CN108581197B - 一种激光能量调制焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光能量调制焊接方法，属于激光材料加工技术领域。特征在于：焊接时，根据激光焊接特征时间(光斑直径除以焊接速度)，激光能量按一定的调制频率进行功率调制输出焊接。具体特点是激光输出恒定功率时间t1与激光输出调制功率时间t2交替出现，交替频率为10Hz～500Hz；t2时间段内激光的功率在零瓦与P之间(P为t1时间内的恒定功率)。t1和t2的选取与焊接特征时间有关。这种焊接方法的优点在于可大幅度的减少激光能量输入，使熔池剧烈蒸发过程减弱，焊件变形明显减小，且几乎不影响焊接熔深；由于大幅度的降低了制造能耗，使得焊接制造过程更绿色环保。

Description

一种激光能量调制焊接方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，属于激光材料加工技术领域，尤其涉及一种激光能量调制焊接方法。
背景技术
与传统的焊接技术相比，激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊缝深宽比大、接头性能好等显著的优点，被认为是焊接领域中最具活力的连接技术之一，已被广泛应用于核电、海洋、国防等领域。近年来，随着这些领域的快速发展，对焊接厚度、质量等方面均提出了更高的要求。例如，核反应堆的一些待焊部件厚度超过了100mm，采用激光焊接技术已面临新的挑战。目前，可行的方法包括电弧窄间隙多层填充焊、激光窄间隙多层填充焊及激光-电弧窄间隙多层填充焊，但此类方法存在重复加热、变形大、小孔型气孔多和侧壁未熔合缺陷难控制等难题。如果激光功率足够大，采用激光穿透焊的方式可能会克服上述难题。
近年来，得益于工业激光技术的突破，特别是光纤激光技术的突破，其最大稳定输出功率已可达100kW，这使得核电、海洋、国防等领域厚板的穿透高质焊接成为可能。例如，日本科学家采用50kW光纤激光，在低真空下实现了100mm厚不锈钢板的穿透焊接。然而，激光的功率太高又引入了新的问题：即使针对焊接性能优良的不锈钢，其穿透焊接过程也极不稳定。湖南大学采用10kW光纤激光焊接厚板不锈钢，发现焊接过程中蒸发和飞溅非常剧烈，且存在焊件变形、焊缝凹陷和焊缝底部下榻严重等焊接缺陷。
激光焊接的物理本质是基于熔池中的深熔小孔实现激光光能到熔池热能的光热转化。激光焊接中材料的剧烈蒸发和飞溅、焊件变形、焊缝表面凹陷及焊缝底部下榻等缺陷，均与焊接过程中激光能量输入过大(导致熔池处于过热状态)有关。一方面，为了获得更大的穿透深度，需要提高激光的功率和降低焊接速度；另一方面，提高激光功率和降低焊接速度以后，又存在能量输入过大导致的熔池过热问题。因此，在激光焊接中，需要对输入的激光能量实行调制，达到即不影响穿透深度，又抑制熔池能量过高引入的负面影响。
激光焊接厚板中，深熔小孔的形成过程非常迅速(见图2)，小孔的快速形成时间Tg(即孔深从快速增加过程转变为缓慢增加过程的拐点时间)小于焊接特征时间Tc(Tc为光斑直径除以焊接速度)。因此，在Tc内，设置前0～Tg内激光功率恒定，可基本不影响熔深；而在Tg～Tc内降低激光功率(该时间内激光功率对熔深几乎没有贡献，反而导致熔池处于过热状态)，可降低熔池中输入的激光能量。如此周而复始的进行能量调制焊接，可明显降低激光输入能量，几乎不影响熔深，显著降低焊件变形；另外，还可使生产过程更绿色环保。
本方法在焊接过程中周期性地调制输入的激光能量，在几乎不影响熔深的情况下，通过降低熔池中输入的能量，降低激光焊接中由于能量输入过大而引入的蒸发和飞溅剧烈、焊接过程稳定性差、焊件变形严重等负面影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光能量调制焊接方法，适用于金属材料和非金属材料的激光焊接。
所述的激光能量调制焊接方法，其特征在于：焊接时，激光光斑作用于工件表面，其功率按一定的调制频率进行调制焊接。
