CN111515536A - 一种自熔丝激光深熔焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自熔丝激光深熔焊接方法，利用两束激光进行激光填丝焊接，第一束激光熔化焊接工件形成匙孔进而形成熔池，第二束激光束位于第一束激光束形成的熔池边缘位置，第二束激光束用于熔化固态焊丝，固体焊丝熔化后依靠表面张力作用沿熔池边缘不断流入熔池中，最终完成焊接。由于第二束激光在第一束激光束形成的熔池边缘位置，因此第二束激光束熔化焊丝形成的液态金属在熔池表面张力的吸引作用下，可连续的流入熔池中，而这种沿熔池边缘连续流入熔池对匙孔和熔池的冲击最小，可明显提高焊接过程的稳定性，明显降低工艺性气孔的数量，进而提高焊缝质量。

Description

一种自熔丝激光深熔焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种自熔丝激光深熔焊接方法。
背景技术
激光焊接技术相对常规焊接方法来说，具有焊接速度快、焊接工件变形小特点。激光填丝焊技术在航空、航天、汽车、船舶等工业领域应用广泛。然而传统激光填丝焊，激光束的能量有两个作用，一个作用是作为热源形成匙孔进而形成熔池，另一个作用是熔化固态焊丝。而传统激光填丝焊固体焊丝需要送入到匙孔边缘进而依靠激光能量以及熔池的热辐射来熔化，但是这会直接导致液态金属进入熔池过程中冲击匙孔，导致匙孔稳定性变差，甚至匙孔底部闭合，从而产生焊接气泡，当焊接气泡在熔池凝固前未逃逸出熔池，则会在焊缝中形成气孔，影响焊缝质量。
传统的激光填丝焊，焊丝主要依靠激光能量熔化，因此设计焊接工艺时需要考虑激光能量与焊丝送进速度的匹配关系。对于焊丝送丝速度要求较高的焊接工艺，为可靠熔化焊丝势比会增大激光能量，这样就会造成对焊接工件的热输入过大，甚至会引起焊接工件变形，也会造成焊缝晶粒组织粗大，最终造成焊缝力学性能变差。
中国专利《一种高频振动激光自熔丝焊接方法》公开了一种高频振动激光自熔丝焊接方法，将激光光斑聚焦在焊丝上，压电陶瓷制动器安装在焊丝末端；通入保护气体，启动激光器和压电陶瓷制动器，送丝速度5～10m/min，使激光束始终聚焦在焊丝上，从而实现激光自熔丝焊接。这种方法由于只有一束激光束既形成匙孔和熔池，又直接作用于焊丝（熔化焊丝），势比会造成焊丝端部熔化的液态金属沿匙孔边缘填充进熔池，造成对匙孔的冲击，匙孔闭合形成焊接气泡，影响最终焊缝成形。由于激光能量需要足够大才能保证既能完全熔化焊丝又熔化焊接工件，势必会造成对焊接工件的热输入过大，甚至会引起焊接工件变形，也会造成焊缝晶粒组织粗大，最终造成焊缝力学性能变差。中国专利《一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法》公开了通过在激光束前方，焊接电源的两端分别连接两个TIG焊枪的两端，之后在双TIG焊枪间产生电弧，依靠电弧熔化焊丝，焊丝熔化成熔滴形成熔滴过渡滴落入熔池。中国专利《一种激光液态填充焊的熔丝方法》公开了通过焊接电源的两端分别连接焊丝和母材，启动焊接电源后在焊丝和母材直接产生电弧，之后依靠振动装置使熔滴滴落到熔池中。上述两个专利均存在焊丝端部熔化的熔滴滴落入熔池会造成对熔池的冲击，影响匙孔的稳定性，进而会产生焊接气泡，影响焊缝质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种自熔丝激光深熔焊接方法，以解决现有技术中激光填丝焊低速和高速焊接过程固态焊丝送到匙孔边缘依靠激光能量熔化后冲击匙孔、降低激光能量对母材的热输入过大、焊接工件变形、力学性能变差的问题。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种自熔丝激光深熔焊接方法，利用两束激光进行激光填丝焊接，第一束激光熔化焊接工件形成匙孔进而形成熔池，第二束激光束位于第一束激光束形成的熔池边缘位置，第二束激光束用于熔化固态焊丝，固体焊丝熔化后依靠表面张力作用沿熔池边缘不断流入熔池中，最终完成焊接。
