CN113714637B - 一种用于紫铜焊接的激光系统及焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
一种用于紫铜的激光焊接系统及焊接工艺，为解决现有紫铜焊接工艺复杂，功率要求高等技术问题。采用具有特殊保护气体的紫铜焊接装置，提高激光吸收率，加速紫铜的融化，可以有效减少紫铜焊接所需的功率，用于光纤激光器手持焊接系统中，实现便捷的紫铜焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于紫铜焊接的激光系统及焊接工艺，具有特殊的保护气体，实现紫铜焊接的低功率焊接。
背景技术
在激光焊接领域，紫铜焊接的需求是广泛的，往常的紫铜焊接具有气焊、电弧焊、氩弧焊等等方式。在激光焊接兴起以后，紫铜的激光焊接也已经进入了人们的视线。目前的紫铜焊接面临多样的问题，诸如焊透性差，易变形；焊接接头机械性能低；易产生气孔；易产生裂纹等等。
同时在激光焊接紫铜时还面临着铜对近红外波段激光的反射率较高，激光器需要极高的功率才能够实现焊接，不仅会浪费能量，同时反射光还容易对人体和其他物体造成损害，同时紫铜具有的高导热性，致使激光辐射到其表面产生的热量迅速流失，难以熔化材料并形成熔池。有相关研究表明，在氮气保护下，采用摆动焊接的方式，获得1mm的焊缝熔深，需要2500W的激光功率。为解决这个技术问题，有技术人员采用在紫铜表面进行预处理，如现有的技术人员有在材料的表面涂上一层石墨的，但这样会导致焊缝不均匀以及石墨渗入焊缝影响强度。也有技术人员采用300W的YAG激光在离焦2mm的情况下对紫铜表面照射5s后，形成一层黑色的氧化膜，提高紫铜对激光的吸收率，但是这种手段首先操作步骤较多，不利于实际的加工，其次氧化膜的质量难以控制，那么不同位置预处理的不同的氧化膜可能会出现不同的焊接质量，他们通常需要根据不同的焊接要求形成不同厚度的氧化膜，这样导致了过程复杂，需要精细调整，无法形成标准的焊接过程，稍有预处理精度不够便难以形成预定的焊接要求，焊接过程不易调整，无法形成稳定可控的焊接质量。
同时现有技术中一些材料所采用不使用保护气体直接在空气中的焊接工艺也是不适宜应用的，因为空气中存在的过量水分含量以及杂质气体会影响紫铜焊接过程，同时其熔深也难以增大，并会额外影响装置的保护和散热。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于紫铜焊接的激光系统及焊接工艺，克服了现有技术的不足，设计合理。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于紫铜的激光焊接系统，其包括焊接激光器，控制系统，焊接头，保护气体输出通道，其中焊接激光器用于紫铜的焊接，可产生需求模式的激光；焊接头用于输出对应模式的激光用于焊接，保护气体输出通道，用于输出预设的保护气体，控制系统用于控制激光器的工作和保护气体的输出。
其中预设的焊接保护气采用含氧气体(氧气含量＞20％)，包括但不限于空气、纯氧气、氧气与其他气体的混合气。其中，氧气含量越高，所获得的熔深越大。
优选的，当开始焊接时，可以先输出保护气体，再出射激光，优选的，在焊接结束后，保护气体延迟预设时间再关闭。
一种紫铜的激光焊接工艺，
s1：准备焊接工件；
s2:打开焊接装置，输出焊接保护气体和出射焊接激光；
S3：焊接完成后关闭焊接装置，关闭激光出射，停止保护气体的输出。
优选的，应当使得保护气体的氧气含量在20％以上，
若要获得更为突出的熔深效果，应当保持50％(或45％)以上的氧气含量。
作为一个优选示例，当采用氧气或干燥压缩空气作为保护气体时，为了起到相应的保护效果以及达到合理的熔深效果，应当使得气体压力或流量符合常规的保护气体压力或流量，优选的保护气体压力大于0.05bar，可选的气压大于0.08bar(或0.1bar)，气压的上限通常应符合常规的保护气体的压力上限，如小于20bar(或10bar)。
一种用于紫铜焊接的激光系统及焊接工艺。具备以下有益效果：
1、在氧气介质中，紫铜的焊缝区域与热影响区域发生氧化，生成的氧化物一方面降低了紫铜表面的光泽度，降低了其对光纤激光的反收率，另一方面提高了表面粗糙度，促使激光能量在表面被多次反射、吸收。
2、到达燃点的金属在氧气介质中剧烈燃烧并产生大量的热量，加速紫铜的熔化。由于氧化物的降低反射率、提高吸收率作用与氧气的加剧燃烧作用，相对于使用传统的激光焊接保护气(如氩气、氮气等)，达到相同的熔深效果，可以采用更低功率的光纤激光器，大大降低了加工成本。当采用干燥压缩空气(氧气含量约为20.95％)作为焊接保护气体时，相比较使用其他保护气体，又可进一步降低成本。
3、由于紫铜焊缝对于氢气孔的敏感性比低碳钢焊缝要高的多(一方面铜的导热系数高，使得铜焊缝的结晶凝固过程特别快，因而在高温时所溶解在焊缝中的氢不易上浮逸出，就在焊缝中形成气孔；另一方面，铜在高温时吸收氢量的能力比低碳钢也大的多)，使用含氧气体作为保护气体，可以反应吸收部分氢气，解决掉紫铜焊接易产生氢气孔的作用。
