CN107855672A - 一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：将激光光斑聚焦到工件焊缝处，对工件进行激光焊接；在对工件进行激光焊接的同时，将高能量脉冲电流作用于焊缝熔池；激光焊接结束后，当焊缝温度降低到100℃以下时，停止作用高能量脉冲电流；所述的高能量脉冲电流为衰减振荡的高能量脉冲电流。耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：系统包括脉冲激光源、脉冲激光控制单元、工作平台、绝缘底板、运动控制主机、高能量脉冲电源、铜电极1和铜电极2。本发明具有能够对处于凝固结晶过程中的金属材料以及金属固体材料进行高能量脉冲电流与激光焊接耦合处理，从而从缺陷产生的源头去降低激光焊接残余应力的优点。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特指一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统。
技术背景
激光焊接是一项重要的材料成型工艺，被广泛应用于航空航天、海洋工程、汽车等领域。然而激光焊接是一个材料的局部区域快速加热和冷却的过程，非均匀的温度场会在成型后的材料中产生残余应力，尤其是焊缝区域会产生较大的拉伸残余应力，从而降低了材料的屈服强度和疲劳寿命，增加了应力腐蚀开裂作用，同时也是材料产生变形和裂纹萌生、扩展、开裂的重要原因。因此，如何消除材料激光焊接成型时产生的拉伸残余应力一直是机械制造技术领域中的一项重要研究课题。
传统的残余应力消除工艺有自然时效和热时效技术。自然时效技术是最古老的时效方法，这种时效技术处理效果很差、耗时太长、占地面积大。热时效技术相对于自然时效技术极大地缩短了时效的周期，应用广泛，然而热时效技术的缺点也是明显的：时效周期较长、能耗高、工件容易氧化、经济成本高、环境污染严重且不易处理大型工件、小尺寸工件、加热易受损伤的工件以及装配后无法热处理的装配件。
磁处理技术是一种通过动态磁场与钢铁材料相互作用来改善构件中残余应力分布的时效方法。磁处理技术具有操作简捷、能耗低等特点，但是该技术仅能处理铁磁性材料。电脉冲时效技术是将高能量脉冲电流注入材料内部，激发材料内部带电粒子的运动，最终达到降低材料内部残余应力的目的。电脉冲时效技术具有处理设备简单、环境污染小等特点，属于绿色环保的残余应力消除技术。爆炸法和锤击法是两种采用机械法消除残余应力的时效技术。这两种方法消除残余应力的效果有限，并且爆炸法只适用于那些在强大的冲击波作用下不会造成破坏的材料，锤击法需要锤击者具有较高的操作水平、合理的把握锤击的时机。
振动时效技术，是通过振动，使构件内部残余应力与附加振动应力之和超过材料的屈服极限，材料内部产生微量塑性变形，从而使材料内部残余应力得以降低。振动时效技术具有处理效果好、处理时间短、环境污染小、能耗低、易于现场操作等特点，属于高效节能绿色环保的时效处理技术；在二十一世纪振动时效技术具备了取代传统热时效技术的可能。
从上面的各种残余应力消除工艺的研究看出，这些残余应力消除工艺都是消除金属固体材料的残余应力，然而对于以凝固过程作为其最终加工环节的工件，凝固过程的影响尤为重要！对于凝固后还要经过进一步加工处理的工件，凝固的影响也特别明显，因为凝固过程形成的粗大微观组织和缺陷是很难在进一步加工处理中消除的。因此在材料制造的开始就控制好凝固过程具有特别重要的意义。
综上所述，我们不难发现上述的残余应力消除工艺都可以在一定程度上消除金属材料焊接成型后的残余应力，然而在焊接成型过程中金属在焊接高温的作用下会被熔化，金属液体在凝固结晶过程中会产生微观组织粗大缺陷，这些缺陷很难通过残余应力消除工艺进行消除。与此同时，随着微制造技术的不断发展，小尺寸工件的应用越来越广泛，比如MEMS器件朝着更小的尺寸发展，然而小尺寸工件焊接成型时产生的残余应力会对材料的性能产生严重的影响，如何消除小尺寸工件的残余应力已经成为微制造技术领域的一项重要研究课题。
为了降低激光焊接残余应力，提高激光焊接件的质量，本发明提出一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统，尤其适用于降低小尺寸工件激光焊接成型后的残余应力与降低激光焊接引起的局部残余应力。
发明内容
针对目前残余应力消除技术存在的不足，本发明提出一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统，旨在为了降低激光焊接残余应力，提高激光焊接件的质量，尤其适用于降低小尺寸工件激光焊接成型后的残余应力。此外本发明提出的一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统也适用于降低激光焊接引起的局部残余应力，通过降低各个局部区域的激光焊接残余应力，从而实现降低工件整体的激光焊接残余应力的目的。
耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：将激光光斑聚焦到工件焊缝处，对工件进行激光焊接；在对工件进行激光焊接的同时，将高能量脉冲电流作用于焊缝熔池；激光焊接结束后，当焊缝温度降低到100℃以下时，停止作用高能量脉冲电流；所述的高能量脉冲电流为衰减振荡的高能量脉冲电流。
所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：所述的高能量脉冲电流峰值I＝1～200kA，所述的高能量脉冲电流宽度t＝50～200μs，所述的脉冲重复频率为f＝0.1～1Hz。
所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：采用所述的衰减振荡的高能量脉冲电流作用于激光焊缝熔池，脉冲电流峰值大，脉冲电流宽度小，致使短时间作用于激光焊缝熔池的脉冲电流能量大且集中，有利于提高激光焊接残余应力的释放效果。
所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：所述的激光焊接焊缝熔池位于所述的高能量脉冲电流的电流密度最大处。激光焊接焊缝熔池位于所述的高能量脉冲电流的电流密度最大处，能够有利于加速熔池内部金属液体的流动，即高能量脉冲电流能够对金属液体起到搅拌作用，能够细化金属液体凝固结晶后的微观组织，消除激光焊接焊缝处微观组织粗大的缺陷，达到降低激光焊接残余应力的目的。本发明提出的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，在对工件进行激光焊接的同时作用高能量脉冲电流，搅拌金属液体，细化微观组织，降低激光焊接件的残余应力，这是从微观缺陷产生的源头去降低残余应力，这是自然时效、热时效、电脉冲时效、振动时效等目前常用的残余应力消除技术所不能达到的。此外，激光焊接刚结束时，激光焊接件依然具有较高的温度，在较高的激光焊接温度作用下，能够降低金属材料塑性变形的流变应力，从位错滑移运动的角度来说，在较高的激光焊接温度作用下，能够降低位错滑移运动的阻力，更加有利于微观塑性变形的产生，从而提高残余应力的释放效果。此时在激光焊接刚结束时，将激光焊接焊缝熔池置于高能量脉冲电流的电流密度最大处，更有利于高能量脉冲电流激活位错运动，从而进一步提高残余应力释放效果，这也是本发明为什么不是在激光焊接结束时，就停止输入高能量脉冲电流，这主要是为了充分利用激光焊接结束所产生的残余热能来进一步提高激光焊接件的残余应力释放效果。
为了实现本发明提出的一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，本发明提出一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统包括脉冲激光源、脉冲激光控制单元、工作平台、绝缘底板、运动控制主机、高能量脉冲电源、铜电极1和铜电极2；所述的脉冲激光控制单元与所述的脉冲激光源相连接，用于控制脉冲激光源产生脉冲激光；所述的工作平台与运动控制主机相连接，用于控制工作平台的三轴向运动，实现脉冲激光的定位以及脉冲激光沿着激光焊接件焊缝方向的运动；所述的高能量脉冲电源两个输出端口分别与所述的铜电极1和所述的铜电极2相连接；所述的铜电极1和所述的铜电极2分别与激光焊接件相连接，用于将高能量脉冲电流传输到激光焊接件焊缝熔池中；所述的绝缘底板装夹于工作平台上；所述的激光焊接件装夹于绝缘底板上。
所述的高能量脉冲电源包括交流电输入模块、电压放大模块、充电模块、电能储存模块、放电模块、上位机主控模块、脉冲电流测量模块、断电泄荷模块、输出端口1和输出端口2。
所述的充电模块包括交流电整流模块和充电开关；所述的放电模块包括放电开关和可调电感；所述的脉冲电流测量模块包括分流器和示波器。
所述的充电开关和放电开关受控于上位机主控模块，控制电能储存模块的有序充电和放电。
所述的脉冲电流测量模块中的分流器，用于检测放电模块所产生的高能量脉冲电流波形。
所述的断电泄荷模块与电能储存模块相连接，受控于上位机主控模块，实现断电时释放电能储存模块的残余电能。
所述的放电模块接入的所述的可调电感，用于调整高能量脉冲电流的波形。
所述的电能储存模块是由多个高能量密度的电容器并联组成。
本发明的技术构思是：通过脉冲激光产生装置和脉冲电源产生装置组成一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，用于在激光焊接的同时，将高能量脉冲电流输入到激光焊接件焊缝熔池中，降低激光焊接件焊接成型后的残余应力，提高激光焊接件的质量。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提出的一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统，能够将高能量脉冲电流注入到处于凝固结晶过程中的金属材料以及金属固体材料中，从而从缺陷产生的源头去降低材料中的残余应力。