作为本发明一种自熔丝激光深熔焊接方法的进一步优化：具体包括以下步骤：
S1、根据不同材质的焊接工件在不同焊接速度下对焊接热输入的要求，计算第一束形成匙孔及熔池的激光束能量；
S2、根据焊丝送丝速度计算所需熔化焊丝的第二束激光束的能量；
S3、启动激光器，使第一束激光能量照射焊接工件，在焊接工件上形成匙孔及熔池，同时使第二束激光束照射到焊丝端部，启动送丝机使焊丝不断送进，焊丝熔化后不断沿熔池边缘流入，启动保护气，在焊接工件的表面形成焊缝，完成焊接。
作为本发明一种自熔丝激光深熔焊接方法的进一步优化：所述激光器为Nd：YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
作为本发明一种自熔丝激光深熔焊接方法的进一步优化：通过激光器中分光模块的楔形镜将一束激光分成不同能量的第一束激光和第二束激光。
作为本发明一种自熔丝激光深熔焊接方法的进一步优化：第一束激光和第二束激光由两个独立的激光器提供。
作为本发明一种自熔丝激光深熔焊接方法的进一步优化：第二激光束为散焦激光束。
作为本发明一种自熔丝激光深熔焊接方法的进一步优化：两束激光的光斑距离控制在0.5-1.3mm之间。
作为本发明一种自熔丝激光深熔焊接方法的进一步优化：焊丝的送丝速度为0.2-12m/min，焊丝的直径为0.8-3mm。
作为本发明一种自熔丝激光深熔焊接方法的进一步优化：第一束激光束与焊接工件的夹角β在70-90°，焊丝与焊接工件的夹角θ在20-60°。
作为本发明一种自熔丝激光深熔焊接方法的进一步优化：保护气喷嘴与焊接母材的夹角在40-60°。
本发明的自熔丝激光深熔焊接方法具有以下有益效果：
一、本发明的焊接方法中，焊丝依靠第二束小能量的激光束熔化，第一束激光形成匙孔和熔池，由于焊丝端部距离匙孔较远可明显降低液态金属填充熔池对匙孔的冲击。第二束激光在第一束激光束形成的熔池边缘位置，因此第二束激光束熔化焊丝形成的液态金属在熔池表面张力的吸引作用下，可连续的流入熔池中，而这种沿熔池边缘连续流入熔池对匙孔和熔池的冲击最小，可明显提高焊接过程的稳定性，明显降低工艺性气孔的数量，进而提高焊缝质量；
二、本发明的焊接方法中，由于形成匙孔、熔池的第一束激光束作用于焊接工件的热输入较小，可明显降低焊接工件的变形，这种工艺能够满足工业领域上某些对焊接变形精度要求较高的焊接工件的焊缝质量的苛刻需求；第二束小能量激光束只是熔化焊丝对焊接工件的热影响较小，因此可明显降低对焊接工件的热输入，进而细化焊缝组织晶粒度，提高焊缝质量；
三、本发明的焊接方法可明显改善常规激光填丝焊高速焊接时因激光熔化焊丝不充分而导致的焊接质量较差的情况，因此此种工艺可应用于激光填丝焊高速焊接，并得到良好的焊缝成形；
四、本发明的焊接方法中，可采用将熔化焊丝的第二束激光束变成散焦的形式来增大激光光斑直径，这样焊丝与熔化焊丝的第二束激光束不需要精确的对中，从而克服传统激光填丝焊由于激光与焊丝对中精度高的苛刻要求，提高工业生产时因调节激光和焊丝的对中的前期准备工作，从而提高焊接效率及产品生产率。
附图说明
图1为本发明激光深熔焊接方法的原理示意图；
图2为图1中A处的局部放大示意图；
图3为常规激光填丝焊的匙孔形貌图；
图4为常规激光填丝焊的焊缝纵截面示意图；
图5为现有技术中电弧熔化焊丝时焊丝液态熔滴滴落熔池的匙孔形貌图；
图6为现有技术中电弧熔化焊丝时的焊缝纵截面示意图；
图7为本发明自熔丝激光深熔焊接方法的匙孔形貌图；
图8为本发明自熔丝激光深熔焊接方法的焊缝纵截面示意图；