4、本发明将含氧气体作为保护气体，其不需要额外的保护气体，降低了成本，同时只需要一个集成在焊接出射同时发生的步骤，就可以解决紫铜吸收率低的难题，步骤简单，易于稳定控制，同时还提高了焊缝的质量。
5、精确研究焊接保护气体的含氧量，发现，需要使得含氧量大于预设的值，以使得熔深达到最优的效果
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1本发明的采用纯氧效果示意图；
图2本发明的采用80％含氧气体效果示意图；
图3本发明的采用50％含氧气体效果示意图；
图4本发明的采用20％含氧气体效果示意图；
图5本发明的熔深对比示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种用于紫铜的激光焊接系统，其包括焊接激光器，控制系统，焊接头，保护气体输出通道，其中焊接激光器用于紫铜的焊接，可产生需求模式的激光；焊接头用于输出对应模式的激光用于焊接，保护气体输出通道，用于输出预设的保护气体，控制系统用于控制激光器的工作和保护气体的输出。
其中预设的焊接保护气采用含氧气体，包括但不限于空气、纯氧气、氧气与其他气体的混合气。
优选的，当开始焊接时，可以先输出保护气体，再出射激光，优选的，在焊接结束后，保护气体延迟预设时间再关闭。
一种紫铜的激光焊接工艺，
s1：准备焊接工件；
s2:打开焊接装置，输出焊接保护气体和出射焊接激光；
S3：焊接完成后关闭焊接装置，关闭激光出射，停止保护气体的输出。
针对2mm厚度T2紫铜板拼接焊，采用本发明的技术方案，选用工业纯氧(氧气含量＞99.99％)作为焊接保护气，气体流量为15L/min。使用手持激光焊接机，激光器功率1500W，激光头为单摆焊接头，以100HZ的频率摆动1.4mm的直线。以1-2cm/s的速度进行手持焊接。采用上述工艺方案进行焊接后，取得的焊缝熔深金相图如图1所示。
同时，为了研究氧气含量对熔深的影响：将氧气和氮气混合，通过改变氧气在混合气体中的含量(分别设置为80％、50％、20％)，在上述工艺参数下分别进行焊接测试，取得焊缝熔深金相如图2(80％)、图3(50％)、图4(20％)所示。
随着氧气含量的下降，焊缝熔深也随之下降。当氧气含量降为0，即采用纯氮气作为保护气体时，在1500W的功率下，紫铜难以熔化并形成熔池。在1500W功率下焊接，混合气体含量与熔深的统计数据如图5所示。
因此，若要获得较佳的熔深，应当使得保护气体的氧气含量在20％以上，
若要获得更为突出的熔深效果，参照附图5的结果，应当保持50％(或45％)以上的氧气含量。
作为一个示例，当采用压缩空气作为保护气体时，为了起到相应的保护效果以及达到合理的熔深效果，应当使得气体压力或流量符合常规的保护气体压力或流量，优选的保护气体压力大于0.05bar，可选的气压大于0.08bar(或0.1bar)，气压的上限通常应符合常规的保护气体的压力上限，如小于20bar(或10bar)。
另外，当采用这种方法提高焊接效率时，由于初始时紫铜的激光吸收率不足，为了减少危害光出射的可能性，可以设当焊接过程中预设采用的激光功率为P1时，当激光开始出射后的t1时间内(t1不为0)，使采用的激光的功率为P2，使得P2<50％P1，当经过t1时间的激光出射后，采用的激光功率为P1。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种激光焊接系统的紫铜焊接工艺：
激光焊接系统包括：焊接用激光器，焊接头，保护气体输出通道，控制系统；其中，焊接用激光器用于紫铜的焊接，焊接头用于输出激光用于焊接，保护气体输出通道，用于输出预设的保护气体，控制系统用于控制激光器的工作和保护气体的输出，其中预设的焊接保护气采用纯氧气；保护气体压力大于0.1bar，小于10bar；焊接包括如下步骤：
s1：准备焊接用紫铜工件；
s2:打开焊接装置，输出含氧的焊接保护气体和出射焊接激光；
S3：焊接完成后关闭焊接装置，关闭激光出射，停止保护气体的输出；
当开始焊接时，先输出保护气体，再出射激光，在焊接结束后，保护气体延迟预设时间再关闭；
对2mm厚度T2紫铜板拼接焊，气体流量为15 L/min；使用手持激光焊接机，激光器功率1500W，激光头为单摆焊接头，以100HZ的频率摆动1.4mm的直线，以1-2cm/s的速度进行手持焊接；
在氧气介质中，紫铜的焊缝区域与热影响区域发生氧化，生成氧化物；
其中：当焊接过程中预设采用的激光功率为P1时，当激光开始出射后的t1时间内，t1不为0，使采用的激光的功率为P2，使得P2<50%P1，当经过t1时间的激光出射后，采用的激光功率为P1。
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