CN107971632A - 一种消除背面飞溅的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接制造技术，具体公开一种消除背面飞溅的激光焊接方法，首先安装保护气罩，焊接头与保护气罩固定安装，焊钳预固定，在焊接头四周间隔均匀地点焊或断续焊，最后进行焊接。由于激光束作用金属表面剧烈气化形成金属蒸汽会阻碍光束到达材料，随后发生：“金属气化程度降低——金属蒸汽减少——到达材料激光能量升高——金属蒸汽增多——达到材料能量降低”的反复过程，从而使“小孔”周期性闭合。因此利用该气罩往焊接正前方、平行于材料表面吹出氮气，能够消除金属蒸汽这种周期性影响因素，利于“小孔”稳定。利用气罩均匀吹出氩气能使焊缝在冷却过程中避免被空气氧化。

Description

一种消除背面飞溅的激光焊接方法

技术领域

本发明属于焊接制造技术，具体涉及一种激光焊接方法。

背景技术

激光能量集中，加热速度快，激光焊按照能量密度与热量传输方式为热导焊与深熔焊。激光深熔焊时，激光束能量密度大，焊缝金属由于剧烈气化，形成自表面向熔池内部的“小孔”，热量通过“小孔”内的对流、辐射、传导方式向周围传递，熔池深宽比大，焊接应力与变形小。同时激光焊还具有自动化程度高、焊接速度快的优点。目前在要求控制应力与变形的钢结构焊接领域，以及要求高效率的汽车制造领域，激光焊已被广泛应用，其焊接飞溅时被允许的或者有条件直接用机械的办法去除掉的。

但是在容器制造领域，由于其服役条件为高温高压有时还伴随腐蚀介质，因此对焊缝质量要求更高，通常要求承压界面的焊缝都全焊透，焊接不能产生背面飞溅(容器焊后内部难以接触，无法去除)。现有激光焊接工艺要想消除背面飞溅，就不可能焊透，反之亦然。

激光作用下的熔池气化剧烈始终处于沸腾状态，熔池金属流动速度快。随着激光热输入的增加，在“小孔”表面形成的金属蒸发压增大，克服液态金属的表面张力、重力与流动阻力，推动小孔穿透母材熔化接头，形成全焊透焊缝。根据现有焊接工艺理论，控制飞溅则应控制激光焊接热输入，使其“刚好焊透”接头,在背面熔融非常少的金属从而避免飞溅。这种“刚好焊透”是一种理想的临界状态，而在实际焊接生产中，在这种临界状态下焊出的焊缝除了仍然有飞溅，还会间断地出现焊瘤、未焊透。其背面飞溅牢固附着于容器内壁表面，不光用高压水枪冲不掉，即使直接用钢丝刷也不能刷干净，同时还会损伤容器壁的表面。

因此这个问题已经超过现有工艺的解决范围，正因为如此使得激光焊在容器制造领域的应用大受限制，特别对于焊缝厚度在5mm以上时，要求焊透且无背面飞溅更难以实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除背面飞溅的激光焊接方法，其有利于焊缝双面成型并减少飞溅。

本发明的技术方案如下：

一种消除背面飞溅的激光焊接方法，该方法包括以下步骤：

1)安装保护气罩，焊接头与保护气罩固定安装；

2)焊钳预固定

在焊接头四周间隔均匀地点焊或断续焊；

3)焊接

a)焊缝背面通氩气，排尽空气，激光发射前1-5s与焊接过程中，开启氮气和氩气；

b)采用正离焦的光束进行焊接；

3mm≤T≤16mm时，离焦量F＝cT²+d，c＝0.01mm^-1，d＝4.8mm，微调范围为±10％；

c)采用给定的焊接速度V与激光束功率P进行焊接；

其中，P＝1.11T-0.42,V＝-0.07T+1.82，其中T为接头母材厚度。

所述的步骤1)将保护气罩安装在零件外，底部距离零件外表3～6mm，保护气罩前端加工成坡面和垂直平面，与焊接头接触的面为垂直平面，垂直方向与零件1表面垂直。

所述的保护气罩内部加工有两路气体通道，一路通气体A，另一路通气体B，气体A的通道出口位于前端的垂直平面上，直接将气体A吹向激光束；气体B的通道出口设有多个，加工在保护气罩底部，将气体B吹向零件表面，气体A为氮气，气体B为氩气。

