CN111230335A - 一种抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法 - Google Patents

一种抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，涉及激光焊接技术领域，该方法包括以下步骤：S1，前处理：对待焊工件表面进行去污除尘处理；S2，制备待焊试样：在待焊工件表面喷涂活性剂溶液并静置至溶剂挥发，获得待焊试样；其中，活性剂溶液为活性剂粉末溶于溶剂中形成，活性剂为极性金属氧化物、卤化物或稀土氧化物，溶剂为易挥发液体；S3，焊接：对待焊试样进行激光焊接。本发明通过在待焊工件表面喷涂活性剂溶液，即可从根源上抑制激光焊接过程中金属蒸汽和光致等离子体的产生问题。

Description

一种抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体而言，涉及一种抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法。
背景技术
如图1所示，在高功率密度激光束辐照下，激光能量作用速率远大于材料热传导、对流及热辐射的速率，使得金属材料表面局部剧烈蒸发汽化，形成金属蒸汽。而后，金属蒸汽进一步在高能密度激光作用下发生电离形成光致等离子体。金属蒸汽和光致等离子体对入射激光的传播产生散射、反射和离焦等具有衰减作用，从而影响材料对激光能量的吸收。同时，金属蒸汽和光致等离子体的剧烈喷发，影响激光焊接过程小孔和熔池的稳定性，易导致飞溅、气孔等焊接缺陷的产生，进而影响焊接质量。
目前，用于抑制激光焊接过程中金属蒸汽和光致等离子体的方法，主要有以下两种：
(1)通过保护气体对金属蒸汽和光致等离子体进行吹散。采用这种保护气体侧吹方式，虽然可以吹散部分光致等离子体，但需要设计并制作一套结构复杂的送气装置，对气嘴的结构形状及尺寸大小、放置位置、偏移角度、保护气体类型、气流量大小等都有严格的要求，否则会影响消除光致等离子体的效果。
(2)采用负压侧吸方式对金属蒸汽和光致等离子体进行吸除，但这种侧吸方式也需要一套侧吸负压装置，装于激光焊接枪头的封闭腔内产生低于大气常压的局部负压，使得焊接熔池周围形成负压环境。该负压腔装置包括套筒、用于向负压腔内充入惰性保护气体的气罩、气管及透镜，套筒的至少一端设有中控的气罩，透镜直接设置在套筒的上方，套筒的侧壁上设置气管，气管的另一端连接真空泵，其结构非常复杂。此外，负压环境对焊接过程激光能量、熔池与小孔稳定性均会产生一定影响，进而影响焊接质量。
虽然，上述的两种现有的方法均在一定程度上可以消除一部分已产生的大量光致等离子体，但是还是无法从根源上抑制光致等离子体的产生。同时，光致等离子体在焊接过程中是伴随着金属蒸汽产生而产生并一同喷发的，金属蒸汽的剧烈喷射会带出熔融金属，导致大量飞溅物产生。而金属蒸汽的喷射力度、高度、体积等与光致等离子体存在一定的差异，但现有的方法均未对金属蒸汽的消除进行介绍。
此外，现有的方法均是对已产生并剧烈喷发出来的金属蒸汽和光致等离子体进行消除，而金属蒸汽和光致等离子体的产生与剧烈喷发过程就已导致了小孔和熔池的大幅度波动，显著影响了焊接过程的稳定性。因此，要提高焊接质量，需从根源上抑制或削弱金属蒸汽和光致等离子体的产生及喷射，而现有的方法都无法实现。
发明内容
本发明提供了一种抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，旨在改善现有的焊接方法需要额外配套装置消除部分已大量产生的金属蒸汽和光致等离子体的问题。
本发明是这样实现的：
本发明提供了一种抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，包括以下步骤：
S1，前处理：对待焊工件表面进行去污除尘处理；
S2，制备待焊试样：在所述待焊工件表面喷涂活性剂溶液并静置至溶剂挥发，获得待焊试样；其中，所述活性剂溶液为活性剂粉末溶于所述溶剂中形成，所述活性剂为极性金属氧化物、卤化物或稀土氧化物，所述溶剂为易挥发液体；
S3，焊接：对所述待焊试样进行激光焊接。
