CN113182675A - 一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法 - Google Patents

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蒋宝
孙谦
黄瑞生
曹浩
徐楷昕
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Abstract

本发明公开了一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，属于激光加工技术领域。本发明解决现有万瓦级高功率激光在非穿透焊接模式下易形成大尺寸焊接液柱并演变为焊接飞溅的技术问题。本发明采用两束沿焊接方向前后布置、光斑尺寸大小不同、激光功率不同的双光束激光进行金属材料焊接，后束激光功率大，光斑直径小，用于深熔焊接，前束激光功率小，光斑直径相对较大，用于熔化母材浅层金属形成前熔池，并与后光束形成的后熔池相通，施焊时通过疏导后熔池部分金属涌浪进入前熔池的方式，降低后光束匙孔前沿液态金属压力，防止纵向液柱长大并演化为飞溅，实现万瓦级高功率激光焊接的表面良好成形。

Description

一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法
技术领域
本发明涉及一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，属于激光加工技术领域。
背景技术
万瓦级激光焊接技术是一种新型的先进焊接技术，利用万瓦激光的超高功率密度，可获得具有更大深宽比特征的焊缝，进而可有效减少坡口加工量、缩小焊道层数、降低层间清理次数，因此在中、厚板焊接中具有突出的高效技术优势。但是由于万瓦级激光的能量密度要远高于千瓦级激光，所以匙孔内部剧烈的能量交互作用会产生极强的金属蒸气等喷射物质。在这些喷射物质的作用下，匙孔边缘大量的金属液不断地被推向四周。当熔池中某局部区域被推动的液态金属量大于其流出量时，就会由于挤压在匙孔边缘形成纵向焊接液柱。这种现象在非熔透焊接时更为常见。另一方面，由于匙孔周围的熔池形态不同，液态金属的流动情况也是不同的。如熔池前端的固-液界面与匙孔前沿最为靠近，由于此处液体流动通道较窄、流动性要明显低于熔池的其它方向，所以万瓦级激光焊接时极易在匙孔前沿产生焊接液柱，并且随着焊接液柱的持续长大最终将演变成焊接飞溅或形成焊瘤，而对于其抑制方法尚无相关研究报导。因此，提供一种能够有效抑制万瓦级激光焊接的匙孔前沿焊接液柱，对于降低飞溅产生概率、获得良好焊缝成形、充分发挥万瓦级激光高效焊接优势等方面都具有较大的实际意义。
发明内容
本发明为了解决现有万瓦级高功率激光在非穿透焊接模式下易形成大尺寸焊接液柱并演变为焊接飞溅的技术问题，提供一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法。
本发明的技术方案：
一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，该方法为：沿着焊接方向前后排列前束激光P1和后束激光P2，并将前束激光P1和后束激光P2作用在待焊金属材料表面，后束激光P2与前束激光P1间隔一定间距D，并且后束激光P2的功率大于前束激光P1的功率。
进一步限定，前束激光P1的功率为1kW-5kW，后束激光P2的功率为10kW-30kW。
进一步限定，前束激光P1和后束激光P2的光斑间距为4mm-20mm。
进一步限定，前束激光P1的光斑直径为后束激光P2的光斑直径的1-5倍。
更进一步限定，前束激光P1的光斑直径通过增大离焦量或光束整形实现。
更进一步限定，前束激光P1的光斑直径采用激光摆动的方式实现，激光摆幅1mm-5mm，摆动频率1Hz-200Hz。
更进一步限定，前束激光P1和后束激光P2可以是两束相互独立的激光，也可以是一束激光经光学透镜分光后获得的两束光束。
本发明具有以下有益效果：本发明提出一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，采用不同能量匹配和作用方式的双光束激光来抑制并解决万瓦级高功率激光在非穿透焊接模式下易形成大尺寸焊接液柱并演变为焊接飞溅的技术难题，实现了万瓦级高功率激光非穿透焊接的焊缝表面良好成形。此外，本发明还具有以下优点：
(1)通过在焊接光束前方施加小功率光束的方法，可有效扩展主光束匙孔前沿液态金属的疏导渠道，减少万瓦级激光焊接过程中大尺寸金属液柱的产生，大幅减少焊接飞溅，从而有效改善万瓦级激光焊接焊缝表面质量；
(2)通过构建由液态熔池通道连接的前、后双熔池结构，可产生两熔池间液态金属的相互流动，对于施加激光功率较大、熔池波动更为剧烈的后熔池产生缓冲作用，可提高焊接稳定性、使焊缝成形更均匀；
