CN112247377A - 激光深熔焊接方法及其装置 - Google Patents

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马明明
张月来
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Abstract

本发明提供一种激光深熔焊接方法，包括以下步骤：在焊接件的焊接面上沿对接缝进行激光打孔，加工一系列斜孔；在所述焊接面上对所述对接缝沿激光打孔方向进行激光焊接。还提供了一种装置，包括激光打孔机构和激光焊接机构，所述激光打孔机构用于在焊接件焊接面上沿对接缝进行激光打孔，加工一系列斜孔；所述激光焊接机构用于在焊接件焊接面上沿激光打孔方向进行激光焊接。该发明结构简易、工艺简单；激光焊接前先进行激光打孔加工，有效抑制底部驼峰的形成，具有良好的焊接效果。

Description

激光深熔焊接方法及其装置
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，特别涉及一种激光深熔焊接方法及其装置。
背景技术
激光焊接在激光技术领域占据着十分重要的位置。在应用初期，由于激光功率较小，只能焊接薄板，但随着激光功率的不断增大，并且由于它具有焊接速度快、热输入量小、残余应力低、工件变形小、易于实现自动化等优点，被广泛应用于汽车车身制造、航空航天、船舶和核电领域。但是，在高功率厚板深熔焊接的过程中，由于焊接熔池的动态行为较为复杂，因而难以得到成形较好的焊缝，容易产生飞溅、塌陷、底部驼峰等缺陷。
因此，有必要提供一种有效抑制底部驼峰的形成，具有良好的焊接效果，结构、工艺简单的激光深熔焊接方法及其装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光深熔焊接方法及其装置，旨在解决现有技术中焊接孔和底部熔池不稳定，易出现底部驼峰、飞溅、焊缝表面塌陷等缺陷的技术问题。
本发明提供一种激光深熔焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
在焊接件的焊接面上沿对接缝进行激光打孔，加工一系列斜孔；
在所述焊接面上对所述对接缝沿激光打孔方向进行激光焊接。
进一步地，所述激光打孔的激光束与所述焊接面的倾斜角度为45～75°。
进一步地，所述激光打孔的激光束为脉冲激光，功率≤10kW，焦斑直径为Φ0.7～0.9mm，焦点功率密度为106～107W/cm2；所述激光焊接的激光束为连续激光，功率为≤10kW，焦斑直径为Φ0.8～1.0mm，焦点功率密度为106～107W/cm2。
进一步地，在所述激光打孔和/或所述激光焊接过程中，向所述焊接件被加工区域喷射保护气体，且保护气体的气体流量为4～15L/min。
本发明还提供一种实现上述的激光深熔焊接方法的装置，包括激光打孔机构和激光焊接机构，所述激光打孔机构用于在焊接件的焊接面上沿对接缝进行激光打孔，加工一系列斜孔；激光焊接机构用于在所述焊接面上对所述对接缝沿激光打孔方向进行激光焊接。
进一步地，所述激光打孔机构和所述激光焊接机构共用一个激光发生机构；所述激光发生机构包括激光发生器和分光器，所述激光发生器通过所述分光器与所述激光打孔机构和所述激光焊接机构分别连接。
进一步地，所述激光打孔机构包括打孔加工头及与所述打孔加工头连接的第一机械手臂，所述激光焊接机构包括焊接头及与所述焊接头连接的第二机械手臂；所述分光器与所述打孔加工头、所述焊接头分别连接。
进一步地，还包括控制机构，所述控制机构与所述第一机械手臂、所述第二机械手臂分别电性连接。
进一步地，还包括保护气体机构，所述保护气体机构包括气泵和底部保护装置；所述底部保护装置与所述气泵连通，且设有多个出气口，所述气泵与所述控制机构电性连接。
进一步地，所述保护气体机构还包括第一喷嘴和/或第二喷嘴，所述第一喷嘴通过第一固定支架与所述打孔加工头连接，所述第二喷嘴通过第二固定支架与所述焊接头连接；所述第一喷嘴和所述第二喷嘴均与气泵连通。
本发明提供的激光深熔焊接方法及其装置的有益效果在于：焊接件先经过激光打孔后再进行激光焊接，工艺简单，对应的装置结构简单。激光打孔过程对焊接件进行预热，从而减少了激光焊接时需要的激光能量，焊接孔深度增大，焊接孔和熔池的稳定性得到提高，且经过激光打孔、激光焊接两次激光加热的过程，相当于二次重熔，焊缝晶粒组织得到了细化，有效提高焊接质量，取得较好的焊接效果。激光焊接前先通过激光打孔机构在焊接件焊接面上加工一系列斜孔，在激光焊接的过程中，焊接孔内的金属蒸汽和熔融金属可以流入斜孔内，金属蒸汽形成的反冲压力减小，高速向下的熔融金属对底部熔池的冲击效应得到减弱，有效避免底部驼峰的形成。
