CN109702324B - 一种基于激光超声的双光束激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光超声的双光束激光焊接方法，其包括如下步骤：1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域；2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式；3）设定脉冲振荡激光束作用模式；4）启动焊接程序，热源激光器和脉冲振荡激光器工作，出射主热源激光束和特定参数的脉冲振荡激光束，开始焊接；5）焊接结束时，先关停脉冲振荡激光束出射，再关停主热源激光束，延迟停止保护气，结束全部焊接流程。其能够通过脉冲振荡激光束激励产生熔池超声能场，从而提高焊缝的结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化。

Description

一种基于激光超声的双光束激光焊接方法

技术领域

本发明涉及先进焊接制造，具体涉及一种基于激光超声的双光束激光焊接方法。

背景技术

随着科技的高速发展，焊接制造对生产效率、制造精度和制造质量提出了越来越高的要求。同时，高效率、低能耗的现代制造技术已经成为制造领域一个重要的发展方向。激光焊接是一种高效精密焊接方法，作为精密焊接广泛应用于航空航天、汽车、机械制造等工业生产制造的各行各业。

激光焊优点是不需要在真空中进行，激光能量精确可控，既可以实现精密微型器件的焊接，也可以适用于大型构件高效焊接制造；热输入低，热变形小，焊接区域热影响区窄；能应用于多种金属材料，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。缺点则是应用于焊接制造的激光束穿透力不如电子束强，且焊接高反射率金属材料时光束作用吸收率低，容易影响焊接质量。

激光焊接技术具有生产效率高、热输入低、焊接质量可靠性高等优点，但相对于固相焊接技术，如果热输入或焊接工艺控制不当，激光焊等熔化焊接生产制造方法容易出现气孔缺陷，容易造成焊缝结构内部组织晶粒粗大。用于激光焊接的激光器包括连续激光器和脉冲激光器两大类别。近年，大功率连续激光器已在生产制造中大量应用，显示出突出的技术优势。而脉冲激光热源具有单脉冲功率高、平均热输入低、能量密度大等特点。将这两种激光热源结合用于焊接制造，为实现降低制造成本、提升制造效率、保证制造质量带来了新的可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光超声的双光束激光焊接方法，其能够提高焊缝结构致密度，提高熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化，实现不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料结构的激光焊接制造。

本发明所述的基于激光超声的双光束激光焊接方法，所述方法采用脉冲振荡激光束辅助主热源激光束组成的双激光束熔化待焊接工件形成熔池，并高频振荡激光熔池，激励产生熔池超声能场，从而形成致密且细晶的焊缝组织结构，其包括如下步骤：

1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得两者的出射激光束位于同一平面或同轴；

2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式：

当主热源激光为非脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲能量与主热源激光能量为任意匹配；

当主热源激光为脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲与主热源激光脉冲的能量匹配包括：

当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；需要说明的是，所述峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲为峰值时，主热源激光脉冲也为峰值；

当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲，脉冲振荡激光脉冲频率至少2倍于主热源激光脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲为峰值时，主热源激光脉冲为基值；

3）设定脉冲振荡激光束作用模式为定点扫描，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同；

4）启动焊接程序，主热源激光器和脉冲振荡激光器工作，出射主热源激光束和脉冲振荡激光束，脉冲振荡激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，开始焊接；

5）焊接结束时，先关停脉冲振荡激光束出射，再关停主热源激光束，延迟停止保护气，结束全部焊接流程。

进一步，所述主热源激光束为非脉冲模式或脉冲模式，当主热源激光束为脉冲模式时，其与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲。

进一步，所述主热源激光束为光纤激光或半导体激光等材料加工用激光束，脉冲振荡激光束为Q调制的Nd:YAG脉冲激光。

进一步，所述脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束或同轴双激光束；当脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束时，以工作台前进方向为参照，脉冲振荡激光束作用点在后，主热源激光束作用点在前，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域；当脉冲振荡激光与主热源激光为同轴双激光束时，脉冲振荡激光束与主热源激光束光路内部同轴出射，脉冲振荡激光束能量作用于主热源激光束产生的熔池中心。

进一步，所述主热源激光束的额定功率范围为1~6kW。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明利用主热源激光束作为焊接成形所需要的主要能量，借助高频脉冲振荡激光能量作用于主热源激光熔池区域，使主热源激光熔池受激产生超声能场，加速熔池中气体溢出，减少宏、微观孔隙，显著提高熔凝结构致密度。同时，高频脉冲振荡激光激励熔池产生超声能场诱发声空化效应，提高了熔池中的异质形核率，促进均匀形核，使熔池凝固过程晶粒生长得以显著细化，得到的焊缝内部结构致密，焊缝组织均匀且晶粒细小。