进一步地，在步骤S1中，对待焊工件表面进行去污除尘处理的步骤包括：用丙酮对所述待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘。
进一步地，在步骤S2中，所述活性剂为极性金属氧化物。
进一步地，在步骤S2中，所述活性剂为Cr2O3。
进一步地，在步骤S2中，所述溶剂为丙酮。
进一步地，在步骤S2中，在所述待焊工件表面喷涂活性剂溶液的步骤包括：
S21，将研磨充分的所述活性剂粉末溶于所述溶剂中，以使配置而成的所述活性剂溶液为过饱和溶液；
S22，将所述活性剂溶液置入喷枪涂料杯内，启动空气压缩机，根据焊接要求控制喷涂距离和喷涂范围，将所述活性剂溶液均匀喷涂于所述待焊工件表面。
进一步地，在步骤S2中，所述活性剂溶液的喷涂量为0.01～0.15g/cm2。
进一步地，在步骤S2中，所述活性剂溶液的喷涂量为0.05～0.12g/cm2。
进一步地，所述待焊工件为不锈钢厚板。
本发明的有益效果是：
在激光焊接过程中，金属蒸汽和光致等离子体的产生与剧烈喷发显著影响着焊接小孔和熔池的稳定性，并最终导致焊接缺陷的产生。这是由于，从小孔出口喷射的金属蒸汽异常剧烈，孔内蒸汽反冲压力驱动熔池向上流动以及金属蒸汽高速喷射对孔壁熔池的摩擦效应，使熔融金属在小孔开口周围隆起堆高，甚至局部上扬形成高高的金属液柱。而后金属液柱进一步在快速膨胀的孔外金属蒸汽施加的冲击和剪切力作用下克服表面张力作用脱离熔池，从而在焊缝周围形成一定数量的大颗粒金属飞溅物。熔池随着小孔的张闭、金属蒸汽的喷射、熔融金属液柱的形成等因素产生剧烈振荡，进而影响焊接质量。然而，在现有的方法中对已产生并已剧烈喷发出来的金属蒸汽和光致等离子体只能进行部分消除，并稍微改善焊接试样对激光能量的吸收。但是，对于消弱金属蒸汽和光致等离子体对焊接过程的影响、提高焊接质量没有实质上的作用和意义。
与此相反的是，本发明提供的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，无需采用辅助装置通过“吹”或“吸”的方式对已产生的大量金属蒸汽和光致等离子体进行部分消除，降低了成本，简化焊接条件。同时，本发明提供的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，是在激光焊接前在待焊工件表面喷涂一层活性剂溶液，焊接时采用一定的激光功率和焊接规范就可实现抑制金属蒸汽和光致等离子体的产生，从而减弱它们的剧烈喷发，从根源上抑制了金属蒸汽和光致等离子体产生问题，提高焊接过程熔池与小孔稳定性、改善焊接缺陷、提高焊接质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。
图1是激光焊接过程金属蒸汽和光致等离子体产生过程示意图；
图2是本发明提供的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法的流程图；
图3是本发明提供的激光焊接试验的结构示意图；
图4是对比例1未涂覆活性剂的待焊试样在激光焊接过程中金属蒸汽与光致等离子体动态变化过程图；
图5是本发明实施例1提供的激光焊接试验的流程示意图；
图6是实施例1涂覆Cr2O3活性剂的待焊试样在激光焊接过程金属蒸汽与光致等离子体动态变化过程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例
参照图2所示，本发明实施例提供了一种抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，在激光焊接试验系统内进行，包括以下步骤：
S1，前处理：对待焊工件表面进行去污除尘处理。
在本实施例中，为了除去污渍和灰尘以及保证焊接质量，在激光焊接时需要对待焊工件进行表面处理。可选的，可以用丙酮、乙醇等易挥发溶剂对待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘；也可以对待焊工件进行酸洗、水洗等步骤，去除待焊工件表面杂质后烘干，在本发明中不进行限定。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在本步骤中，对待焊工件表面进行去污除尘处理的步骤包括：用丙酮对待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘。丙酮是一种兼具脂溶性和水溶性的有机溶剂，脂溶性会去除待焊工件表面的油渍，水溶性则会洗去水溶性的杂质，且丙酮的沸点比较低，容易挥发掉，不会在待焊工件表面残留，避免影响焊接质量。