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中记载的一些实施例，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获得其他的附图。
图1是本实施例中激光深熔焊接装置的结构示意图；
图2是本实施例中激光深熔焊接装置焊接过程的原理图；
图3是现有技术中激光深熔焊接装置焊接过程的原理图。
图中标记的含义为：
11、打孔加工头；12、第一机械手臂；21、焊接头；22、第二机械手臂；31、激光发生器；32、分光器；4、控制机构；51、气泵；52、底部保护装置；521、出气口；53、第一喷嘴；54、第一固定支架；55、第二喷嘴；56、第二固定支架；100、焊接件；101、熔池；102、焊缝。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”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，而不是指示或暗示所指的装置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专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
请参阅图1，本实施例提供一种激光深熔焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
在焊接件的焊接面上沿对接缝进行激光打孔，加工一系列斜孔；
在焊接面上对对接缝沿激光打孔方向进行激光焊接。
如图2所示，利用激光深熔焊接方法进行焊接时，先将焊接件100，如第一母材和第二母材对接并夹紧，第一母材和第二母材可为钢材。随后进行激光打孔，激光打孔的激光束倾斜辐射在第一母材与第二母材对接处的焊接面上，沿对接缝加工一系列斜孔，该斜孔可为锥形。然后进行激光焊接，激光焊接的激光束辐射在第一母材与第二母材对接处的焊接面上，沿打孔方向进行激光焊接。
如图2、图3所示，本实施例提供的激光深熔焊接方法相比于现有技术，在激光焊接前先进行激光打孔加工，得到一系列等距的斜孔，工艺简单。在后续激光焊接的过程中，焊接孔内的金属蒸汽和熔融金属可以流入斜孔内，金属蒸汽形成的反冲压力减小，高速向下的熔融金属对底部熔池101的冲击效应得到减弱，有效避免底部驼峰的形成。通过激光打孔的过程，实际上是对焊接件100进行预热的过程，从而减少了激光焊接时需要提供的激光能量，并且相同的激光能量下，得到的焊接孔深度增大，焊接孔和熔池101的稳定性得到提高。而且由于焊接件100受到两次激光加热的过程，相当于二次重熔，焊缝102晶粒组织得到了细化，力学性能得到了提高。
作为本实施例的进一步优选，激光打孔的激光束与焊接面的倾斜角度为45～75°。
如图2所示，激光打孔的激光束与焊接面的倾斜角度为45～75°，如果角度过小，会导致斜孔的深度不够，焊接孔深处的金属蒸汽和熔融金属无法顺利流入斜孔内，还是会造成熔融金属对底部熔池101冲击，从而导致形成底部驼峰。如果角度过大，会导致斜孔过深，斜度不够，焊接孔内金属蒸汽和熔融金属同样无法顺利流入斜孔内，导致底部驼峰的形成。本实施例中，激光打孔的激光束与焊接件100焊接面的倾斜角度可为60°。
作为本实施例的进一步优选，激光打孔的激光束为脉冲激光，功率≤10kW，焦斑直径为Φ0.7～0.9mm，焦点功率密度为106～107W/cm2；所述激光焊接的激光束为连续激光，功率为≤10kW，焦斑直径为Φ0.8～1.0mm，焦点功率密度为106～107W/cm2。
如图2所示，本实施例中焊接件100的厚度为8～12mm，激光打孔的激光束为脉冲激光，功率≤10kW，焦斑直径为Φ0.7～0.9mm，焦点功率密度为106～107W/cm2；所述激光焊接的激光束为连续激光，功率为≤10kW，焦斑直径为Φ0.8～1.0mm，焦点功率密度为106～107W/cm2。激光打孔的激光束用于激光打孔加工，为脉冲激光，在焊接件100上沿焊接方向加工出一系列等距的斜孔。激光焊接的激光束为连续激光，用于在焊接轨迹上连续激光焊接。激光焊接的激光束的功率和焦点功率密度可与激光打孔的激光束相同，其焦斑直径略高于激光打孔的激光束，本实施例中激光打孔的激光束的焦斑直径为Φ0.8mm，激光焊接的激光束的焦斑直径为Φ0.9mm。