图中标记：1、焊缝，2、保护气喷嘴，3、保护气，4、焊接工件，5、第一束激光，6、第二束激光，7、匙孔，8、熔池，9、送丝嘴，10、焊丝，11、焊丝端部熔化的液态金属，12、等离子体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种自熔丝激光深熔焊接方法，具体包括以下步骤：
S1、根据不同材质的焊接工件在不同焊接速度下对焊接热输入的要求，计算第一束形成匙孔及熔池的激光束能量；
12激光焊接过程中维持小孔稳态形成时小孔壁面所需的最小激光功率密度：
式中，为激光焊接过程中维持小孔稳态形成时小孔壁面所需的最小激光功率密度；为材料液态密度（kg/m3）；为材料固态密度（kg/m3）；为液态金属的比热容（J/kg.K）；为固态金属的比热容（J/kg.K）；为液体金属层平均温度；为金属熔化潜热（J/kg）；为金属的气化潜热（J/kg）；、分别为形成匙孔的速度和液态金属层的迁移速度；和分别为液相和固相金属的热扩散系数（m2/s）；
为激光作用点的光斑半径（mm）；为固相金属初始温度（K）；为金属的熔点。
S2、根据焊丝送丝速度计算所需熔化焊丝的第二束激光束的能量，，其中，Q f 为熔化焊丝所需的能量，C m 为焊丝的比热容，M为焊丝熔化的质量，为焊丝熔点温度与常温的差值。其中焊丝熔化质量的表达式为：；
S3、启动激光器，使第一束激光能量照射焊接工件，在焊接工件上形成匙孔及熔池，同时使第二束激光束照射到焊丝端部，两束激光的光斑距离控制在0.5-1.3mm之间，激光的输出类型既可以是连续输出，也可以是脉冲输出。第一束激光束与焊接工件的夹角β在70-90°，焊丝与焊接工件的夹角θ在20-60°。保护气喷嘴与焊接母材的夹角在40-60°。启动送丝机使焊丝不断送进，焊丝的送丝速度为0.2-12m/min，焊丝的直径为0.8-3mm。焊丝熔化后不断沿熔池边缘流入，启动保护气（保护气为氩气或氦气），在焊接工件的表面形成焊缝，完成焊接。
如图1和2所示，为本发明自熔丝激光深熔焊接方法的工作原理示意图，β为熔化焊接工件的第一束激光束与焊接工件的夹角，θ为焊丝与焊接工件的夹角，焊丝依靠第二束小能量的激光束熔化，第一束激光形成匙孔和熔池，由于焊丝端部距离匙孔较远可明显降低液态金属填充熔池对匙孔的冲击。由于第二束激光在第一束激光束形成的熔池边缘位置，因此第二束激光束熔化焊丝形成的液态金属在熔池表面张力的吸引作用下，可连续的流入熔池中，而这种沿熔池边缘连续流入熔池对匙孔和熔池的冲击最小，可明显提高焊接过程的稳定性，明显降低工艺性气孔的数量，进而提高焊缝质量；
由于形成匙孔、熔池的第一束激光束作用于焊接工件的热输入较小，可明显降低焊接工件的变形，这种工艺能够满足工业领域上某些对焊接变形精度要求较高的焊接工件的焊缝质量的苛刻需求；第二束小能量激光束只是熔化焊丝对焊接工件的热影响较小，因此可明显降低对焊接工件的热输入，进而细化焊缝组织晶粒度，提高焊缝质量；
并且，可采用将熔化焊丝的第二束激光束变成散焦的形式来增大激光光斑直径，这样焊丝与熔化焊丝的第二束激光束不需要精确的对中，从而克服传统激光填丝焊由于激光与焊丝对中精度高的苛刻要求，提高工业生产时因调节激光和焊丝的对中的前期准备工作，从而提高焊接效率及产品生产率。
其中，激光器为Nd：YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
两束激光可通过激光器中分光模块的楔形镜将一束激光分成不同能量的第一束激光和第二束激光，可以灵活的调节第一束和第二束激光的能量比。
两束激光也可由两个独立的激光器提供。
