CN107538133B - 一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法，包括：(1)装夹工件，在两块待焊接板材工件的对接焊接头部位嵌入焊接添料，设置激光焊接头与工件的相对方位，使得由激光焊接头输出的双圆环复合整形光束垂直入射到工件对接焊接头部位并聚焦于表面；(2)开启激光输出双圆环复合整形光束，并控制双圆环复合整形光束沿焊缝方向前进，使得焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描，最终凝固形成内含富集添料金属的焊接接头。本发明可以根据应用场合的需要，针对不同板材母材，选择不同材料组分的添料，实现各种特殊性能的焊接接头，有利于获得良好的焊缝组织，改善焊接接头性能。

Description

一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法。

背景技术

激光焊接的目的是通过激光的辐射和被焊材料对激光能量的吸收产生液态熔池，并使之长大到理想尺寸，然后沿固液界面移动熔池，消除被焊构件间的初始缝隙，形成高质量的焊缝。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。激光焊接机原理有两种：第一种是热传导焊接，当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起；第二种是激光深熔焊，当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在一起。这两种焊接原理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各焊接工艺参数得到不同的焊接参数。

在激光焊接中，现行焊接工艺一般不需要填充金属。在这种情况下，焊缝的组织和硬度主要由板材的化学成分和激光照射条件来决定。采用填充焊丝的激光焊接由于可以选择任意合金成分的焊丝作为最佳的焊缝过渡合金，因而可以保证两侧母材的联结具有最佳性能。可以对高熔点、高热导率、物理性质差异较大的异种或同种金属材料进行焊接。可以得到无污染、杂质少的焊缝。在异种合金的焊接中，激光填丝焊接可有效地降低熔池内由于优先溶解与物理、化学性能差异引起的偏析等问题的发生；并且由于激光焊接的能量密度高，焊接过程中焊接速度快、加热时间短，可有效抑制金属间化合物的形核与生长。然而，异种激光焊接过程复杂，包含金属材料对激光的吸收、能量与动量的传递与转换、光致等离子体对激光的散射与吸收、熔池形成及演化、匙孔效应以及熔池凝固等物理过程，在这些物理过程中所涉及的一些问题都将直接影响接头力学性能。熔池过大或过小，或者蒸发严重，都将导致焊接的失败。此外，焊缝的最终质量还可能因其他因素的改变而恶化，如合金组分的蒸发，过大的温度梯度(导致热裂纹)，以及焊接熔池体积与几何形状的不稳定(导致气孔和空穴)等。另外，超高强度材料在使用中经常需要与其他成形性能好的材料搭接焊在一起，但其物理化学性质比较特殊，焊接工艺较难控制。采用大功率激光光束焊接时，因其能量密度极高，被焊工件经受快速加热和冷却的热循环作用，使得焊缝和热影响区区域极窄，其硬度远远高于母材。因此，该区域的塑性相对较低。为了降低接头区域的硬度，应采取焊接前预热和焊后回火等相应的工艺措施。目前，对于异种材料焊接、超高强度材料焊接等对焊接接头有特殊要求的场合，还没有很好的办法能够保证其焊接质量。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法，包括如下步骤：

(1)装夹工件，在两块待焊接板材工件的对接焊接头部位沿焊接路径设置焊接添料剖口，在所述焊接添料剖口内嵌入焊接添料，形成内藏添料的焊接结构；设置激光焊接头与工件的相对方位，使得由激光焊接头输出的双圆环复合整形光束垂直入射到工件对接焊接头部位并聚焦于表面，并且焊接添料位于双圆环复合整形光束中的内圆激光照射区域的下方；

所述焊接添料的材料与两块待焊接板材的材料均不同；所述焊接添料剖口尺寸小于等于双圆环复合整形光束的内圆激光聚焦光斑尺寸，待焊接板材工件的接头部位总体尺寸小于等于双圆环复合整形光束的外圆环激光聚焦光斑尺寸；

所述双圆环复合整形光束由高斯能量分布的内圆激光和贝塞尔能量分布的外圆环激光构成；

(2)开启激光输出双圆环复合整形光束，并控制双圆环复合整形光束沿焊缝方向前进，使得焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描；同时调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合参数，使得激光辐照区域的母材熔深大于等于待焊接板材工件厚度，以实现深熔焊缝的单面焊双面成型；或者使得激光辐照区域的母材熔深大于等于待焊接板材工件厚度的一半，先实现深熔焊缝的单面焊单面成型，再调整工件与激光焊接头的相对方位，使得双圆环复合整形光束从未焊的另一面入射，实现另一面的焊缝成型；

焊接过程中，需同时控制内圆激光的能量密度使得焊缝中心熔池温度高于内藏添料熔点以实现内藏添料的熔化，内圆高斯激光束与外圆环贝塞尔激光束之间的环形间隔产生对应的温度梯度使得熔池内部的流动加速，最终凝固形成内含富集添料金属的焊接接头。