激光打孔的激光束和激光焊接的激光束的功率、焦点功率密度可根据焊接件100的厚度进行选择，功率或焦点功率密度过低，会造成激光打孔深度不够、焊接效果差，严重影响焊接质量。功率或焦点功率密度过高，则会造成打孔、焊接过度，难以得到成形较好的焊缝102，容易产生飞溅、塌陷、底部驼峰等缺陷。
作为本实施例的进一步优选，在激光打孔和/或激光焊接过程中，向焊接件100被加工区域喷射保护气体，且保护气体的气体流量为4～15L/min。
如图2所示，向焊接件100被加工区域喷射保护气体，在激光打孔、激光焊接过程中，提高了激光利用率，且有利于维持底部熔池101的受力平衡，从而避免飞溅的形成。特别是当熔池101熔透时，保护气体对底部熔池101起到了冷却的作用，有利于增大底部熔池101的表面张力，从而使得表面张力在底部熔融金属的流动中起到主导作用，进一步抑制了底部驼峰的形成。
本实施例还提供一种实现上述的激光深熔焊接方法的装置，包括激光打孔机构和激光焊接机构，激光打孔机构用于在焊接件100的焊接面上沿对接缝进行激光打孔，加工一系列斜孔；激光焊接机构用于在焊接面上对对接缝沿激光打孔方向进行激光焊接。
如图1所示，激光打孔机构和激光焊接机构通过传输光纤与激光发生机构连接，由激光发生机构提供激光。激光打孔机构和激光焊接机可各自分别连接一个激光发生机构，也可共用同一个激光发生机构。在激光焊接前先通过激光打孔机构对焊接件100进行激光打孔处理。激光从激光发生机构发出，通过传输光纤到达激光打孔机构，在激光打孔机构聚焦形成激光束后在焊接件100焊接面进行激光打孔。随后激光从激光发生机构发出，通过传输光纤到达激光焊接机构，在激光焊接机构聚焦形成激光束后在焊接件100焊接面进行激光焊接。激光焊接方向与激光打孔的方向一致。
作为本实施例的进一步优选，激光打孔机构和激光焊接机构共用一个激光发生机构；激光发生机构包括激光发生器31和分光器32，激光发生器31通过分光器32与激光打孔机构和激光焊接机构分别连接。
如图1所示，激光发生机构包括激光发生器31和分光器32，激光发生器31通过传输光纤与分光器32连接，之后分光器32在通过传输光纤与激光打孔机构、激光焊接机构分别连接，使得同一个激光发生器31可将对应能量的激光传输至激光打孔机构、激光焊接机构中。激光发生器31可选择单模光纤激光发生器31或多模光纤激光发生器31。单模光纤激光发生器31的纤芯比较细，能量分布呈高斯分布，中间能量密度最高，光束质量优于多模，功率较低。多模光纤激光发生器31的纤芯相比粗一些，光束质量较差，功率更高。本实施例中激光发生器31为单模光纤激光发生器31。
作为本实施例的进一步优选，激光打孔机构包括打孔加工头11及与打孔加工头11连接的第一机械手臂12，激光焊接机构包括焊接头21及与焊接头21连接的第二机械手臂22；分光器32与打孔加工头11、焊接头21分别连接。
如图1所示，激光打孔机构包括打孔加工头11及与打孔加工头11连接的第一机械手臂12，激光焊接机构包括焊接头21及与焊接头21连接的第二机械手臂22，第一机械手臂12和第二机械手臂22分别驱动打孔加工头11、焊接头21沿激光打孔及激光焊接的方向移动。分光器32通过传输光纤与打孔加工头11、焊接头21分别连接，激光发生器31发出的激光经过分光器32传输至打孔加工头11和焊接头21，在打孔加工头11和焊接头21处聚焦形成激光束。
作为本实施例的进一步优选，还包括控制机构4，控制机构4与第一机械手臂12、第二机械手臂22分别电性连接。
如图1所示，激光深熔焊接装置还包括控制机构4，控制机构4用于控制第一机械手臂12和第二机械手臂22运动，从而驱动打孔加工头11、焊接头21沿激光打孔及激光焊接的方向移动，有效实现自动化。
作为本实施例的进一步优选，还包括保护气体机构，保护气体机构包括气泵51和底部保护装置52；底部保护装置52与气泵51连通，且设有多个出气口521；气泵51与控制机构4电性连接。
如图1、图2所示，激光深熔焊接装置还包括保护气体机构，保护气体机构包括气泵51和与气泵51连通的底部保护装置52，气泵51为底部保护装置52提供保护气体，保护气体可为氦气、氮气等惰性气体。底部保护装置52位于焊接件100底部，设有多个出气口521，出气口521对准焊接处的位置，保护气体会有效保护焊缝102熔池101减少甚至避免被氧化，减少焊接过程中的飞溅，有效减少焊缝102气孔，可以促使焊缝102熔池101凝固时均匀铺展，使得焊缝102成型均匀美观。气泵51与控制机构4电性连接，其中控制机构4可为计算机，通过计算机控制气泵51内保护气体的气体流量。
