CN111843124B - 一种基于激光冲击的金属焊接方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光冲击的金属焊接方法及系统，当焊枪完成每一个焊接子过程时，检测焊接对象的焊缝的温度，当焊缝的温度降低到预设温度阈值时，启动激光器，对焊缝进行激光冲击强化，同时，施加磁场，激光器输出的激光束穿过该磁场，且该磁场覆盖焊缝表面，约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向焊缝，约束等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀，起到水约束和高温硅油约束的作用，同时，避免出现水约束和高温硅油约束出现的缺陷，同时磁场与每个带电粒子发生作用，加速电子的运动速度，加剧等离子体反应，提高等离子体对激光能量的吸收效果。

Description

一种基于激光冲击的金属焊接方法及系统

技术领域

本发明涉及金属厚板焊接和激光冲击强化领域，尤其涉及一种基于激光冲击的金属焊接方法及系统。

背景技术

金属焊接工艺广泛应用于航空航天、汽车、船舶、铁路等领域，但由于焊接过程的热影响，导致焊接接头(即焊缝)存在焊接残余拉应力及组织结构变化，降低疲劳性能。尤其是航母、舰船制造过程中存在大量的厚板焊接接头，由于一般采用多层多道焊，在深度方向存在较大的温度梯度，在一定深度内形成较大幅值的残余拉应力和粗大组织，还易出现板材层状撕裂、整体变形(如挠曲、扭曲变形)、焊缝产生裂纹及夹渣等质量问题，导致焊接后部件疲劳性能明显下降。因此亟需对厚板焊接后的焊缝进行处理，调控焊接残余拉应力，以改善厚板焊接接头的疲劳性能。

目前厚板焊接接头采取的焊后处理工艺主要包括热处理、锤击、超声冲击和机械喷丸。其中，焊后热处理工艺可以有效消除焊接拉应力，但会使母材区晶粒长大；锤击处理简单方便，但由于空气环境的限制，像钛合金等高熔点金属焊后锤击处理不适用；超声冲击和机械喷丸具有快速、高效的优点，但会显著降低材料的表面状态甚至引入裂纹缺陷。

为了解决上述问题，对于厚板焊接接头采取的焊后处理还有一种新型的工艺，为激光冲击强化技术，由于引入的残余压应力层深度大(mm级)、数值高(几百MPa)而得到了广泛的关注。它是利用高能激光束在金属构件表面诱导产生高压等离子体，在外部透明约束介质(水或硅油)的约束下转化为高压冲击波传向金属内部，并引入较高幅值的残余压应力，提高疲劳性能。但由于激光冲击波传播深度有限，形成的残余压应力影响深度不超过1.5mm，针对金属厚板，仅能在表层区域强化，不能消除内部焊接残余拉应力，存在疲劳断裂风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光冲击的金属焊接方法及系统，用于解决针对金属厚板，现有的激光冲击强化技术仅能在表层区域强化，不能消除内部焊接残余拉应力，存在疲劳断裂风险的问题。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于激光冲击的金属焊接方法，焊枪对焊接对象的焊缝的整个焊接过程分为至少两个焊接子过程，所述金属焊接方法包括：

当焊枪完成每一个焊接子过程时，检测焊接对象的焊缝的温度；

当所述焊缝的温度降低到预设温度阈值时，启动激光器，对所述焊缝进行激光冲击强化，同时，施加磁场，所述激光器输出的激光束穿过所述磁场，且所述磁场覆盖焊缝表面，用以约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使所述等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向所述焊缝，约束所述等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀。

优选地，所述预设温度阈值为300℃。

一种基于激光冲击的金属焊接系统，包括焊枪、外加磁场生成装置、激光器和温度检测装置；所述焊枪对焊接对象的焊缝的整个焊接过程分为至少两个焊接子过程；

当所述焊枪完成每一个焊接子过程时，所述温度检测装置检测焊接对象的焊缝的温度，当所述焊缝的温度降低到预设温度阈值时，启动激光器，对所述焊缝进行激光冲击强化，同时，所述外加磁场生成装置施加磁场，所述激光器输出的激光束穿过所述磁场，且所述磁场覆盖焊缝表面，用以约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使所述等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向所述焊缝，约束所述等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀。

