CN111098029A - 金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置与方法，所述装置包括：激光焊接系统，激光冲击锻打系统以及智能检测控制系统。该方法包括1)激光焊接系统通过高能激光束利用热效应辐射加热金属工件表面进行焊接，与此同时第二束短脉冲激光利用冲击波力学效应对处于锻造温度范围内的焊接区进行冲击锻打；2)脉冲宽度、能量、峰值功率和重复频率等激光焊接参数与冲击锻打参数相互约束与协同，并确定激光冲击锻打的最佳温度区域和尺寸范围及冲击强化参数。本发明通过双激光束充分利用了热效应和冲击波力学效应，省工省时并且省去专用加热设备，能消除减轻焊件内部残余应力，可避免或降低焊接残余拉应力的危害，具有极大经济效益和社会效益。

Description

金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置与方法

技术领域

本发明涉及金属低应力焊接技术领域，特别涉及一种金属双激光束低应力冲击锻打焊接装置与方法。

背景技术

焊接是指通过适当的物理化学过程，使两个彼此分离的固态物体产生原子或分子间结合力而形成为成一体的连接方法。激光焊接是以激光作为能量载体的一种高效精密的焊接方法，是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一，70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。激光应用于焊接技术中极大地推进了焊接技术的发展，由于具有高质量、高精度、低变形、高效率和高速度，能在室温或特殊条件下进焊接，设备装置简单等独特的优点，在工业领域得到广泛应用，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中，其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用也越来越广。但是金属工件在冷热加工过程中都会产生残余应力，在焊接过程中焊缝区域依次经历快速加热熔化、快速凝固结晶和固态相变等几个重要阶段，形成了大量的非平衡凝固组织，使各区域的组织形态相差悬殊，从而使焊接完成的试件存在残余应力高、疲劳寿命短、变形幅度达、力学性能差和裂纹倾向明显等特征缺陷，且尤以残余应力的影响为甚，屈服极限附近工件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用；如降低工件的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大的影响了工件的尺寸精度。因此降低和消除工件的残余应力就十分必要，由残余应力引起的疲劳失效更不容忽视。

目前消除残余应力的最通用的方法是对焊接工件进行随焊处理和焊后热处理，随焊处理是指在进行焊接操作的同时，在被焊接区域的附近所进行的一系列处理措施，主要包括随焊碾压、随焊旋转挤压、随焊锤击、振动焊接、随焊激冷、随焊预拉伸和随焊电磁感应，现有的随焊处理技术缺乏智能化、精度化，对于结构复杂的焊接件的处理具有一定的局限性，不能更好的消除焊件缺陷；焊后热处理是指在焊接操作完成以后对被焊件所施加的一处理措施，即将焊件加热到一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。焊后处理是焊接区域冷却后再进行处理，其塑性变形小，很难彻底消除内部的残余应力、变形、微裂纹等缺陷，焊件加热装置复杂程度随着熔敷零件的尺寸增大和结构复杂性增加将成倍增加，待焊件冷却后再加热效率低，浪费能源。

随着航天航空航空航天、轨道交通以及汽车等制造业发展对金属材料性能要求越来越高，为了更进一步提高制造效率，对各种不同复杂器件局部区域进行焊接强化，更彻底的消除焊件区域内部的残余应力、变形、微裂纹等缺陷，本发明提出了一种金属双激光束低应力冲击锻打焊接装置与方法，采用双激光束同时对金属工件进行焊接和冲击锻打，当焊接激光束辐射到待焊工件利用热效应使焊接区域快速熔化形成熔池，同时另一束短脉冲激光利用冲击波力学效应对尚处于最佳高温温度的焊接区域进行同步冲击锻打。也即工件焊接和强化同时进行，同时完成。两束激光束参数选择相互影响，达到两者之间最佳匹配，才能够保证焊接速度质量达最佳。本发明方法在提升金属工件焊接效率的同时保证焊接质量，这对于保证金属零件性能、提高制造效率、提升我国制造业水平等都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置与方法，提高效率的同时能够更有效避免焊件内部的残余应力、变形、微裂纹等问题，实现低应力焊接，提高金属零件的机械性能和疲劳强度。一种金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置，包括产生焊接激光束的激光焊接系统，激光冲击系统，智能检测控制系统。

本发明一种金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：由焊接激光系统产生的焊接激光束利用热效应对所焊接金属材料焊接区域进行熔化形成熔池；同时由冲击强激光器产生的短脉冲激光利用冲击波力学效应对尚处于最佳高温温度的焊接区域进行同步冲击锻打。也即工件焊接和冲击锻打在一步工序同时进行，同时完成。双激光束充分利用了热效应和冲击波力学效应，焊接激光参数与冲击强化激光参数相互影响调控，同时同步耦合工作，同时进行焊接和强化，显著提升焊接工件内部质量和力学综合性能，更好的实现低应力焊接。