2、通过本发明提出的一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统对金属材料进行处理，能够细化晶粒和激活位错运动，从而降低激光焊接件成型后的残余应力。
3、本发明提出的一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统对金属材料进行处理时，并不是激光焊接结束时，立马停止输入高能量脉冲电流，而是当温度降低到一定程度时才停止高能量脉冲电流的输入，能够充分利用激光焊接残余热能来提高激光焊接件焊接成型后的残余应力释放效果。
4、耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统对金属材料进行处理时，是由上位机进行控制，无需手动操作，减少了工作量，提高了工作效率。
附图说明
图1一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统示意图。
图2脉冲电源示意图。
图3激光焊接件尺寸示意图。
图4高能量脉冲电流波形。
图5高能量脉冲电流作用下晶粒细化示意图。
图6高频振动焊接过程中位错激活能示意图。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：将激光光斑聚焦到工件焊缝处，对工件进行激光焊接；在对工件进行激光焊接的同时，将高能量脉冲电流作用于焊缝熔池；激光焊接结束后，当焊缝温度降低到100℃以下时，停止作用高能量脉冲电流；所述的高能量脉冲电流为衰减振荡的高能量脉冲电流。
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为了实现本发明提出的一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，本发明提出一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统包括脉冲激光源、脉冲激光控制单元、工作平台、绝缘底板、运动控制主机、高能量脉冲电源、铜电极1和铜电极2；所述的脉冲激光控制单元与所述的脉冲激光源相连接，用于控制脉冲激光源产生脉冲激光；所述的工作平台与运动控制主机相连接，用于控制工作平台的三轴向运动，实现脉冲激光的定位以及脉冲激光沿着激光焊接件焊缝方向的运动；所述的高能量脉冲电源两个输出端口分别与所述的铜电极1和所述的铜电极2相连接；所述的铜电极1和所述的铜电极2分别与激光焊接件相连接，用于将高能量脉冲电流传输到激光焊接件焊缝熔池中；所述的绝缘底板装夹于工作平台上；所述的激光焊接件装夹于绝缘底板上。
所述的高能量脉冲电源包括交流电输入模块、电压放大模块、充电模块、电能储存模块、放电模块、上位机主控模块、脉冲电流测量模块、断电泄荷模块、输出端口1和输出端口2。
所述的充电模块包括交流电整流模块和充电开关；所述的放电模块包括放电开关和可调电感；所述的脉冲电流测量模块包括分流器和示波器。
所述的充电开关和放电开关受控于上位机主控模块，控制电能储存模块的有序充电和放电。
所述的脉冲电流测量模块中的分流器，用于检测放电模块所产生的高能量脉冲电流波形。
所述的断电泄荷模块与电能储存模块相连接，受控于上位机主控模块，实现断电时释放电能储存模块的残余电能。
所述的放电模块接入的所述的可调电感，用于调整高能量脉冲电流的波形。
所述的电能储存模块是由多个高能量密度的电容器并联组成。
采用本发明提出的一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统对图3所示的两块具有相同尺寸的激光焊接件进行高能量脉冲电流与激光焊接耦合处理。激光焊接件的尺寸为长40mm，宽15mm，厚1mm，激光焊接方向沿着激光焊接件的长度方向。对图3所示的两块具有相同尺寸的激光焊接件进行高能量脉冲电流与激光焊接耦合处理时，高能量脉冲电源产生图4所示的衰减振荡的高能量脉冲电流波形，其峰值电流能够达到172kA，高能量脉冲电流注入到激光焊接件焊缝熔池中，能够细化微观组织和激活位错运动，降低金属材料焊接成型后的残余应力，提高激光焊接件的质量。
采用本发明提出的一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统对焊接成型过程中的金属材料进行高能量脉冲电流处理能够降低材料的残余应力，主要体现在两个方面，其一为高能量脉冲电流对金属液体的作用，如图5所示，在焊接高温的作用下金属材料的强度较低，激光焊缝熔池内形成的柱状树枝晶以及枝晶受到高能量脉冲电流的作用，柱状晶以及枝晶很容易破碎，同时破碎的晶体颗粒也可以成为晶体形核的核心，即细化了晶粒，消除了金属材料焊接成型后微观组织粗大的缺陷，即达到了降低金属材料焊接成型后的残余应力的目的；除此以外，如图6所示金属材料微观组织内的位错激活运动的能量主要包括热激活能和机械功两部分。