一母材2和第二母材3准确搭接并夹紧。

步骤2：将真空罩6连接到激光焊接头7上，真空罩6可以在激光焊接头8上旋转，焊接喷嘴5与真空罩6距离第一母材2表面的距离可调。

如图2和3所示，气旋式真空罩6工作时，由供气口8进入的高压气体经喷嘴12射出后沿切向进入旋回流腔，在腔内作强回旋运动，由于离心力的作用，在真空罩6的腔内中心产生局部真空。

步骤3：将激光焊接头7移动到工件上方，使真空罩6与第一母材2表面保持一定距离h。

如图1所示，真空罩6与第一母材2表面之间距离h为0.5 mm ~ 1.5 mm。

步骤4：从真空罩6的进气口8供给干燥的压缩空气，供气压力为1 bar ~ 4 bar。

步骤5：工业液氮以速度为100 m/min ～ 1000 m/min经专用装置的喷枪1喷射到工件下表面，喷枪1与第一母材2下表面所成角度α为15°～ 45°，移动速度为1 m/min ～ 10m/min。

如图1所示，在激光辐照材料前一定时间开始喷射液氮，以保证喷射到第一母材2下表面的液氮前沿与激光束4中心保持距离δ，在该实施例中，δ为1 mm ~ 5 mm。

如图1所示，由喷枪1喷射而出的液氮会快速发散开，依据莱顿弗罗斯特效应，为了保证喷射到第一母材2下表面的液氮以一定速度流过第一母材2下表面，要求限定喷枪1与第一母材2下表面保持一定距离d，在该实施例中，d为10 mm ~ 50 mm。

步骤6：启动激光焊接系统，激光束4垂直辐射第二母材3上表面，激光束4与喷枪1同步移动，完成焊接过程。

在该实施例中，激光功率密度大于10⁶W/cm²，形成深入材料内部的焊接小孔，焊接小孔内部充满金属蒸汽和等离子体，激光束直接传递到小孔底部，获得大熔深焊缝。

在该实施例中，通过精确控制激光束4功率，获得准确的非熔透焊接熔深。在该技术方案中焊接速度为1 m/min ～ 10 m/min，从而实现激光非熔透焊接连接。

在本发明的技术方案中，优选地，液氮以速度为300 m/min ～ 500 m/min喷射到工件背面时，可以明显改善第一母材2焊接区域的散热，所得焊缝背面没有任何变形和氧化变色，试验表明这一方法对导热系数较低的母材，如不锈钢会取得意料不到的技术效果。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims

1.一种激光非熔透焊接方法，其特征在于：

步骤1：除去第一母材（2）和第二母材（3）上下表面上的杂质；用焊接夹具将第一母材（2）和第二母材（3）准确搭接并夹紧；

步骤2：将真空罩（6）连接到激光焊接头（7）上，真空罩（6）可以在激光焊接头（7）上旋转，焊接喷嘴（5）与真空罩（6）距离工件上表面的距离可调；

步骤3：将激光焊接头（7）移动到工件上方，使真空罩（6）与工件上表面保持一定距离；

步骤4：从真空罩（6）的进气口（8）供给干燥的压缩空气；

步骤5：工业液氮经专用装置的喷枪（1）喷射到工件下表面，喷枪（1）与工件下表面所成角度α为15°～ 45°，移动速度为1 m/min ～ 10 m/min；

步骤6：启动激光焊接系统，激光束（4）垂直辐射工件上表面，激光束（4）与喷枪（1）同步移动，完成焊接过程。

2.根据权利要求1所述的激光非熔透焊接方法，其特征在于：在步骤5中，喷射到工件下表面的液氮前沿与激光束（4）中心保持一定距离δ。

3.根据权利要求2所述的激光非熔透焊接方法，其特征在于：距离δ为1 mm ~ 5 mm。

4.根据权利要求1所述的激光非熔透焊接方法，其特征在于：在步骤5中，工业液氮以速度为100 m/min ～ 1000 m/min经专用装置的喷枪1喷射到工件下表面。

5.根据权利要求1所述的激光非熔透焊接方法，其特征在于：在步骤3中，真空罩与工件表面之间距离为0.5 mm ~ 1.5 mm。

6.根据权利要求1所述的激光非熔透焊接方法，其特征在于：在步骤4中，真空罩的供气压力为1 bar ~ 4 bar。

7.根据权利要求1所述的激光非熔透焊接方法，其特征在于：该方法适用于薄板搭接接头。