优选地，所述金属焊接系统还包括控制装置，所述控制装置与所述焊枪、外加磁场生成装置、激光器和温度检测装置电连接。

优选地，所述外加磁场生成装置包括N极板和S极板。

优选地，所述激光器包括Nd:YAG激光生成模块、反射镜和聚焦镜，所述Nd:YAG激光生成模块输出的激光束输出给所述聚焦镜的激光输入端，所述聚焦镜的激光输出端输出的激光束用于照射所述焊缝，所述反射镜设置在所述Nd:YAG激光生成模块和聚焦镜之间的光路上。

优选地，所述温度检测装置为红外测温仪。

优选地，所述预设温度阈值为300℃。

本发明的有益效果为：将焊枪的整个焊接过程分为至少两个焊接子过程，在完成每一个焊接子过程时，检测焊缝的温度，当焊缝的温度降低到预设温度阈值时，即焊缝尚处于热状态时，进行热激光冲击强化，热激光冲击强化可利用焊接过程的热影响，可产生稳定性更好的残余压应力和细化组织分布，基本原理是基于焊接过程的温度和激光冲击波的共同作用对材料改性，是一种典型的热力耦合强化机制，通过这种热激光冲击强化方式能够实现残余应力场和力学性能的稳定提升，在线、同步调控金属厚板的应力场，而且，热激光冲击强化所诱导的残余应力场分布更加均匀，影响区域更宽、更深，并且，由于金属厚板需要多个焊接子过程，那么，每完成一个焊接子过程时，均进行激光冲击强化，即将金属厚板焊接与热激光冲击强化技术相结合，即金属厚板焊接与热激光冲击强化技术不断交替进行直至整个焊接过程完成，即便每一次形成的残余压应力影响深度不大，但是，经过多次激光冲击强化之后，就能够对金属厚板进行整体强化，不局限于表层区域强化，最终能够有效消除内部焊接残余拉应力，降低疲劳断裂风险；由于热激光冲击强化是在焊接过程中施加，利用了焊接的热环境，此时若采用水约束层，则水约束层会蒸发，无法约束等离子体的带电粒子，即无法起到约束冲击波的作用，而且，若采用高温硅油约束，虽然高温硅油高温性能比较稳定(300℃物理化学性能基本不变)，但高温硅油的光学特性较差，对激光的吸收率较高，并且强化过程中会冒烟，影响激光束传播质量，因此，本发明通过施加磁场，磁场约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向焊缝，约束等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀，提高激光冲击波压力，起到水约束和高温硅油约束的作用，同时，避免出现水约束和高温硅油约束出现的缺陷。同时磁场与每个带电粒子发生作用，加速电子的运动速度，加剧等离子体反应，提高等离子体对激光能量的吸收效果。因此，本发明提供的基于激光冲击的金属焊接方法及系统能够使得热激光冲击强化所诱导的残余应力场分布更加均匀，影响区域更宽、更深，强化后对金属厚板的焊缝力学性能增益更为显著；利用磁场和等离子体的共同作用，约束作用更加稳定，环保且无污染，而且磁场施加方便，覆盖彻底，几乎可全部覆盖任意焊接对象，弥补水或硅油约束层存在的缺陷。

附图说明

图1是基于激光冲击的金属焊接系统的结构示意图；

图2是多层焊接过程示意图；

图3是磁场的功能作用示意图；

图4是强化与未强化情况下焊缝深度方向残余应力比较示意图；

其中，1为N极板；2为第一金属厚板，3为焊枪，4为焊缝，5为第二金属厚板，6为S极板，7为磁场约束层，8为激光光斑，9为聚焦镜，10为激光束，11为反光镜，12为Nd:YAG激光生成模块，13为等离子体，14为红外测温仪。