在所述步骤2)中：

当T≤10mm时，点焊深度为1/4T～1/3T，点焊间隔为150/T～200/T；

当10mm＜T≤15mm时，采用断续焊，断续焊长度为T～3T，间隙为300/T～600/T。

所述的步骤3)中：

当3mm≤T≤6mm时，采用平焊、横焊或立焊；

当6mm≤T≤10mm时，采用平焊、横焊；

当T≥10mm时，采用横焊。

本发明的显著效果如下：

焊接时由于激光束作用金属表面剧烈气化形成金属蒸汽会阻碍光束到达材料，随后发生：“金属气化程度降低——金属蒸汽减少——到达材料激光能量升高——金属蒸汽增多——达到材料能量降低”的反复过程，从而使“小孔”周期性闭合。因此利用该气罩往焊接正前方、平行于材料表面吹出氮气，能够消除金属蒸汽这种周期性影响因素，利于“小孔”稳定。利用气罩均匀吹出氩气能使焊缝在冷却过程中避免被空气氧化。

正离焦与零焦、负焦相比，“小孔”开口更大，因此“小孔”闭合的倾向更小，在“刚焊透”这种临界状态下“小孔”的稳定性好，能得到飞溅少焊缝。

接头母材越厚，“小孔”越深，由于熔池重力影响变大，“小孔”变得不稳定容易闭合，立向下焊与仰焊时重力的不利影响得以加强，熔池成型不良，焊缝质量不佳。T≥10mm时，熔池会在重力作用下流淌，因此采用横焊位平衡正反面焊缝重力的有利于焊缝双面成型并减少飞溅。

附图说明

图1为焊接正面气体保护罩，沿焊缝中心线剖视图；

图中：1.零件；2.激光束；3.保护气罩。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

在激光焊接领域，小孔又名匙孔，英文名为key hole。按焊接熔池形成的机理区分,激光焊接有两种基本模式:热导焊和深熔焊,前者所用激光功率密度小于104～105W/cm2,工件吸收激光后,仅达到表面熔化,然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池.后者激光功率密度大于105～107W/cm2，由于激光能量密度高，金属工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔，激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸汽压力。

1)焊接前设备安装

如图1所示，保护气罩3安装在零件1外，底部距离零件外表3～6mm，前端加工成坡面和垂直平面，与激光束2接触的面为垂直平面，垂直方向与零件1表面垂直。焊接头与保护气罩3固定安装。

在保护气罩3内部加工有两路气体通道，一路通气体A，另一路通气体B，气体A的通道出口位于前端的垂直平面上，直接将气体A吹向激光束2；气体B的通道出口设有多个，加工在保护气罩3底部，将气体B吹向零件表面。

气体A为氮气，气体B为氩气。

2)焊钳预固定

由于激光焊加热与冷却速度快，为防止焊接过程间隙变化从而影响小孔动态过程，在焊接头1四周间隔均匀地点焊或断续焊。

T≤10mm时，点焊深度为1/4T～1/3T(T为接头母材厚度)，点焊间隔为150/T～200/T。

当10mm＜T≤15mm时，由于点焊太深会造成材料气化损失形成下凹，采用断续焊，断续焊长度为T～3T，间隙为300/T～600/T。

3)焊接

a)焊缝背面通气体C，排尽空气，气体C为氩气，激光发射前1-5s与焊接过程中，开启氮气和氩气；

b)其次，采用正离焦的光束进行焊接，即激光束经工件外聚焦后再照射到工件表面。

当焊接头母材厚度3mm≤T≤16mm时，离焦量F为F＝cT²+d，c＝0.01mm^-1，d＝4.8mm，微调范围为±10％。

c)采用给定的焊接速度V与激光束功率P进行焊接

现有焊接工艺理论认为，在一定范围内，低速低功率与高速高功率都能焊接同等厚度的焊缝，再加上不同的离焦量对焊接厚度有巨大，要焊透同等厚度接头，其参数组合数不胜数。然而绝大多数参数所焊的焊缝正反面鱼鳞纹粗糙，正反面飞溅多。

理论分析与实验发现合理地匹配功率与焊接速度能使“小孔”稳定地张开；而反过来，当“小孔”始终张开时，P与T，V与T将出现近似的线性相关性，即P与T成正比，V与T成反比，这种参数有利于“临界状态”的稳定，进而得到飞溅少的焊缝。

以这种分析结果为指导，可以用少量的调试试验即可得到适用于3～15mm所有厚度钢对接接头焊接参数(包括P/V)。当采用激光波长为1060纳米的光纤激光器时，该参数的经验公式为P＝1.11T-0.42,V＝-0.07T+1.82：。同时根据设备不同的激光器、焊接头与光纤的配置，需微调5％。