焊缝熔池内形成的微观组织内部也会产生位错等微观缺陷，从而在材料内部产生残余应力，但是在焊接高温的作用下，金属材料塑性变形的流变应力会降低，即如图6所示位错滑移运动的最大剪切阻力会降低，使得材料微观组织内的位错只需要在较小的剪切作用力τf的作用下就可以沿着滑移面运动，产生微观塑性变形，从而达到降低材料内部残余应力的目的。通过采用本发明提出的一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法及系统对焊接成型过程中的金属材料进行高能量脉冲电流处理能够细化晶粒和激活位错运动，从而降低金属材料激光焊接成型后的残余应力，提高激光焊接件的质量。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (12)
1.耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：将激光光斑聚焦到工件焊缝处，对工件进行激光焊接；在对工件进行激光焊接的同时，将高能量脉冲电流作用于焊缝熔池；激光焊接结束后，当焊缝温度降低到100℃以下时，停止作用高能量脉冲电流；所述的高能量脉冲电流为衰减振荡的高能量脉冲电流。
2.如权利要求1所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：所述的高能量脉冲电流峰值I＝1～200kA，所述的高能量脉冲电流宽度t＝50～200μs，所述的脉冲重复频率为f＝0.1～1Hz。
3.如权利要求1所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：采用所述的衰减振荡的高能量脉冲电流作用于激光焊缝熔池，脉冲电流峰值大，脉冲电流宽度小，致使短时间作用于激光焊缝熔池的脉冲电流能量大且集中，有利于提高激光焊接残余应力的释放效果。
4.如权利要求1所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，其特征在于：所述的激光焊接焊缝熔池位于所述的高能量脉冲电流的电流密度最大处。
5.为实现权利要求1所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的方法，提出一种耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统包括脉冲激光源、脉冲激光控制单元、工作平台、绝缘底板、运动控制主机、高能量脉冲电源、铜电极1和铜电极2；所述的脉冲激光控制单元与所述的脉冲激光源相连接，用于控制脉冲激光源产生脉冲激光；所述的工作平台与运动控制主机相连接，用于控制工作平台的三轴向运动，实现脉冲激光的定位以及脉冲激光沿着激光焊接件焊缝方向的运动；所述的高能量脉冲电源两个输出端口分别与所述的铜电极1和所述的铜电极2相连接；所述的铜电极1和所述的铜电极2分别与激光焊接件相连接，用于将高能量脉冲电流传输到激光焊接件焊缝熔池中；所述的绝缘底板装夹于工作平台上；所述的激光焊接件装夹于绝缘底板上。
6.如权利要求5所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：所述的高能量脉冲电源包括交流电输入模块、电压放大模块、充电模块、电能储存模块、放电模块、上位机主控模块、脉冲电流测量模块、断电泄荷模块、输出端口1和输出端口2。
7.如权利要求5所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：所述的充电模块包括交流电整流模块和充电开关；所述的放电模块包括放电开关和可调电感；所述的脉冲电流测量模块包括分流器和示波器。
8.如权利要求5所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：所述的充电开关和放电开关受控于上位机主控模块，控制电能储存模块的有序充电和放电。
9.如权利要求5所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：所述的脉冲电流测量模块中的分流器，用于检测放电模块所产生的高能量脉冲电流波形。
10.如权利要求5所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：所述的断电泄荷模块与电能储存模块相连接，受控于上位机主控模块，实现断电时释放电能储存模块的残余电能。
11.如权利要求5所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：所述的放电模块接入的所述的可调电感，用于调整高能量脉冲电流的波形。
12.如权利要求5所述的耦合高能量脉冲电流降低激光焊接残余应力的系统，其特征在于：所述的电能储存模块是由多个高能量密度的电容器并联组成。
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