具体实施方式

基于激光冲击的金属焊接系统实施例：

本实施例提供一种基于激光冲击的金属焊接系统，焊枪3、外加磁场生成装置、激光器和温度检测装置。

该金属焊接系统的焊接对象包括第一金属厚板2和第一金属厚板5，具体是对第一金属厚板2和第一金属厚板5之间的焊缝4进行焊接。本实施例中，第一金属厚板2和第一金属厚板5为TC4钛合金厚板，而且，焊缝4的深度为50mm，可以理解为，第一金属厚板2和第一金属厚板5的厚度为50mm。

本实施例中，焊枪3的焊接方式采用常见的氩弧焊。

外加磁场生成装置用于施加磁场，因此，外加磁场生成装置为一种生成磁场的装置，该装置为现有设备，本实施例中，外加磁场生成装置包括N极板1和S极板6，其中，N极板1和S极板6均可以为电磁铁磁体或超导磁体，而且，本实施例中，N极板1和S极板6之间能够产生0.1-1T的可调稳恒强磁场，即产生可调稳恒强磁场约束层7。也就是说，虽然磁场可调，但是，每次调节后的磁场均为稳定磁场。作为其他的实施方式，外加磁场生成装置还可以为电控型磁场生成装置，比如包括两个电磁线圈。

激光器用于输出激光束10，可以为常规的激光输出设备。本实施例中，激光器包括Nd:YAG激光生成模块12、反射镜11和聚焦镜9，如图1所示，Nd:YAG激光生成模块12输出的激光束10输出给聚焦镜9的激光输入端，聚焦镜9的激光输出端输出的激光束10用于照射焊缝4，反射镜11设置在Nd:YAG激光生成模块12和聚焦镜9之间的光路上。其中，Nd:YAG激光生成模块12为常规的Nd:YAG固态激光器，可产生能量为2-6J的脉冲激光束，波长为1064nm，脉宽为20ns，通过反光镜11和聚焦镜9对激光束10进行光路调节和光斑形状控制，激光束10的激光光斑8采用圆形光斑，直径1-3mm可调。应当理解，Nd:YAG激光生成模块12、反射镜11和聚焦镜9的具体位置不唯一，由实际需要进行设置，但是，需要满足输出的激光束10照射焊缝4。

温度检测装置用于检测焊缝4的温度，本实施例中，温度检测装置以红外测温仪14为例，采用红外辐射式，热灵敏度为0.07℃，温度测量范围为-20℃-800℃，测量精度为±2℃，用以精确测量焊缝4的温度，为热激光冲击强化时机选择提供数据支撑。

作为一个具体实施方式，金属焊接系统还可以包括控制装置，控制装置与焊枪3、外加磁场生成装置、Nd:YAG激光生成模块12和红外测温仪14电连接，在控制装置的控制下实现金属焊接控制。控制装置可以为常规的控制芯片或者电脑主机。作为其他的实施方式，控制装置还可以不设置，与该金属焊接系统相对应的金属焊接方法可以人为操作。

基于激光器的激光冲击强化技术利用高能激光束在金属构件表面诱导产生高压等离子体，在外部透明约束介质(现有采用的是水或硅油)的约束下转化为高压冲击波传向金属内部，并引入较高幅值的残余压应力，提高疲劳性能。但由于激光冲击波传播深度有限，形成的残余压应力影响深度不超过1.5mm，针对金属厚板，仅能在金属厚板表层区域进行强化，不能消除内部焊接残余拉应力，存在疲劳断裂风险。而且，第一金属厚板2和第一金属厚板5有比较大的厚度。因此，焊枪3在对焊缝4进行焊接的整个焊接过程分为至少两个焊接子过程，具体个数由实际情况进行设置。各焊接子过程为对焊缝4进行一定深度的焊接，那么，预设一个焊接深度，每完成一个焊接子过程时，表示对焊缝4完成一次该焊接深度的焊接。因此，焊枪3在对焊缝4进行焊接的整个焊接过程对应的焊接工艺为多层焊接。如图2所示，焊接子过程为对焊缝4进行的一层焊接，焊枪3对焊缝4进行第一层的焊接，第一层的焊接过程完成时表示第一个焊接子过程完成，然后，焊枪3对焊缝4进行第二层的焊接，第二层的焊接过程完成时表示第二个焊接子过程完成，最后，焊枪3对焊缝4进行第三层的焊接，第三层的焊接过程完成时表示第三个焊接子过程完成。本实施例中，焊接深度为2mm，由于焊缝4的深度为50mm，那么，焊接子过程的个数为50/2＝25个，即进行25层焊接。