2、本发明通过限定脉冲振荡激光束参数，结合主热源激光束与脉冲振荡激光束的协同工作模式和能量匹配方式，保证了主热源激光束作为热源使用，脉冲振荡激光束起到激励熔池产生超声能场的作用。当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为同步脉冲时，脉冲能量峰值-峰值匹配将使脉冲振荡激光脉冲在主热源激光脉冲作用产生熔池的同时，在熔池中激励产生超声能场，并在熔池中诱发产生超声流、超声脉动冲击波，影响熔池对流和固液界面晶粒形核，使熔池中气相加速逸出以及提高晶核形核率。当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲时，除了脉冲能量峰值-峰值匹配时产生的熔池超声能场，能量峰值-基值匹配同样在熔池中激励产生超声能场，使上述对熔池的作用效果得以强化。

3、本发明能够实现低热输入制造，能量消耗和制造成本低。

附图说明

图1是基于激光超声的双光束激光焊接系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲的波形示意图；

图3是本发明实施例二的主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲的波形示意图；

图中，1—脉冲振荡激光器，2—主热源激光器，3—电源，4—待焊工件，5—脉冲振荡激光束，6—主热源激光束，7—主热源行走方向，8—主热源激光脉冲，9—脉冲振荡激光脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

参见图1，实现本发明方法的基于激光超声的双光束激光焊接系统包括脉冲振荡激光器1、主热源激光器2和电源3，主热源激光器2与电源3连接，由脉冲振荡激光器1射出脉冲振荡激光束4，主热源激光器2射出主热源激光束6作用于待焊工件4上，待焊工件4固定于焊接平台上。

实施例一，一种基于激光超声的双光束激光焊接方法，其包括如下步骤：

1、待焊工件4为两根6061铝合金管材，一根长度30mm，直径40mm，管壁厚度4mm，另一根长度50mm，直径50mm，管壁厚度为9mm，焊接工艺采用不填充焊接材料的对接自熔焊。将待焊工件4夹持固定于焊接平台上，且待焊工件4接电源3正极，主热源激光器2接电源3负极。调整脉冲振荡激光器1和主热源激光器2的相对位置，使得主热源激光器2出射的主热源激光束6和脉冲振荡激光器1出射的脉冲振荡激光束5位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，脉冲振荡激光束作用点在后，主热源激光束作用点在前，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域。

2、主热源激光束与脉冲振荡激光束的协同工作模式，主热源激光采用额定功率为5kW的光纤激光，主热源激光脉冲频率为1kHz，输出功率为5kW；脉冲振荡激光采用额定功率为200W的Q调制Nd:YAG激光，脉冲频率为1kHz，脉冲激光峰值功率为20kW，脉冲宽度为200ns。在脉冲同步控制器的同步功能设置中设置脉冲协同工作模式，使主热源激光脉冲8与脉冲振荡激光脉冲9为同步脉冲能量匹配。参见图2，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，所述峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲9为峰值时，主热源激光脉冲8也为峰值。

3、设定脉冲振荡激光束作用模式为定点扫描，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同。

4、启动焊接程序，主热源激光器2和脉冲振荡激光器1工作，出射主热源激光束6和脉冲振荡激光束5。焊接过程中使用的保护气体为纯氩气，保护气体流量为20L/min，主热源激光束6的行走速度为15mm/s。

5、制造结束时，先关停脉冲振荡激光束5出射，再关停主热源激光束6，延迟停止保护气，完成待焊工件4的焊接制造流程。

该实施例得到的焊缝外观成形良好，无表面缺陷，焊接结构无变形，适合高精度焊接制造。

实施例二，一种基于激光超声的双光束激光焊接方法，其包括如下步骤：

1、待焊工件4采用厚度为4mm的304不锈钢板，送粉器4内的粉末材料粒度为200~300目的奥氏体不锈钢粉末；将待焊工件4水平装夹固定于焊接平台上，且待焊工件4接电源3正极，主热源激光器2接电源3负极。调整脉冲振荡激光器1和主热源激光器2的相对位置，使得主热源激光器2出射的主热源激光束6和脉冲振荡激光器1出射的脉冲振荡激光束5位于同一平面，且以工作台前进方向为参照，脉冲振荡激光束作用点在后，主热源激光束作用点在前，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域。