S2，制备待焊试样：在待焊工件表面喷涂活性剂溶液并静置至溶剂挥发，获得待焊试样；其中，活性剂溶液为活性剂粉末溶于溶剂中形成，活性剂为极性金属氧化物、卤化物或稀土氧化物，溶剂为易挥发液体。
具体地，在本实施例中，待焊工件材质可以选自不锈钢、碳钢、合金钢、塑料、钛、铝、铜及其合金等。在本发明一较佳实施例中，待焊工件为不锈钢厚板，不锈钢廉价易得，焊接性能好。
在本实施例中，活性剂为极性金属氧化物、卤化物或稀土氧化物。其中，卤化物可以CaF2、NaF、KF、NaCl等，稀土氧化物可以是Nb2O5、La2O3、CeO2等。优选地，活性剂为极性金属氧化物，其可以是Ti2O3、Al2O3、MgO等，本发明不做具体限定。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，活性剂为Cr2O3。极性氧化物可增大工件对激光能量的吸收，从分子能量方面来说，O是自然界中电负性最大的物质，Cr金属的电负性则较小，分子的组成元素电负性差异越大则分子的极性越大，分子极性越大对激光的吸收能力也越大。
在本实施例中，活性剂溶液中的溶剂可以选用乙醇、丙酮等易挥发溶剂，优选的，溶剂为丙酮。
进一步地，在本发明的一实施例中，在步骤S2中，在待焊工件表面喷涂活性剂溶液的步骤包括：
S21，将研磨充分的活性剂粉末溶于溶剂中，以使配置成的活性剂溶液为过饱和溶液。将活性剂溶液配置成过饱和溶液，可确保喷涂在待焊工件表面时，活性剂的量足以抑制金属蒸汽和光致等离子体的产生。
S22，将活性剂溶液置入喷枪涂料杯内，启动空气压缩机，根据焊接要求控制喷涂距离和喷涂范围，将活性剂溶液均匀喷涂于待焊工件表面。采用喷枪进行喷涂，使涂覆更加均匀，避免了手工涂刷的不均匀性。
进一步地，在步骤S2中，活性剂溶液的喷涂量为0.01～0.15g/cm2。优选地，活性剂溶液的喷涂量为0.05～0.12g/cm2。更为优选地，活性剂溶液的喷涂量为0.07～0.1g/cm2。活性剂均匀喷涂在待焊工件表面上形成了具有一定空隙结构的细颗粒涂层，减少了工件对激光的反射；同时，活性剂粉末颗粒表面形状的不规则使得散射的激光易被其他颗粒吸收。此外，活性原子在激光焊接过程中因吸附光致等离子体中的自由电子而转变成带负电的负粒子，由于负粒子的质量较大，其运动速度相对于自由电子变慢，并且游移在光致等离子体的边缘。最终一部分负粒子成为自由电子的运动，同时也有部分负粒子将消失在大气中，进而有效降低了焊接光致等离子体的电子密度，这在一定程度上削弱和抑制了光致等离子体的产生与剧烈波动，进而提高了熔池的稳定性。而金属蒸汽的变化与熔池后沿壁的振荡和光致等离子体的周期性喷射均有一定的关系，在活性剂作用下，光致等离子体的喷射力度减弱，金属蒸汽喷发减弱，焊接过程稳定性提高。因而，待焊工件表面喷涂一层适宜厚度的活性剂，其在激光焊接过程中，一定程度上可抑制金属蒸汽和光致等离子体的产生。但是，活性剂溶液的喷涂量要适宜，喷涂量太大，难以保证涂覆均匀性，且容易出现焊料飞溅等其他问题；喷涂量太小，则对金属蒸汽和光致等离子体的产生起不到抑制作用。
S3，焊接：对待焊试样进行激光焊接。
在本实施例中，以活性剂喷涂与激光焊结合起来实现厚板的激光深熔焊接，焊接时采用一定的激光功率和焊接规范即可实现抑制金属蒸汽和光致等离子体的产生，减弱它们的剧烈喷发，达到提高焊接过程稳定性、减少焊接缺陷、增加热源熔透能力从而使焊接熔深得到大幅度的增大。
请参阅图3所示，为了便于理解，在活性激光焊接系统内进行活性激光焊接厚板试验，下面以100×50×8mm规格的不锈钢厚板试样为例进行具体说明。其中，在焊接过程中采用高速摄像系统实时观察焊接过程的金属蒸汽及光致等离子体。
对比例1
准备100×50×8mm规格的不锈钢作为待焊工件，用丙酮对待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘。