应当理解，除了上述焊接子过程的划分方式之外，还可以有其他的划分方式，比如：将两层或者更多层焊接划分成一个焊接子过程。因此，本实施例不局限于焊接子过程的划分方式。

本实施例中，在焊接过程中可以对焊缝4，即焊接处进行预热，并通氩气进行保护。

当焊枪3完成某一个焊接子过程时，即完成一层焊接时，红外测温仪14检测焊缝4的温度，焊缝4的温度会逐渐降低，当焊缝4的温度降低到预设温度阈值时，控制启动激光器，即控制Nd:YAG激光生成模块12输出激光束10，激光束10照射焊缝4，对焊缝4进行热激光冲击强化。同时，控制外加磁场生成装置生成并施加磁场约束层7，Nd:YAG激光生成模块12输出的激光束10穿过磁场约束层7，并且，磁场约束层7覆盖焊缝4的整个表面。如图3所示，磁场约束层7用于约束激光束10在焊缝4表面诱导的等离子体13，使等离子体13的带电粒子的洛伦茨力指向焊缝4，即指向焊缝4表面，约束等离子体13的带电粒子向激光入射方向膨胀，从而转换成高压冲击波对焊缝4进行强化。应当理解，若最初形成的磁场约束层7的方向不满足上述约束过程，则需要调节磁场方向，可以通过移动N极板1和S极板6的位置实现调节磁场方向的目的，最终通过移动N极板1和S极板6的位置使等离子体13的带电粒子的洛伦茨力指向焊缝4，以达到约束等离子体13向激光入射方向膨胀的目的，提高冲击波压力。因此，N极板1和S极板6的移动方式以及移动过程由其功能作用决定，不管如何移动，均以实现其功能作用为目的。

上述给出了热激光冲击强化的实现过程。在完成某一次焊接子过程之后，可以进行一次热激光冲击强化，也可以进行预设次数(即至少两次)热激光冲击强化，当然，在每一次热激光冲击强化过程中，均需要磁场约束层7来约束激光束10在焊缝4表面诱导的等离子体13。预设次数的热激光冲击强化过程结束之后，进行下一个焊接子过程，即进行下一层焊接。下一个焊接子过程完成时，按照上述过程进行热激光冲击强化，热激光冲击强化完成之后，再进行下一个焊接子过程，以此类推，直至焊接完成。

本实施例中，结合TC4钛合金材料的性能，300℃为TC4钛合金材料进行热激光冲击强化的最优温度，那么，上述中的预设温度阈值以300℃为例。而其它材料的最佳温度应通过查阅相关文献或通过试验进行确定。而且，外加磁场生成装置生成的磁场为0.5T的稳恒磁场，即0.5T的稳定恒定磁场；激光束10能量选用4J，激光束10的光斑形状为圆形光斑，直径为2.4mm，光斑搭接率为50％；每一个焊接子过程对应的热激光冲击强化次数均为2次，强化区域覆盖整个焊缝4。

那么，基于上述焊接方法，以下给出一种具体的应用实例：

焊缝4的焊接深度达到2mm时，完成一层焊接，红外测温仪14检测到焊缝4的温度降到300℃时，进行热激光冲击强化；同时，开启外部磁场生成装置，在焊缝4的表面产生0.5T的稳恒磁场，并调整磁场方向，使等离子体13的带电粒子的洛伦茨力指向焊缝4，以达到约束等离子体13向激光入射方向膨胀的目的。按照上述热激光冲击强化过程完成两次冲击强化。两次冲击强化完毕后，进行下一层的焊接，当焊缝4的焊接深度再次达到2mm时，完成一层焊接，焊缝温度降到300℃后，再次进行热激光冲击强化，热激光冲击强化完成后，再进行下一层的焊接。不断重复上述过程，直至整个金属厚板焊接完毕。

