CN113927158B - 一种基于功率波形调制的激光焊接工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于功率波形调制的激光焊接工艺方法，其特征在于：采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形，实现对焊接过程中激光输入能量以及焊接热输入分布进行优化调控，对形成的焊缝熔池产生搅拌效应进行激光焊接。本发明激光焊接工艺方法可大大改善激光焊接熔池熔化结晶及流动的问题，从而优化调控激光焊接成形与质量。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，更具体地说，涉及一种基于功率波形调制的激光焊接工艺方法。
背景技术
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，具有焊接效率高、接头深宽比大、热影响区窄、变形小及易于实现自动化等优点，同时还可应用于其他焊接方法焊枪无法到达的某些特殊焊接位置，已在航空航天、汽车制造、五金加工等行业领域得到了广泛应用。
激光焊接技术虽然具有显著的优越性，但仅也存在一些局限性。激光深熔焊时，由于激光能量密度大，影响小孔和熔池行为的因素比较复杂，存在局部区域过渡蒸发，易发生匙孔坍塌及熔池剧烈波动而产生多种缺陷，如焊缝晶粒粗大、内部气孔、元素烧损、表面飞溅、焊缝底部的驼峰等，从而导致深熔焊焊缝成形质量较差。
根据激光能量的输出形式，激光深熔焊分为脉冲激光焊接和连续激光焊接两种焊接工艺。在脉冲激光焊接过程中，由于焊接热量输入小并且可以实现对焊接热输入的精确控制，因此被焊工件的整体温升小、变形小、所得焊缝较窄并且热影响区小。但是在脉冲激光焊接模式下，焊缝熔池经历周期性的热循环，即焊缝经历周期性的快速熔化和凝固冷却过程，致使焊接应变率高，焊缝容易产生裂纹，同时由于输入热量小，脉冲激光焊接一般应用于微小零部件或薄板件的焊接。
另一种焊接工艺是连续激光焊接，即激光不间断地作用于焊缝，能量输出集中，可用于中厚板材的焊接，但连续激光易出现热输入过大的情况，由于无法精确控制热输入量，容易发生匙孔塌陷以及熔池剧烈波动的现象，从而导致焊缝成形差以及气孔等缺陷。这些缺点限制了激光焊接工艺的应用范围。
因此，为了提高激光焊缝质量，现需要提供一种可对激光焊接过程能量输入进行优化调控的焊接工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于功率波形调制的激光焊接工艺方法；该激光焊接工艺方法可大大改善激光焊接熔池熔化结晶及流动的问题，从而优化调控激光焊接成形与质量。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于功率波形调制的激光焊接工艺方法，其特征在于：采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形，实现对焊接过程中激光输入能量以及焊接热输入分布进行优化调控，对形成的焊缝熔池产生搅拌效应进行激光焊接。
在上述方案中，本发明激光焊接工艺方法的目的是为了改善现有激光焊接过程中焊接适应性低、焊缝应力集中、气孔与裂纹等缺陷、焊缝成型质量差等问题。本发明方法通过采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，从而对焊接过程中激光输入能量进行优化调控，精确调控焊接热输入分布，改善激光焊接熔池熔化结晶及流动行为，进而优化调控激光焊接成形与质量。
所述采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形是指：将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制，使波形调制后的激光功率波形的峰值和基值均呈现出直流/方波/正弦波状态；采用信号发生器或基于虚拟仪器的信号发生器产生的调制波形作为控制信号，控制信号通过激光器发出焊接光束，实现对激光输出功率波形的控制。
具体地说，所述将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制是指：将高频变频变幅值的脉冲激光信号加载在直流的连续激光信号上进行激光功率的波形调制。
所述直流的连续激光信号的功率P0满足0.1P≤P0≤P；所述高频变频变幅值的脉冲激光信号的功率P1，P2，P3，…，Pn满足0.1P≤P1，P2，P3，…，Pn≤P；所述高频变频变幅值的脉冲激光信号的频率f1，f2，f3，…，fn满足200Hz≤f1，f2，f3，…，fn≤50kHz；所述高频变频变幅值的脉冲激光信号的峰值功率占空比D1，D2，D3，…，Dn满足0.1≤D1，D2，D3，…，Dn≤0.9；所述高频变频变幅值的脉冲激光信号的脉冲持续时间T1，T2，T3，…，Tn满足0.1s≤T1，T2，T3，…，Tn≤10s；其中，P为激光器的峰值功率；