(3)本发明实现的前熔池熔深较小，后熔池熔深较大，通过二者的线性组合可提高临近熔池表面的热场温度，降低熔池表面凝固速度，进而增加焊缝内气体的可逸出时间，减少气孔缺陷倾向。
附图说明
图1为现有单激光万瓦级激光非熔透焊接过程示意图；
图2为本发明双光束万瓦级激光非熔透焊接过程示意图；
图中1-工件，2-液态熔池，3-激光匙孔，4-单束激光，5-金属液柱，6-前束激光，7-后束激光，8-液态熔池通道。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
本发明通过以下技术方案实现：
具体操作步骤为：
如图2所示，首先沿焊接方向将两束前后布置的激光束作用在待焊金属材料表面。其中，后束激光7为主光束，激光功率较大，用于产生大熔深焊缝；前束激光6为辅光束，激光功率较小，用于熔化母材浅层金属形成一定体积的前熔池，并与后光束形成的后熔池相通，构成一个液态熔池通道8。
前束激光6形成的前熔池及熔池通道，在后束激光7金属蒸气推动液态金属对后熔池前沿产生冲击时，可引导部分金属涌浪通过液态熔池通道8进入前熔池，起到对所述后束激光7前沿液态金属疏导作用，实现降低后光束匙孔前沿液态金属压力、抑制纵向液柱生成，或减少液柱生成高度降低飞溅生成几率的效果。
前、后两熔池间液态金属的相互流动，对后熔池的焊接波动产生显著的缓冲作用，进而提高整体的焊接稳定性、使最终焊缝成形更均匀。
前熔池熔深较小，后熔池熔深较大，通过二者的线性组合可提高临近熔池表面的热场温度，降低熔池表面凝固速度，进而增加焊缝内气体的可逸出时间，减少气孔缺陷倾向。
实施例1：
进行Q235低碳钢平板堆焊，具体为：
试验母材为Q235低碳钢，试板规格为300×300×30mm。所用激光器为YLS-30000光纤激光器，采用纯氩气作为保护气体，保护气流量为25L/min。
实施过程中的双光束激光焊接参数：两束激光为一束激光经光学透镜分光后获得，如图2所示，前束激光P1的功率为3000W，后束激光P2的功率为20000W，两束激光间距5mm，焊接速度1m/min。
对比例1：
本对比例与实施例1不同处为：实施过程中采用单激光，如图1所示，单激光焊接参数：激光功率20000W，焊接速度1m/min。
对比实施例1与对比例1可知，焊后获得的双光束焊缝飞溅量明显少于单激光焊缝，同时双光束焊缝成形也要明显优于单激光焊缝成形。
实施例2：
进行不锈钢平板平板堆焊，具体为：
试验母材为316不锈钢，试板规格为300×300×30mm。所用激光器为YLS-30000光纤激光器，采用纯氩气作为保护气体，保护气流量为25L/min。
实施过程中的双光束激光焊接参数：前束激光为摆动激光，摆动幅度为3mm，摆动频率为100Hz，功率为3000W，后束激光功率为20000W，两束激光间距10mm，焊接速度1m/min。
对比例2：
本对比例与实施例2不同处为：实施过程中采用单激光，如图1所示，单激光焊接参数：激光功率20000W，焊接速度1m/min。
对比实施例2与对比例2可知，焊后获得的双光束焊缝飞溅量同样少于单激光焊缝，同时双光束焊缝表面质量也要明显优于单激光焊缝。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，其特征在于，该方法为：沿着焊接方向前后排列前束激光P1和后束激光P2，并将前束激光P1和后束激光P2作用在待焊金属材料表面，后束激光P2与前束激光P1间隔一定间距D，并且后束激光P2的功率大于前束激光P1的功率。
2.根据权利要求1所述的一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，其特征在于，所述的前束激光P1的功率为1kW-5kW，后束激光P2的功率为10kW-30kW。
3.根据权利要求1所述的一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，其特征在于，所述的前束激光P1和后束激光P2的光斑间距为4mm-20mm。
4.根据权利要求1所述的一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，其特征在于，所述的前束激光P1的光斑直径为后束激光P2的光斑直径的1-5倍。
5.根据权利要求4所述的一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，其特征在于，所述的前束激光P1的光斑直径通过增大离焦量或光束整形实现。
6.根据权利要求4所述的一种抑制焊接液柱及飞溅的万瓦级激光双光束焊接方法，其特征在于，所述的前束激光P1的光斑直径采用激光摆动的方式实现，激光摆幅1mm-5mm，摆动频率1Hz-200Hz。
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