整个金属厚板焊接完成后，将整个金属厚板卸下，可以将焊缝4处的表面打磨抛光，酒精擦拭后烘干。

通过上述热激光冲击强化过程和未进行上述热激光冲击强化过程的焊缝4深度上的残余应力进行测试比较，比较结果如图4所示。未强化焊缝4深度方向引入了一定水平的残余拉应力，最大值为456MPa，而经过热强化后的焊缝4表面的残余拉应力转换为残余压应力，为-640MPa，之后随着深度的增加残余应力值逐渐减小，在深度2mm处达到稳定，为-400MPa左右，之后随着深度继续增加，残余应力值围绕在-400MPa只出现小幅度波动，直至整个焊缝4。因此，可以得出结论，本发明提供的金属焊接方法对于消除焊缝4焊接残余拉应力有效可行，并可在深度上引入均匀分布的残余压应力，这对焊缝4强度的提高极为有益，同时也证明利用磁场约束等离子体的方法有效可行。

基于激光冲击的金属焊接方法实施例：

本实施例提供一种基于激光冲击的金属焊接方法，焊枪对焊接对象的焊缝的整个焊接过程分为至少两个焊接子过程，该金属焊接方法包括：

当焊枪完成每一个焊接子过程时，检测焊接对象的焊缝的温度；

当焊缝的温度降低到预设温度阈值时，启动激光器，对焊缝进行激光冲击强化，同时，施加磁场，激光器输出的激光束穿过该磁场，且该磁场覆盖焊缝表面，用以约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向焊缝，约束等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀。

由于上述金属焊接系统对该金属焊接方法的具体实现过程进行了详细描述，不再赘述。

上述实施例仅以一种具体的实施方式说明本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光冲击的金属焊接方法，其特征在于，焊枪对焊接对象的焊缝的整个焊接过程分为至少两个焊接子过程，所述金属焊接方法包括：

当焊枪完成每一个焊接子过程时，即完成一层焊接时，检测焊接对象的焊缝的温度；

当所述焊缝的温度降低到预设温度阈值时，启动激光器，对所述焊缝进行激光冲击强化，同时，施加磁场，所述激光器输出的激光束穿过所述磁场，且所述磁场覆盖焊缝表面，用以约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使所述等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向所述焊缝，约束所述等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀；当热激光冲击强化过程结束之后，进行下一个焊接子过程；所述预设温度阈值为300℃。

2.一种基于激光冲击的金属焊接系统，其特征在于，包括焊枪、外加磁场生成装置、激光器和温度检测装置；所述焊枪对焊接对象的焊缝的整个焊接过程分为至少两个焊接子过程；

当所述焊枪完成每一个焊接子过程时，即完成一层焊接时，所述温度检测装置检测焊接对象的焊缝的温度，当所述焊缝的温度降低到预设温度阈值时，启动激光器，对所述焊缝进行激光冲击强化，同时，所述外加磁场生成装置施加磁场，所述激光器输出的激光束穿过所述磁场，且所述磁场覆盖焊缝表面，用以约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使所述等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向所述焊缝，约束所述等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀；当热激光冲击强化过程结束之后，进行下一个焊接子过程；

所述预设温度阈值为300℃。

3.根据权利要求2所述的基于激光冲击的金属焊接系统，其特征在于，所述金属焊接系统还包括控制装置，所述控制装置与所述焊枪、外加磁场生成装置、激光器和温度检测装置电连接。

4.根据权利要求2所述的基于激光冲击的金属焊接系统，其特征在于，所述外加磁场生成装置包括N极板和S极板。

5.根据权利要求2所述的基于激光冲击的金属焊接系统，其特征在于，所述激光器包括Nd:YAG激光生成模块、反射镜和聚焦镜，所述Nd:YAG激光生成模块输出的激光束输出给所述聚焦镜的激光输入端，所述聚焦镜的激光输出端输出的激光束用于照射所述焊缝，所述反射镜设置在所述Nd:YAG激光生成模块和聚焦镜之间的光路上。

6.根据权利要求2所述的基于激光冲击的金属焊接系统，其特征在于，所述温度检测装置为红外测温仪。

Images