CN108890131B - 一种基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法，其特征在于：步骤1、提供需要对接的第一工件和第二工件；步骤2、将第一工件和第二工件准确对接；步骤3、提供焊接工作台，焊接工作台表面放置一铜板；步骤4、用焊接夹具将第一工件和第二工件准确对接与夹紧固定在铜板上；步骤5、提供吸气装置；步骤6、提供激光焊接系统；步骤7、启动激光焊接系统，激光焊接头聚焦形成的激光束垂直辐照工件表面；步骤8、启动吸气装置；步骤9、激光焊接结束后，关闭激光发生器和吸气装置，完成焊接过程。本发明中，通过预制特殊的流道，使得激光深熔焊接小孔内部压力平衡和熔池下流，有效避免焊接飞溅和钉子头焊缝的形成。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法。
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。
激光深熔焊接具有焊接接头深宽比大、焊接速度快、热影响区小、且一般不加填充材料等优点。并且随着高功率、高光束质量的光纤激光的快速发展，激光焊接在各行业得到越来越广泛的应用。由于在高能量密度(106~106W/cm2)激光束的照射作用下，激光焊接不锈钢过程中形成深熔小孔，有利于增加焊接熔深和激光能量的吸收比率，然而深熔小孔内存在频繁波动且不断向外喷射的金属蒸气，使得焊接熔池不稳定，焊接小孔容易坍塌，产生飞溅、塌陷、驼峰等缺陷。并且，在激光焊接过程中，由于喷出的金属蒸气对熔池表面的热辐射、以及因马兰戈尼（Marangoni） 对流和气化反冲压力等因素的驱使下不断向孔外流动的熔融金属，使得接近上表面的熔池宽度较下部宽，焊缝截面呈现出类似于“钉子头”的焊缝截面形貌。
发明内容
本发明针对激光深熔焊接厚板成形过程中，易出现飞溅、钉子头等焊缝成形缺陷，提供一种基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法。
本发明提供一种基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法，包括如下步骤：
步骤1：提供需要对接的第一工件和第二工件，分别在第一工件和第二工件的对接端面加工坡口面和系列Z型半圆槽,形成预制流道。
步骤2：将第一工件和第二工件准确对接，实现第一工件和第二工件对接端面上的系列Z型半圆槽精确对准，从而组成完整系列Z型圆槽和方形坡口。
步骤3：提供焊接工作台，焊接工作台表面放置一铜板，铜板上表面与水平面成一定角度α。
步骤4：用焊接夹具将第一工件和第二工件准确对接与夹紧固定在铜板上。
步骤5：提供吸气装置，吸气装置的橡胶气嘴与第一工件和第二工件对接的方形坡口端面吸附, 使底部强制成形得到良好的焊缝，避免熔融金属向下流动而形成底部驼峰，实现双面良好成形。
步骤6：提供激光焊接系统，激光焊接系统包括激光发生器、传输光纤、激光焊接头、机械手、固定支架、保护气喷嘴，激光发生器通过传输光纤与激光焊接头相连。
步骤7：启动激光焊接系统，激光焊接头聚焦形成的激光束垂直辐照工件表面。
步骤8：启动吸气装置，调节阀调节吸气气压大小。
步骤9：激光焊接结束后，关闭激光发生器和吸气装置，完成焊接过程。
在其中一实施例中，步骤1中，工件厚度均为t>12 mm。
在其中一实施例中，步骤2中，方形坡口的宽度d为1～3 mm，高度h为1～3 mm。
在其中一实施例中，步骤2中，系列Z型半圆槽的直径D为1～3 mm。
在其中一实施例中，步骤2中，系列Z型半圆槽的倾角β和γ分别为45～60°、30～60°。
在其中一实施例中，步骤2中，相邻两Z型半圆槽之间的距离Δ为3 ～ 10 mm。
在其中一实施例中，步骤3中，铜板上表面与水平面成一定角度α为5 ~ 20°。
在其中一实施例中，步骤7中，激光焊接头聚焦形成的激光束功率大于10 kW，焊接速度为0.3～1.0 m/min。
在其中一实施例中，步骤8中，橡胶气嘴吸气的压力大小保持在0.01～0.1 bar。
本发明的有益效果是：
在本发明中，通过在焊道上开设一系列Z型圆槽通道，形成预制流道，激光深熔焊接过程中焊接小孔内聚集的过饱和的金属蒸汽可以沿着预制Z型圆槽流道溢出，保持小孔内部压力平衡，有效避免焊接飞溅的形成。
在本发明中，通过在焊道上开设一系列Z型圆槽通道，形成预制流道，激光深熔焊接过程中焊接小孔前沿壁下方的熔融金属将沿着预制流道向下流动，有效避免了大量的熔融金属在蒸发反冲压力的作用下向焊接熔池上部流动在马兰戈尼对流效应的影响下形成钉子头焊缝。
在本发明中，通过在焊道上开设一系列Z型圆槽通道和方形坡口，形成预制流道，激光深熔焊接过程中焊接小孔前沿壁下方的熔融金属将沿着预制流道向下流动，或熔融金属沿着焊接方向向坡口流动，可以对工件底部母材金属进行预热，减少激光能量的输入。
附图说明
图1是本发明实施例一种基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法所涉及的设备与工件布置示意图。
图2是图1所示方法中焊接区纵截面示意图。
图3是图1所示方法中第二工件加工面示意图。
图4是图3所示方法中第一工件与第二工件对接时的横截面剖视示意图。
图5是常规激光深熔焊接板材横截面示意图。
其中：1-铜板，2-第一工件，3-橡胶气嘴，4-第二工件，5-激光发生器，6-传输光纤，7-机械手，8-激光焊接头，9-固定支架,10-保护气喷嘴，11-激光束，12-焊缝，13-焊接工作台，14-真空泵，15-调节阀，16-Z型半圆槽，17-焊接小孔，18-焊接熔池，19-金属蒸汽，20-方形坡口。
具体实施方式