优选的，步骤(1)中双圆环复合整形光束的构造方法为：由光纤接头接入的单波长高斯激光束入射至分束镜，经由分束镜一分为二为A束和B束，A束沿原方向行进，B束的行进方向转折90度，A束入射至锥透镜组合系统，通过锥透镜组合系统输出贝塞尔环形激光束，再入射至空间合束镜；B束入射至第一45度反射镜，经第一45度反射镜的转折后入射至扩束准直系统，再经第二45度反射镜转折入射至空间合束镜；A束和B束激光经空间合束镜的合束后出射双圆环复合整形光束。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用了内藏式添料的焊接结构，并且添料处于焊缝的中心区，结合特殊设计的、由高斯能量分布的内圆激光与贝塞尔能量分布的外圆环激光构成的双圆环复合整形光束，通过调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合(可分别由锥透镜组合系统和扩束准直系统进行调节)、以及焊接速度等工艺参数，由于光束能量的合理布局，加上添料处于焊缝的中心区的内藏式焊接结构，在焊接过程中可以有效避免传统激光填丝焊接过程中添料被高能量密度的单一高斯激光束照射而被大量直接烧损的问题，添料在焊接过程中既能很好的熔合在焊接金属的液态熔池中进行冶金反应，又能基本保持聚集在焊缝中心区域，从而最终凝固形成内含富集添料金属的焊接接头。进一步的，可以根据应用场合的需要，针对不同板材母材，选择不同材料组分的添料，实现各种特殊性能的焊接接头，例如：非磁性金属材料的母材与磁性金属材料的添料组合获得带有磁性的焊缝，或高强韧性金属材料的母材与高硬度金属材料的添料组合获得带有高强耐磨的焊缝，或差导电/导热性金属材料的母材与高导电/导热性金属材料的添料组合获得带有良好导电/导热性的焊缝，或无辐射性金属材料的母材与高可辐射性金属材料(辐射包括核辐射或荧光等)的添料组合获得带有辐射或荧光的自标记焊缝。

2、本发明采用了特殊设计的由高斯能量分布的内圆激光+贝塞尔能量分布的外圆环激光构成的双圆环复合整形光束，这种复合能量分布实现了激光焊接路径上的复合热输入效果，焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描，大大增强了焊接热输入的均匀性和精细程度，从而有效控制了焊缝中心熔池温度使得内藏添料不被大量烧损，并且环形间隔产生对应的温度梯度使得熔池内部的流动加速，促进冶金反应，减缓焊缝冷却速度，尤其适用于异种材料焊接兼容性较差的场合，从而有利于获得良好的焊缝组织，改善焊接接头性能，降低了对焊接前预热和焊后回火等相应的工艺要求。

3、本发明采用了特殊设计的由高斯能量分布的内圆激光+贝塞尔能量分布的外圆环激光构成的双圆环复合整形光束，通过调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合(可分别由锥透镜组合系统和扩束准直系统进行调节)等工艺参数，可以有效控制焊缝成型美观，改善焊缝余高外形，避免烧蚀塌陷等缺陷。

4、本发明采用了特殊设计的由高斯能量分布的内圆激光+贝塞尔能量分布的外圆环激光构成的双圆环复合整形光束，这种复合能量分布实现了激光焊接路径上的复合热输入效果，焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描，通过调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合(可分别由锥透镜组合系统和扩束准直系统进行调节)等工艺参数，内圆高斯激光束是焊缝熔池的最核心热源，而前后的外圆环贝塞尔激光束扫描则相当于具有焊前预热、焊后续热的效果，有效延长了焊接熔池冶金时间，改善了焊缝凝固收缩残余热应力，有利于避免焊缝出现裂纹，降低焊缝和热影响区硬度并提高其塑性，使之与母材更加匹配，从而提升焊接接头质量。

附图说明

图1为内藏填料的焊接结构横截面示意图；

图2为双圆环复合整形光束的示意图；

图3为双圆环复合整形光束的构造方法示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供了一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法，包括如下步骤：

(1)装夹工件，在两块待焊接板材工件的对接焊接头部位沿焊接路径设置焊接添料剖口，在所述焊接添料剖口内嵌入焊接添料，形成内藏添料的焊接结构(如图1所示)，设置激光焊接头与工件的相对方位，使得由激光焊接头输出的双圆环复合整形光束垂直入射到工件对接焊接头部位并聚焦于表面，并且焊接添料位于双圆环复合整形光束中的内圆激光照射区域的下方；

所述焊接添料剖口的横截面形状与焊接添料的固体棒材外形吻合，可以是矩形、圆形、椭圆形或其他不规则形状，剖口尺寸小于等于双圆环复合整形光束的内圆激光聚焦光斑尺寸，待焊接板材工件的接头部位总体尺寸小于等于双圆环复合整形光束的外圆环激光聚焦光斑尺寸，亦即工件的上下两条对接缝隙在双圆环复合整形光束的外圆环激光聚焦光斑辐照区域内；