所述的激光能量调制焊接方法，主要工艺参数为激光输出恒定功率时间t1与激光输出调制功率时间t2交替出现，交替频率为10～500Hz；t1为Tg～Tc，t2为Tc-t1～5Tc；t2时间段内激光的功率为零瓦至P(P为t1时间段的恒定功率)。
其中Tg为深熔小孔从快速形成过程转变为慢速形成过程的拐点时间，Tc为作用于板面的光斑直径除以焊接速度。
本发明的有益效果是，在最佳调制的工艺参数下焊接时，大幅度的减少熔池中激光输入的能量，焊接深度几乎不变，焊件变形大幅度减小，焊接飞溅明显减少，焊缝成形改善明显，焊接制造过程更绿色环保。
附图说明
图1为激光能量调制焊接示意图；
图2为未调制焊接熔深随时间的变化规律及焊缝纵向图；
图3为功率调制的波形图；
图4为实施例得到的焊缝横截面及能量耦合比例；
图中，1.待焊工件，2.深熔小孔，3.激光束，4.聚焦镜，5.传输光路，6.激光器，7.数据线，8.电脑，9.保护气喷嘴，10.熔池及焊缝。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
采用IPG YLS 6kW光纤激光(光斑直径0.33mm，零离焦)变化速度进行焊接，熔深随焊接时间的变化规律及焊缝纵向形貌见图2，低速时小孔快速形成过程到缓慢形成过程的拐点时间约为6ms(该时间与激光参数和材料物理特性有关，低速时粗略估算可为焊接特征时间的一半)，板材向右运动，焊接初始位置的熔深形成过程非常迅速。
以2m/min速度焊接为例，焊接特征时间Tc约为10ms。可见焊接特征时间的前6ms小孔已基本形成，后4ms激光输出能量对熔深几乎没有影响。针对该参数，分别采用6:4(前6ms输出激光能量，后4ms激光功率为零，交替频率为100Hz)、8:2(前8ms输出激光能量，后2ms激光功率为零，交替频率为100Hz)和10:0(即激光能量未调制)三种激光能量调制方式(激光功率在t2时间段的波形为“台阶”型，见图3(a))，在同一块低碳钢板材上进行能量调制焊接实验。结果表明这三种能量调制方式几乎不影响焊接熔深(见图4)。而采用6:4调制焊接时，减少了40％的激光输入能量。考虑到激光的能量转换效率低于30％，且多余的热量还需额外能量支撑的水冷系统散出，采用该方法实际降低的能耗会非常高。此外，通过调制激光能量的方式降低熔池中输入的激光能量，将显著地降低熔池的过热状态，提高焊接过程的稳定性。
以下实施例均达到近似的效果，并且比实施例1更好，更为大地降低了能耗。
实施例2
一种激光能量调制焊接方法，包括以下步骤：
1)将激光束作用于待焊板材，采用惰性气体保护焊接熔池；
2)激光输出功率的调制波形采用“\”型，见图3(b)所示。即t1时间段激光功率恒定为P，而t2时间段激光的功率自P开始，线性减小至0W；
实施例3
一种激光能量调制焊接方法，包括以下步骤：
1)将激光束作用于待焊板材，采用惰性气体保护焊接熔池；
2)激光输出功率的调制波形采用“V”型，见图3(c)所示。即t1时间段激光功率恒定为P，而t2时间段激光功率的变化波形采用“V”型；
实施例4
一种激光能量调制焊接方法，包括以下步骤：
1)将激光束作用于待焊板材，采用惰性气体保护焊接熔池；
2)激光输出功率的调制波形采用“U”型，见图3(d)所示。即t1时间段激光功率恒定为P，而t2时间段激光功率的变化波形采用“U”型；
以上所述，仅为本发明的几种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种激光能量调制焊接方法，其特征在于：焊接时，激光束作用于工件表面，同时激光的输出功率按特定的时间比例实现调制输出，具体如下：
激光器输出恒定功率时间t1与输出调制功率时间t2交替出现；
t1为Tg，t2为Tc-t1；t2时间段内激光功率为零瓦或从P线性减小至零瓦，P为t1时间段内的恒定功率；
其中Tg为深熔小孔从快速形成过程转变为慢速形成过程的拐点时间，Tc为作用于板面的光斑直径除以焊接速度。
2.根据权利要求1所述的一种激光能量调制焊接方法，其特征在于：用于正离焦、负离焦或零离焦焊接。
3.根据权利要求1所述的一种激光能量调制焊接方法，其特征在于：适用于激光填丝焊。
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