以下将结合附图以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-5所示，本发明实施例提供了一种基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法包括如下步骤：
步骤1：提供需要对接的第一工件2和第二工件4，分别在第一工件2和第二工件4的对接端面加工坡口面和系列Z型半圆槽16,形成预制流道。
可选的，工件厚度均为t>12 mm
步骤2：将第一工件2和第二工件4准确对接，实现第一工件2和第二工件4对接端面上的系列Z型半圆槽16精确对准，从而组成完整系列Z型圆槽和方形坡口20。
可选的，方形坡口20的宽度d为1～3 mm，高度h为1～3 mm。
可选的，系列Z型半圆槽16的直径D为1～3 mm。
可选的，系列Z型半圆槽16的倾角β和γ分别为45～60°、30～60°。
可选的，相邻两Z型半圆槽16之间的距离Δ为3 ～10 mm。
步骤3：提供焊接工作台13，焊接工作台13表面放置一铜板1，铜板1上表面与水平面成一定角度α。
可选的，铜板1上表面与水平面成一定角度α为5 ~ 20°
步骤4：用焊接夹具将第一工件2和第二工件4准确对接与夹紧固定在铜板1上。
步骤5：提供吸气装置，吸气装置的橡胶气嘴3与第一工件2和第二工件4对接的方形坡口20端面吸附, 使底部强制成形得到良好的焊缝12，避免熔融金属向下流动而形成底部驼峰，实现双面良好成形。
步骤6：提供激光焊接系统，激光焊接系统包括激光发生器5、传输光纤6、激光焊接头8、机械手7、固定支架9、保护气喷嘴10，激光发生器5通过传输光纤6与激光焊接头8相连。
步骤7：启动激光焊接系统，激光焊接头8聚焦形成的激光束11垂直辐照工件表面。
可选的，激光焊接头8聚焦形成的激光束11功率大于10 kW，焊接速度为0.3～1.0m/min。
步骤8：启动吸气装置，调节阀15调节吸气气压大小。
可选的，橡胶气嘴3吸气的压力大小保持在0.01～0.1 bar。
步骤9：激光焊接结束后，关闭激光发生器5和吸气装置，完成焊接过程。
在本发明中，通过在焊道上开设一系列Z型圆槽通道，形成预制流道，激光深熔焊接过程中焊接小孔17前沿壁下方的熔融金属将沿着预制流道向下流动，有效避免大量的熔融金属在蒸发反冲压力的作用下向焊接熔池18上部流动在马兰戈尼对流效应的影响下形成钉子头焊缝。
在本发明中，通过在焊道上开设一系列Z型圆槽通道，形成预制流道，激光深熔焊接过程中焊接小孔17内聚集的过饱和的金属蒸汽19可以沿着预制Z型圆槽流道溢出，保持焊接小孔17内部压力平衡，有效避免焊接飞溅的形成。
在本发明中，通过在焊道上开设一系列Z型圆槽通道和方形坡口20，形成预制流道，激光深熔焊接过程中焊接小孔17前沿壁下方的熔融金属将沿着预制流道向下流动，或熔融金属沿着焊接方向向坡口流动，可以对工件底部母材金属进行预热，减少激光能量的输入。
Claims (6)
1.一种基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法，其特征在于：
步骤1：提供需要对接的第一工件和第二工件，分别在第一工件和第二工件的对接端面加工坡口面和系列Z型半圆槽,形成预制流道；
步骤2：将第一工件和第二工件准确对接，实现第一工件和第二工件对接端面上的系列Z型半圆槽精确对准，从而组成完整系列Z型圆槽和方形坡口；
步骤3：提供焊接工作台，焊接工作台表面放置一铜板，铜板上表面与水平面成一定角度α；
步骤4：用焊接夹具将第一工件和第二工件准确对接且夹紧固定在铜板上；
步骤5：提供吸气装置，吸气装置的橡胶气嘴与第一工件和第二工件对接的方形坡口端面吸附, 使底部强制成形得到良好的焊缝，避免熔融金属向下流动而形成底部驼峰，实现双面良好成形；
步骤6：提供激光焊接系统，激光焊接系统包括激光发生器、传输光纤、激光焊接头、机械手、固定支架、保护气喷嘴，激光发生器通过传输光纤与激光焊接头相连；
步骤7：启动激光焊接系统，激光焊接头聚焦形成的激光束垂直辐照工件表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在第一工件和第二工件上，激光深熔焊接过程中焊接小孔前沿壁下方的熔融金属将沿着预制流道向下流动，有效避免大量的熔融金属在蒸发反冲压力的作用下向焊接熔池上部流动在马兰戈尼对流效应的影响下形成钉子头焊缝；
步骤8：启动吸气装置，调节阀调节吸气气压大小；
步骤9：激光焊接结束后，关闭激光发生器和吸气装置，完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法，其特征在于：步骤1中，方形坡口的宽度d为1～3 mm，高度h为1～3 mm。
3.根据权利要求1所述基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法，其特征在于：步骤2中，系列Z型半圆槽的直径D为1～3 mm。
4.根据权利要求1所述基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法，其特征在于：在步骤3中，铜板上表面与水平面成一定角度α为5 ~ 20°。
5.根据权利要求1所述基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法，其特征在于：步骤7中，激光焊接头聚焦形成的激光束功率大于10 kW，焊接速度为0.3～1.0 m/min。
6.根据权利要求1所述基于预制流道的激光深熔焊接板材的方法，其特征在于：步骤8中，橡胶气嘴吸气的压力大小保持在0.01～0.1 bar。
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