优选地，还包括：所述的金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其特征在于，这两束不同功能激光束在焊接锻打过程中始终同步同向移动，直至整个零件焊接完成。从空间位置看，冲击强化适宜温度和焊接速度决定了两束激光束之间的距离一般小于1mm量级；从作用时间看，焊接熔池温度的冷却结晶速度极高，这决定了两束激光束开始作用时间间隔在1s之内，两束激光在整个零件的制造过程中始终同步工作。

优选地，还包括：所述的金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其特征在于，激光焊接系统参数与冲击强化激光参数相互耦合影响，相互协调以达到最佳匹配状态，双激光束参数均实行智能在线监测与控制，根据监测结果协调调整焊接激光参数和短脉冲激光锻打强化参数，根据待焊接材料类型调节焊接激光功率密度、脉冲宽度、能量、焊接速度、峰功率和重复频率等工艺参数，同时短脉冲激光锻打参数由光束质量检测仪器或装置监测与控制，根据焊接区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小等参数。反过来，短脉冲激光冲击强化参数的选择又约束着激光焊接速度和功率密度等参数的选择，形成闭环耦合控制，以确保金属工件实现低应力焊接。

优选地，还包括：所述的金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其特征在于，所述焊接过程的焊接激光束及焊接区温度场由非接触式温度场测量仪在线监测与控制，根据待焊接金属材料的不同特性，将适合材料焊接成形强化温度范围设定为目标函数，然后根据温度场调整焊接激光参数和冲击强化参数。使焊接材料熔化-冷却到最适合金属塑性成形温度区间也即适合冲击强化的温度范围时，由第二束短脉冲激光对其进行强化处理。如温度过高/过低导致材料熔化-冷却后偏移最佳温度区，则可以调整焊接激光温度，反过来第二束短脉冲激光冲击强化参数的选择又约束着焊接速度选择，形成闭环耦合控制，保证强化处理区温度始终处于最佳温度范围内，以确保金属工件更好的实现低应力焊接。

优选地，还包括：所述的金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其特征在于，双激光束的工艺参数实行在线检测和控制，所述焊接激光束垂直聚焦于待焊接区域，所述第二束短脉冲激光可对焊接区实现法向冲击锻打、正面冲击或者侧面冲击锻打，可实现与焊接激光束方位任意组合，强化喷嘴中心线与焊接平面层夹角可以在15°～165°范围内任意角度或者位置变换，可处理不同结构特点的焊接成形零件，满足零件变形最小精度最高的技术要求。

综上所述，本发明所提供的金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置与方法，双激光束充分利用了热效应和冲击波力学效应，同时同步耦合工作，将焊接处理工序和焊后处理工序同时同步完成，省工省时并且省去专用加热设备，能更好的消除或减轻焊接工件的残余应力、变形、组织缺陷和裂纹等不利因素，实现真正的低应力焊接，可避免或降低焊接残余拉应力的危害，具有极大经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明所提出的双激光冲击锻打低应力焊接方法实施步骤；

图2为本发明方法装置示意图，图3为本发明方法微观结构示意图，其中冲击锻打激光—1和5，焊接激光—2和6，焊接熔池—3和7，工件—4和8。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明的技术方案作进一步描述说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的步骤。

如图2所示，一种新型冲击锻打低应力焊接装置，包括激光焊接系统、激光冲击锻打系统、智能在线监控检测系统。

(1)上述结构中，安装好要焊接的工件，接通电源，同时启动焊接激光器和强化激光发出激光束，焊接激光照射金属工件表面利用热效应使焊接区域快速熔化形成熔池进行焊接，与此同时第二束短脉冲激光利用冲击波力学效应对处于最佳塑性成形温度范围内的焊接区进行冲击强化，是由两束不同功能的激光束同时且相互协同焊接强化金属工件的过程，使得金属焊接工序和后处理冲击锻打工序在一步制造工序中高效、高质量完成；焊接激光参数与冲击锻打激光参数相互影响调控，同时同步耦合工作，同时进行焊接和强化。

在该步骤中存在以下工艺参数检测与控制过程，请参考图2和图3。

1)所述的焊接激光功率密度是激光焊接过程中最重要的工艺参数之一，激光光斑直径一定时，激光功率密度随着激光功率的增加而增大。可根据待焊工件结构尺寸需求调整激光功率密度。

2)所述的焊接激光焊接速度可根据待焊金属工件特性和结构设定并实行在线监测与控制，如如果焊接速度过快，熔池温度不够，易造成未焊透、未熔合、焊缝成型不良等缺陷；如果焊接速度过慢，使高温停留时间增长，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变粗，机械性能降低，同时使变形量增大。根据监测结果协调调整焊接激光焊接速率；同时短脉冲激光强化参数由光束质量检测仪器或装置监测与控制，根据焊接区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小等参数，以确保整个焊接区深度材料获得充分强化透彻。