用量杯量取丙酮溶液，并将丙酮溶液置入喷微型喷枪涂料杯内，启动空气压缩机，调整好气体流量，控制好喷涂距离与喷涂范围，经微型喷枪将丙酮溶液均匀地喷涂在待焊工件表面，喷涂完成后，静置待焊工件至丙酮完全挥发，制成待焊试样。其中，喷涂量控制在0.05～0.1g/cm2。
待试样装夹后使用光纤激光器对待焊试样进行激光焊接试验，其结果如图4所示。
实施例1
请参阅图5所示，准备100×50×8mm规格的不锈钢作为待焊工件，用丙酮对待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘。
用精密电子秤称量Cr2O3活性剂，用量杯量取丙酮溶液，将Cr2O3活性剂溶于丙酮溶液中配制成过饱和溶液。将上述过饱和溶液置入喷微型喷枪涂料杯内，启动空气压缩机，调整好气体流量，控制好喷涂距离与喷涂范围，经微型喷枪将活性剂溶液均匀地喷涂在待焊工件表面，喷涂完成后，静置待焊工件至丙酮完全挥发，制成待焊试样。其中，喷涂量控制在0.05～0.1g/cm2。
待试样装夹后使用光纤激光器对待焊试样进行激光焊接试验，其结果如图6所示。
图4为未涂覆活性剂的待焊试样在激光焊接过程中金属蒸汽与光致等离子体动态变化过程；图6为涂覆Cr2O3活性剂的待焊试样在激光焊接过程金属蒸汽与光致等离子体动态变化过程。对比图4和图6，在待焊试样未涂覆活性剂时，金属蒸汽和光致等离子体的体积大、喷射明显且喷射高度较高。而待焊试样涂覆活性剂后，焊接过程金属蒸汽的体积小且喷射明显减弱，光致等离子体的喷射高度降低，焊接过程稳定性提高。综上结果，再一次证明了在试样表面喷涂一层适宜厚度的Cr2O3活性剂后，在激光焊接过程中，孔外金属蒸汽和光致等离子体的产生受到了一定程度的抑制。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，前处理：对待焊工件表面进行去污除尘处理；
S2，制备待焊试样：在所述待焊工件表面喷涂活性剂溶液并静置至溶剂挥发，获得待焊试样；其中，所述活性剂溶液为活性剂粉末溶于所述溶剂中形成，所述活性剂为极性金属氧化物、卤化物或稀土氧化物，所述溶剂为易挥发液体；
S3，焊接：对所述待焊试样进行激光焊接。
2.根据权利要求1所述的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，其特征在于，在步骤S1中，对待焊工件表面进行去污除尘处理的步骤包括：
用丙酮对所述待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘。
3.根据权利要求1所述的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述活性剂为极性金属氧化物。
4.根据权利要求1所述的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述活性剂为Cr2O3。
5.根据权利要求1所述的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述溶剂为丙酮。
6.根据权利要求1所述的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，其特征在于，在步骤S2中，在所述待焊工件表面喷涂活性剂溶液的步骤包括：
S21，将研磨充分的所述活性剂粉末溶于所述溶剂中，以使配置而成的所述活性剂溶液为过饱和溶液；
S22，将所述活性剂溶液置入喷枪涂料杯内，启动空气压缩机，根据焊接要求控制喷涂距离和喷涂范围，将所述活性剂溶液均匀喷涂于所述待焊工件表面。
7.根据权利要求1所述的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述活性剂溶液的喷涂量为0.01～0.15g/cm2。
8.根据权利要求1所述的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述活性剂溶液的喷涂量为0.05～0.12g/cm2。
9.根据权利要求1所述的抑制金属蒸汽与光致等离子体产生的方法，其特征在于，所述待焊工件为不锈钢厚板。
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