作为本实施例的进一步优选，保护气体机构还包括第一喷嘴53和/或第二喷嘴55，第一喷嘴53通过第一固定支架54与打孔加工头11连接，第二喷嘴55通过第二固定支架56与焊接头21连接；第一喷嘴53和第二喷嘴55均与气泵51连通。
如图1、图2所示，保护气体机构还包括第一喷嘴53和/或第二喷嘴55，本实施例中均包括。第一喷嘴53和第二喷嘴55均与气泵51连通，气泵51为第一喷嘴53和第二喷嘴55提供保护气体。第一喷嘴53通过第一固定支架54与打孔加工头11连接，对准激光打孔区域。第二喷嘴55通过第二固定支架56与焊接头21连接，对准激光焊接区域。在激光打孔和激光焊接的加工过程中，向加工区域喷保护气体，有效防止熔融金属被氧化，减少加工过程中的飞溅，以及减少蒸汽羽或者等离子云对激光的屏蔽作用，增大激光的有效利用率。
本发明提供的激光深熔焊接方法及其装置，对底部驼峰的形成起到了抑制作用，具有良好的焊接效果，工艺简单，结构简易，易于实现自动化，适合工业的大批量生产。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光深熔焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
在焊接件(100)的焊接面上沿对接缝进行激光打孔，加工一系列斜孔；
在所述焊接面上对所述对接缝沿激光打孔方向进行激光焊接。
2.如权利要求1所述的激光深熔焊接方法，其特征在于，所述激光打孔的激光束与所述焊接面的倾斜角度为45～75°。
3.如权利要求1所述的激光深熔焊接方法，其特征在于，所述激光打孔的激光束为脉冲激光，功率≤10kW，焦斑直径为Φ0.7～0.9mm，焦点功率密度为106～107W/cm2；所述激光焊接的激光束为连续激光，功率为≤10kW，焦斑直径为Φ0.8～1.0mm，焦点功率密度为106～107W/cm2。
4.如权利要求1所述的激光深熔焊接方法，其特征在于，在所述激光打孔和/或所述激光焊接过程中，向所述焊接件(100)被加工区域喷射保护气体，且保护气体的气体流量为4～15L/min。
5.一种实现如权利要求1至4中任一项所述的激光深熔焊接方法的装置，其特征在于，包括激光打孔机构和激光焊接机构，所述激光打孔机构用于在焊接件(100)焊接面上沿对接缝进行激光打孔，加工一系列斜孔；所述激光焊接机构用于在焊接件(100)焊接面上沿激光打孔方向进行激光焊接。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述激光打孔机构和所述激光焊接机构共用一个激光发生机构；所述激光发生机构包括激光发生器(31)和分光器(32)，所述激光发生器(31)通过所述分光器(32)与所述激光打孔机构、所述激光焊接机构分别连接。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述激光打孔机构包括打孔加工头(11)及与所述打孔加工头(11)连接的第一机械手臂(12)，所述激光焊接机构包括焊接头(21)及与所述焊接头(21)连接的第二机械手臂(22)；所述分光器(32)与所述打孔加工头(11)、所述焊接头(21)分别连接。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括控制机构(4)，所述控制机构(4)与所述第一机械手臂(12)、所述第二机械手臂(22)分别电性连接。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括保护气体机构，所述保护气体机构包括气泵(51)和底部保护装置(52)；所述底部保护装置(52)与所述气泵(51)连通，且设有多个出气口(521)，所述气泵(51)与所述控制机构(4)电性连接。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述保护气体机构还包括第一喷嘴(53)和/或第二喷嘴(55)，所述第一喷嘴(53)通过第一固定支架(54)与所述打孔加工头(11)连接，所述第二喷嘴(55)通过第二固定支架(56)与所述焊接头(21)连接；所述第一喷嘴(53)和所述第二喷嘴(55)均与所述气泵(51)连通。
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