当接头母材厚度3mm≤T≤6mm时不可仰焊，可采用平焊、横焊、立焊；

当6mm≤T≤10mm时，不可立向立焊、仰焊，可采用平焊、横焊；

当T≥10mm时，只能横焊；

接头母材越厚，“小孔”越深，由于熔池重力影响变大，“小孔”变得不稳定容易闭合，立焊与仰焊时重力的不利影响得以加强，熔池成型不良，焊缝质量不佳。当接头母材更厚，特别是T≥10mm时，熔池会在重力作用下流淌，因此采用横焊位平衡正反面焊缝重力的有利于焊缝双面成型并减少飞溅。焊接位置的定义根据标准ISO 6947：2011(Welding andallied processes--Welding Positions)。

实施例1

产品接头母材材质为304，厚度为3mm，板对接接头，平焊位。

要求：全焊透，焊缝质量达到ISO 13919-1B级，在焊缝背面及其周围的腔内每米焊缝，直径≥0.1mm飞溅数量N≤5。

焊接设备为6kW光纤激光器，配重复定位精度优于0.05的工业机器人，150μm芯径光纤与300mm焦距的焊接头。

结合说明书附图说明焊接过程如下：

a.焊前准备

用不锈钢去油剂去除大部分油脂后干燥，装配前用丙酮擦拭坡口与坡口周围15mm范围。

用铝加工制作说明书附图所示3焊接保护气罩，气罩的外形尺寸为长120×宽50×高35，将其固定在焊接头上，并置于产品接头中心线上方约3mm，接气体A氮气(纯度99.996％)气体B氩气(纯度99.992％)

b.装配

装配前测量零件坡口厚度为2.9mm≤T≤3.02mm，将零件放置于孔隙平台上，对齐坡口用组合夹具夹紧，测量错变量≤0.2mm，间隙≤0.3mm；

c.点焊与参数设置

气体A——氮气出口压强为0.3MPa，提前2s送气，滞后2s停气；

气体B——氩气流量为20L/min，提前2s送气，滞后2s停气；

气体C——点焊时不通气；

激光功率1kw，离焦量2mm，光束角度90°，激光器工作方式为连续模式，持续时间50ms，点焊间隔为60mm，深度约为1mm；

d.焊接编程与参数设置

焊接轨迹为闭合椭圆，圆弧最小半径为R200。

气体A——氮气出口压强为0.3MPa，提前2s送气，滞后2s停气；

气体B——氩气流量为20L/min，提前2s送气，滞后4s停气；

气体C——氩气流量为10L/min,提前10min送气，焊后10s停气；

激光功率2.8kw，离焦量5mm，光束角度90°，激光器工作方式为连续模式，焊接速度1.6m/min，上坡时间1s，下坡时间2s，重叠40mm；

e.焊接后进行射线、目视与渗透检查,焊缝符合ISO 13919-1B级要求，工业内窥镜检查腔体内部焊缝及附近区域(使用0.5MPa压缩空气吹扫后)无直径≥0.1mm飞溅。

实施例2

产品接头母材材质为316L，厚度为9mm，管对接接头管，外径为D500mm，管子转动平焊位。

要求：全焊透，焊缝质量达到ISO 13919-1 B级，在焊缝背面及其周围的腔内每米焊缝，直径≥0.1mm飞溅数量N≤20。

焊接设备为16kW光纤激光器，配重复定位精度优于0.05mm的工业机器人，200μm芯径光纤与300mm焦距的焊接头。

结合说明书附图说明焊接过程如下：

a.焊前准备

用不锈钢去油剂去除大部分油脂后干燥，装配前用丙酮擦拭坡口与坡口周围20mm范围。

用铝加工制作说明书附图所示3焊接保护气罩，气罩的外形尺寸为长120×宽50×高35，将其固定在焊接头上，并置于产品接头中心线上方约3mm，，接气体A氮气(纯度99.996％)气体B氩气(纯度99.992％)

b.装配

装配前测量零件坡口厚度为7.86mm≤T≤8.12mm，将零件放置于孔隙平台上，对齐坡口用组合夹具夹紧，测量错变量≤0.3mm，间隙≤0.4mm；

c.点焊与参数设置

气体A——氮气出口压强为0.4MPa，提前2s送气，滞后2s停气；

气体B——氩气流量为20L/min，提前2s送气，滞后2s停气；

气体C——点焊时不通气；

激光功率3kw，离焦量6mm，光束角度90°，激光器工作方式为连续模式，持续时间80ms，点焊间隔为20mm，深度约为2.5mm；

d.焊接编程与参数设置

气体A——氮气出口压强为0.4MPa，提前2s送气，滞后2s停气；

气体B——氩气流量为20L/min，提前2s送气，滞后4s停气；

气体C——氩气流量为10L/min,提前10min送气，焊后10s停气；

激光功率9.1kw，离焦量13mm，光束角度90°，激光器工作方式为连续模式，焊接速度1.2m/min，上坡时间为2s，下坡时间为4s，重叠60mm；

e.焊接后进行射线、目视与渗透检查,焊缝符合ISO 13919-1B级要求，工业内窥镜检查腔体内部焊缝及附近区域(用1MPa自来水冲洗后)无直径≥0.1mm飞溅。