所述焊接添料为固体棒材，其材料与两块待焊接板材的材料均不同，根据应用场合的需要，针对不同板材母材，选择不同材料组分的添料，以实现各种特殊性能的焊接接头；

所述双圆环复合整形光束由高斯能量分布的内圆激光和贝塞尔能量分布的外圆环激光构成，其构造原理如图2所示，构造方法如图3所示，由光纤接头接入的单波长高斯激光束入射至分束镜2，经由分束镜2一分为二，可分别称之A束和B束(A束和B束的能量分配比例由分束镜2的反射透射比决定，且A束和B束中的一束沿原方向行进，另一束的行进方向则转折90度)，A束入射至锥透镜组合系统3，通过锥透镜组合系统3输出贝塞尔环形激光束，再入射至空间合束镜4；B束入射至第一45度反射镜5，经第一45度反射镜5的转折后入射至扩束准直系统6(可选)，再经第二45度反射镜7转折入射至空间合束镜4；A束和B束激光经空间合束镜4的合束后出射双圆环复合整形光束，即由高斯能量分布的内圆激光+贝塞尔能量分布的外圆环激光构成。

(2)开启激光输出双圆环复合整形光束，并控制双圆环复合整形光束沿焊缝方向前进，使得焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描；同时调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合(可分别由锥透镜组合系统和扩束准直系统进行调节)等工艺参数，使得激光辐照区域的母材熔深大于等于待焊接板材工件厚度，以实现深熔焊缝的单面焊双面成型；并且控制内圆激光的能量密度使得焊缝中心熔池温度高于内藏添料熔点以实现内藏添料的熔化，而内圆高斯激光束与外圆环贝塞尔激光束之间的环形间隔产生对应的温度梯度使得熔池内部的流动加速，添料在焊接过程中既能很好的熔合在焊接金属的液态熔池中进行冶金反应，又能基本保持聚集在焊缝中心区域，最终凝固形成内含富集添料金属的焊接接头。

优选的，还可以调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合(可分别由锥透镜组合系统和扩束准直系统进行调节)等工艺参数，使得激光辐照区域的母材熔深大于等于待焊接板材工件厚度的一半，先实现深熔焊缝的单面焊单面成型，再调整工件与激光焊接头的相对方位，使得双圆环复合整形光束从未焊的另一面入射，实现另一面的焊缝成型，最终组合为完整的焊接接头；两次焊接过程中，均需控制内圆激光的能量密度使得焊缝中心熔池温度高于内藏添料熔点以实现内藏添料的熔化，而内圆高斯激光束与外圆环贝塞尔激光束之间的环形间隔产生对应的温度梯度使得熔池内部的流动加速，添料在焊接过程中既能很好的熔合在焊接金属的液态熔池中进行冶金反应，又能基本保持聚集在焊缝中心区域，最终凝固形成内含富集添料金属的焊接接头。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)装夹工件，在两块待焊接板材工件的对接焊接头部位沿焊接路径设置焊接添料剖口，在所述焊接添料剖口内嵌入焊接添料，形成内藏添料的焊接结构；设置激光焊接头与工件的相对方位，使得由激光焊接头输出的双圆环复合整形光束垂直入射到工件对接焊接头部位并聚焦于表面，并且焊接添料位于双圆环复合整形光束中的内圆激光照射区域的下方；

所述焊接添料的材料与两块待焊接板材的材料均不同；所述焊接添料剖口尺寸小于等于双圆环复合整形光束的内圆激光聚焦光斑尺寸，待焊接板材工件的接头部位总体尺寸小于等于双圆环复合整形光束的外圆环激光聚焦光斑尺寸；

所述双圆环复合整形光束由高斯能量分布的内圆激光和贝塞尔能量分布的外圆环激光构成；

(2)开启激光输出双圆环复合整形光束，并控制双圆环复合整形光束沿焊缝方向前进，使得焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描；同时调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合参数，使得激光辐照区域的母材熔深大于等于待焊接板材工件厚度，以实现深熔焊缝的单面焊双面成型；或者使得激光辐照区域的母材熔深大于等于待焊接板材工件厚度的一半，先实现深熔焊缝的单面焊单面成型，再调整工件与激光焊接头的相对方位，使得双圆环复合整形光束从未焊的另一面入射，实现另一面的焊缝成型；

焊接过程中，同时控制内圆激光的能量密度使得焊缝中心熔池温度高于内藏添料熔点以实现内藏添料的熔化，内圆高斯激光束与外圆环贝塞尔激光束之间的环形间隔产生对应的温度梯度使得熔池内部的流动加速，最终凝固形成内含富集添料金属的焊接接头。

2.根据权利要求1所述的基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法，其特征在于，步骤(1)中双圆环复合整形光束的构造方法为：由光纤接头接入的单波长高斯激光束入射至分束镜，经由分束镜一分为二为A束和B束，A束沿原方向行进，B束的行进方向转折90度，A束入射至锥透镜组合系统，通过锥透镜组合系统输出贝塞尔环形激光束，再入射至空间合束镜；B束入射至第一45度反射镜，经第一45度反射镜的转折后入射至扩束准直系统，再经第二45度反射镜转折入射至空间合束镜；A束和B束激光经空间合束镜的合束后出射双圆环复合整形光束。