2、主热源激光束与脉冲振荡激光束的协同工作模式，主热源激光采用额定功率为5kW的光纤激光，主热源激光脉冲频率为1kHz，输出功率为1.5kW。脉冲振荡激光采用额定功率为200W的Q调制Nd:YAG激光，脉冲频率为50kHz，脉冲激光峰值功率为20kW，脉冲宽度为200ns。在脉冲同步控制器的同步功能设置中设置脉冲协同工作模式，使主热源激光脉冲8与脉冲振荡激光脉冲9为异步脉冲能量匹配。参见图3，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；所述的峰值-峰值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲9为峰值时，主热源激光脉冲8也为峰值；所述的峰值-基值匹配指的是：在同一能量匹配周期内，当脉冲振荡激光脉冲9为峰值时，主热源激光脉冲8为基值。

3、设定脉冲振荡激光束作用模式为定点扫描，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同。

4、启动焊接程序，所述焊接程序的生成流程为：对零件三维建模，通过剖分软件对模型进行分层处理，得到扫描路径数据，生成焊接程序。主热源激光器2和脉冲振荡激光器1工作，出射主热源激光束6和脉冲振荡激光束5。焊接过程中使用的保护气体为纯氩气，保护气体流量为20L/min，主热源激光束6的行走速度为12mm/s。

5、制造结束时，先关停脉冲振荡激光束5出射，再关停主热源激光束6，延迟停止保护气，完成待焊工件4的焊接制造流程。

该实施例焊接完成后，焊缝表面成形均匀，焊接结构无可视变形，适合高精度焊接制造成形。

Claims (5)

1.一种基于激光超声的双光束激光焊接方法，其特征在于：所述方法采用脉冲振荡激光束辅助主热源激光束组成的双激光束熔化待焊接工件形成熔池，并通过脉冲振荡激光束高频振荡激光熔池，激励产生熔池超声能场，从而形成致密且细晶的焊缝组织结构，其包括如下步骤：

1）调整主热源激光和脉冲振荡激光的相对位置，使得两者的出射激光束位于同一平面或同轴；

2）设定主热源激光束与脉冲振荡激光束能量的协同工作模式：

当主热源激光为非脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲能量与主热源激光能量为任意匹配；

当主热源激光为脉冲模式时，脉冲振荡激光脉冲与主热源激光脉冲的能量匹配包括：

当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为同步脉冲，在一个能量匹配周期内，脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配；

当主热源激光脉冲与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲，脉冲振荡激光脉冲频率至少2倍于主热源激光脉冲频率，在一个能量匹配周期内，至少包括一个脉冲能量匹配为峰值-峰值匹配，其余脉冲能量匹配为峰值-基值匹配；

3）设定脉冲振荡激光束作用模式为定点扫描，脉冲振荡激光束定点作用于熔池区域，脉冲振荡激光束的运动速率与主热源激光束运动速率相同；

4）启动焊接程序，主热源激光器和脉冲振荡激光器工作，出射主热源激光束和脉冲振荡激光束，脉冲振荡激光脉冲频率为可听声频100Hz～20kHz或超声频20kHz以上，脉冲峰值功率不低于2kW，开始焊接；

5）焊接结束时，先关停脉冲振荡激光束出射，再熄灭主热源激光束，延迟停止保护气，结束全部焊接流程。

2.根据权利要求1所述的基于激光超声的双光束激光焊接方法，其特征在于：所述主热源激光束为非脉冲模式或脉冲模式，当主热源激光束为脉冲模式时，其与脉冲振荡激光脉冲为异步脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光超声的双光束激光焊接方法，其特征在于：所述主热源激光束为光纤激光或半导体激光，脉冲振荡激光束为Q调制的Nd:YAG脉冲激光。

4.根据权利要求1或2所述的基于激光超声的双光束激光焊接方法，其特征在于：所述脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束或同轴双激光束；

当脉冲振荡激光与主热源激光为旁轴双激光束时，以工作台前进方向为参照，脉冲振荡激光束作用点在后，主热源激光束作用点在前，使得脉冲振荡激光束能量作用于熔池尾部区域；

当脉冲振荡激光与主热源激光为同轴双激光束时，脉冲振荡激光束与主热源激光束光路内部同轴出射，脉冲振荡激光束能量作用于主热源激光束产生的熔池中心。

5.根据权利要求1或2所述的基于激光超声的双光束激光焊接方法，其特征在于：所述主热源激光束的额定功率范围为1~6kW。

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