如图3和4所示，为常规激光填丝焊的焊丝端部熔化成液态金属后沿匙孔边缘进入过程的匙孔形貌以及焊缝纵截面示意图。如图5和6所示，为电弧熔化焊丝，焊丝端部液态熔滴熔滴距离匙孔表面有一定距离，熔滴滴落熔池的匙孔形貌以及焊缝纵截面示意图。如图7和8所示，为本发明自熔丝激光深熔焊接的焊丝端部熔化成液态金属后距离匙孔较远，沿熔池边缘进入过程的匙孔形貌以及焊缝纵截面示意图。图中的B为液态金属，C为匙孔。
由上述附图可以看出：图3和图4液态金属沿匙孔边缘进入会造成对匙孔的冲击，进而匙孔中下部会闭合产生气泡，当气泡未在熔池凝固前逃逸出熔池则形成焊缝气孔，因此此方法的焊缝气孔数量较多；而图5和图6焊丝端部液态熔滴熔滴距离匙孔表面有一定距离，熔滴滴落熔池后，熔滴也会冲击匙孔，同样引起匙孔中下部会闭合产生气泡，当气泡未在熔池凝固前逃逸出熔池则形成焊缝气孔，因此此方法的焊缝气孔数量也较多；而图7和8，本发明的方法焊丝熔化的液态金属距离匙孔较远沿熔池边缘进入熔池，液态金属对匙孔冲击较小，所以匙孔稳定性较好，匙孔三维形态较为稳定，产生的焊接气泡较少，焊缝的气孔数量较少。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：利用两束激光进行激光填丝焊接，第一束激光熔化焊接工件形成匙孔进而形成熔池，第二束激光束用于熔化固态焊丝，第二束激光束位于第一束激光束形成的熔池边缘位置，固体焊丝熔化后依靠表面张力作用沿熔池边缘不断流入熔池中，最终完成焊接。
2.如权利要求1所述一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、根据不同材质的焊接工件在不同焊接速度下对焊接热输入的要求，计算形成匙孔及熔池的第一束激光所需的能量；
S2、根据焊丝送丝速度计算熔化焊丝的第二束激光束所需的能量；
S3、启动激光器，使第一束激光能量照射焊接工件，在焊接工件上形成匙孔及熔池，同时使第二束激光束照射到焊丝端部，启动送丝机使焊丝不断送进，焊丝熔化后不断沿熔池边缘流入，启动保护气，在焊接工件的表面形成焊缝，完成焊接。
3.如权利要求2所述一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：所述激光器为Nd：YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
4.如权利要求1或2所述一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：通过激光器中分光模块的楔形镜将一束激光分成不同能量的第一束激光和第二束激光。
5.如权利要求1或2所述一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：第一束激光和第二束激光由两个独立的激光器提供。
6.如权利要求5所述一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：第二激光束为散焦激光束。
7.如权利要求1或2所述一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：两束激光的光斑距离控制在0.5-1.3mm之间。
8.如权利要求1或2所述一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：焊丝的送丝速度为0.2-12m/min，焊丝的直径为0.8-3mm。
9.如权利要求1或2所述一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：第一束激光束与焊接工件的夹角β在70-90°，焊丝与焊接工件的夹角θ在20-60°。
10.如权利要求2所述一种自熔丝激光深熔焊接方法，其特征在于：保护气喷嘴与焊接母材的夹角在40-60°。
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