3)所述焊接激光束和熔池温度由非接触式温度场测量仪在线监测与控制，根据加工金属材料的特性，将适合最佳塑性变形的温度范围设定为目标函数，然后根据温度场调整焊接激光参数和冲击强化激光参数。使焊接材料熔化-冷却后处于最适合金属塑性成形温度区间，由第二束短脉冲激光进行冲击强化。如温度过高/过低导致焊接材料熔化-冷却后偏移最佳塑性成形温度区，则降低/升高第一束焊接激光温度，或者调整冲击锻打激光参数，保证冲击锻打区温度始终处于最容易塑性变形的温度范围内。

4)所述的金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置与方法，其特征在于，双激光束的工艺参数实行在线检测和控制，所述焊接激光束垂直聚焦于待焊接区域，所述第二束短脉冲激光可对焊接区实现法向锻打、正面冲击或者侧面锻打，可实现与焊接激光束方位任意组合，强化喷嘴中心线与焊接平面层夹角可以在15°～165°范围内任意角度或者位置变换，可处理不同结构特点的焊接成形零件，满足零件变形最小精度最高的技术要求。(2)在第二步中，尚处于高温区的焊接区域经脉冲激光锻打处理完之后，逐层堆叠完成工件焊接。而由激光锻打材料塑性变形深度以及形成的压应力深度都明显大于其他大多数的表面处理工艺，从而使材料的疲劳性能、断裂韧性以及应力腐蚀抗力得到大幅度的提升。其具有工艺装备简单、无工艺余料、加工柔性大、残余压应力的大小和压应力层深度可精确控制等优点，进一步提升了焊件性能。

Claims (6)

1.一种金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置，所述装置包括：激光焊接系统，激光冲击系统以及智能检测控制系统。

2.一种金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其应用于如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括步骤如下：同时启动激光焊接系统和激光锻打系统，焊接激光束辐射到待焊工件利用热效应使焊接区域快速熔化形成熔池，同时另一束短脉冲激光利用冲击波力学效应对快速冷却到最佳温度的焊缝区焊接区域进行同步冲击锻打，改善焊接力学性能和消除焊接应力，所述两束不同功能的激光束同时且相互协同完成焊接的过程，使得金属焊接工序和消除焊接残余应力的后处理工序在一步制造工序中高效、高质量完成，逐步完成低应力焊接过程。

3.如权利要求2所述的金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其特征在于，所述两束不同功能激光束在焊接强化过程中始终同步同向移动，直至整个零件焊接完成，其中，所述两束激光束之间的距离小于1mm量级；所述两束激光束开始作用时间间隔在1s之内，两束激光在整个零件的制造过程中始终同步工作。

4.如权利要求3所述的金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其特征在于，激光焊接系统参数与冲击锻打激光参数相互耦合影响，相互协调以达到最佳匹配状态，双激光束参数均实行智能在线监测与控制，根据监测结果协调调整焊接激光参数和短脉冲激光锻打参数，根据待焊接材料类型调节焊接激光功率密度、脉冲宽度、能量、焊接速度、峰功率和重复频率等工艺参数，同时短脉冲激光锻打参数由光束质量检测仪器或装置监测与控制，根据焊接区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小等参数；同时短脉冲激光冲击锻打参数的选择又约束着激光焊接速度和功率密度等参数的选择，形成闭环耦合控制，以确保金属工件实现低应力焊接。

5.如权利要求4所述的金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其特征在于，焊接过程的焊接激光束及焊接区温度场由非接触式温度场测量仪在线监测与控制，根据待焊接金属材料的不同特性，将适合材料焊接成形强化温度范围设定为目标函数，然后根据温度场调整焊接激光参数和冲击锻打参数。使焊接材料熔化-冷却到最适合金属塑性成形温度区间也即适合冲击强化的温度范围时，由第二束短脉冲激光对其进行强化处理；如温度过高或过低导致材料熔化-冷却后偏移最佳温度区，则调整焊接激光温度，反过来第二束短脉冲激光冲击锻打参数的选择又约束着焊接速度选择，形成闭环耦合控制，保证强化处理区温度始终处于最佳温度范围内，以确保金属工件更好的实现低应力焊接。

6.如权利要求5所述的所述的金属双激光束冲击锻打低应力焊接方法，其特征在于，双激光束的工艺参数实行在线检测和控制，所述焊接激光束垂直聚焦于待焊接区域，所述第二束短脉冲激光可对焊接区实现法向冲击锻打、正面冲击锻打或者侧面冲击锻打，实现与焊接激光束方位任意组合，强化喷嘴中心线与焊接平面层夹角在15°～165°范围内任意角度或者位置变换，以处理不同结构特点的焊接成形零件满足零件变形最小精度最高的技术要求。

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