实施例3

产品接头母材材质为316L(N)-IG，厚度为15mm，板对接焊缝，焊接位置为横焊位。

要求：全焊透，焊缝质量达到ISO 13919-1B级，在焊缝背面及其周围的腔内每米焊缝，直径≥0.5mm飞溅数量N≤10，0.1mm≤直径≤0.5mm飞溅数量≤100

焊接设备为16kW光纤激光器，配重复定位精度优于0.05mm的工业机器人，200μm芯径光纤与300mm焦距的焊接头。

结合说明书附图说明焊接过程如下：

a.焊前准备

用不锈钢去油剂去除大部分油脂后干燥，装配前用丙酮擦拭坡口与坡口周围50mm范围。

用铝加工制作说明书附图所示3焊接保护气罩，气罩的外形尺寸为长200×宽60×高40，将其固定在焊接头上，并置于产品接头中心线上方约5mm，，接气1氮气(纯度99.996％)气2氩气(纯度99.992％)

b.装配

装配前测量零件坡口厚度为14.84mm≤T≤15.16mm，将零件放置于孔隙平台上，对齐坡口用组合夹具夹紧，测量错变量≤0.5mm，间隙≤0.5mm；

c.点焊与参数设置

气体A——氮气出口压强为0.5MPa，提前2s送气，滞后2s停气；

气体B——氩气流量为37L/min，提前2s送气，滞后2s停气；

气体C——点焊时不通气；

激光功率5kw，离焦量8mm，光束角度90°，激光器工作方式为连续模式，焊接速度为1.4m/min，断续焊间隔为25mm，长度为20mm，深度约为4mm；

d.焊接编程与参数设置

焊接轨迹为直线，焊缝开始与结尾位置放置引弧板，焊后拆除。

气体A——氮气出口压强为0.5MPa，提前2s送气，滞后2s停气；

气体B——氩气流量为37L/min，提前2s送气，滞后4s停气；

气体C——氩气流量为10L/min,提前10min送气，焊后10s停气；

激光功率16.2kw，离焦量27mm，光束角度90°，激光器工作方式为连续模式，焊接速度0.75m/min，上坡时间为2s，下坡时间为4s；

e.焊接后进行射线、目视与渗透检查,焊缝符合ISO 13919-1B级要求，工业内窥镜检查腔体内部焊缝及附近区域(用1MPa自来水冲洗后)：飞溅数量为0。

Claims (5)

1.一种消除背面飞溅的激光焊接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)安装保护气罩，焊接头与保护气罩固定安装；

2)焊钳预固定

在焊接头四周间隔均匀地点焊或断续焊；

3)焊接

a)焊缝背面通氩气，排尽空气，激光发射前1-5s与焊接过程中，开启氮气和氩气；

b)采用正离焦的光束进行焊接；

3mm≤T≤16mm时，离焦量F＝cT²+d，c＝0.01mm^-1，d＝4.8mm，微调范围为±10％；

c)采用给定的焊接速度V与激光束功率P进行焊接；

其中，P＝1.11T-0.42,V＝-0.07T+1.82，其中T为接头母材厚度。

2.如权利要求1所述的一种消除背面飞溅的激光焊接方法，其特征在于：所述的步骤1)将保护气罩安装在零件外，底部距离零件外表3～6mm，保护气罩3前端加工成坡面和垂直平面，与激光束接触的面为垂直平面，垂直方向与零件1表面垂直。

3.如权利要求1所述的一种消除背面飞溅的激光焊接方法，其特征在于：所述的保护气罩内部加工有两路气体通道，一路通气体A，另一路通气体B，气体A的通道出口位于前端的垂直平面上，直接将气体A吹向激光束；气体B的通道出口设有多个，加工在保护气罩底部，将气体B吹向零件表面。

4.如权利要求1所述的一种消除背面飞溅的激光焊接方法，其特征在于，在所述步骤2)中：

当T≤10mm时，点焊深度为1/4T～1/3T，点焊间隔为150/T～200/T；

当10mm＜T≤15mm时，采用断续焊，断续焊长度为T～3T，间隙为300/T～600/T。

5.如权利要求1所述的一种消除背面飞溅的激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤3)中：

当3mm≤T≤6mm时，采用平焊、横焊或立焊；

当6mm≤T≤10mm时，采用平焊、横焊；

当T≥10mm时，采用横焊。