所述激光器的激光离焦量为-5mm≤d≤5mm；激光器的焊接速度为0.1≤v≤10m/min；激光器的气流量为1≤L≤40L/min。
具体地说，所述将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制是指：将高频脉冲激光信号加载在低频方波激光信号上进行激光功率的波形调制。
所述低频方波激光信号的基值功率P0和峰值功率P1满足0.1P≤P0<P1≤P；所述低频方波激光信号的频率f0满足1Hz≤f0≤200Hz；所述低频方波激光信号的峰值功率占空比D1满足0.1≤D1≤0.9；所述低频方波激光信号的峰值功率P1与高频脉冲激光信号的峰值功率P2满足0.1P≤P1+P2≤P；所述高频脉冲激光信号的频率f1满足200Hz≤f1≤50kHz；所述高频脉冲激光信号的峰值功率占空比D2满足0.1≤D2≤0.9；其中，P为激光器的峰值功率；
所述激光器的激光离焦量为-5mm≤d≤5mm；激光器的焊接速度为0.1≤v≤10m/min；激光器的气流量为1≤L≤40L/min。
具体地说，所述将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制是指：将高频脉冲激光信号加载在低频正弦波的连续激光信号上进行激光功率的波形调制。
所述低频正弦波的连续激光信号的基值功率P0和峰值功率P1满足0.1P≤P0<P1≤P；所述低频正弦波的连续激光信号的频率f0满足1Hz≤f0≤200Hz；所述低频正弦波的连续激光信号的峰值功率P1与高频脉冲激光信号的峰值功率P2满足0.1P≤P1+P2≤P；所述高频脉冲激光信号的频率f1满足200Hz≤f1≤50kHz；所述高频脉冲激光信号的峰值功率占空比D2满足0.1≤D2≤0.9；其中，P为激光器的峰值功率；
所述激光器的激光离焦量为-5mm≤d≤5mm；激光器的焊接速度为0.1≤v≤10m/min；激光器的气流量为1≤L≤40L/min。
在激光焊接前，还包括对待焊工件进行预处理及定位步骤：在待焊工件上将距焊缝中心周围0～10mm范围内的区域进行清洁预处理；将预处理的待焊工件进行固定，使焊缝对接间隙小于或等于10％待焊工件的厚度。
所述待焊工件材料为钢、铝合金或钛合金。
本发明激光焊接工艺方法的本质和机理是：在常规连续激光焊基础上，加载高频脉冲激光信号。或者在低频的方波/正弦波连续激光信号的基础上加载高频脉冲激光信号，使脉冲激光功率无论是峰值还是基值，其大小均呈现出方波/正弦波形态。即通过控制连续信号(直流/低频方波/低频正弦波)的基值，脉冲信号峰值、脉宽、频率和周期等数值，从而控制或改变激光功率波形的变化，从而实现一种焊接过程中激光功率可调的焊接工艺。
本发明中连续(直流/低频方波/低频正弦波)激光用于熔化待焊工件(母材)，形成焊接熔池，保证焊接熔深。而脉冲激光用于激光焊接热输入的调控，产生搅拌效应，促使熔池中的气泡上浮，增加待焊工件(母材)对激光的吸收率，改善焊缝热循环过程，有效减少热裂纹的产生及气孔形成，同时搅拌作用使组织晶粒细化，从而达到改善焊接质量的目的。
与传统采用两束光束作用于熔池(即双热源调控熔池)的焊接工艺相比，本发明采用单数激光，通过控制光束功率的变化实现输入熔池热量调控，能量控制精度高，另外，本发明可解决采用两路光束传到装置实现双光束模式工艺导致设备复杂、成本高的问题，而采用信号控制模式实现激光波形控制，可使得焊接设备结构简单，成本低。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明激光焊接工艺方法可大大改善激光焊接熔池熔化结晶及流动的问题，从而优化调控激光焊接成形与质量。
附图说明
图1是实施例一中将高频变频变幅值的脉冲激光信号加载在直流的连续激光信号上的波形调制方式意图；
图2是实施例二中将高频脉冲激光信号加载在低频方波激光信号上的波形调制方式意图；
图3是实施例二中连续激光焊接的焊缝微观组织图；
图4是实施例二中低频方波波形调制激光焊接的焊缝微观组织图；
图5是实施例三中将高频脉冲激光信号加载在低频正弦波的连续激光信号上的波形调制方式意图；
图6是实施例三中连续激光焊接的焊缝微观组织图；
图7是实施例三中正弦脉冲调制激光焊接熔池区域的微观组织图；
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例一
本实施例是以将高频变频变幅值的脉冲激光信号加载在直流的连续激光信号上进行激光功率的波形调制为例对下面进行说明。
本实施例的基于功率波形调制的激光焊接工艺方法是这样的：采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形，实现对焊接过程中激光输入能量以及焊接热输入分布进行优化调控，对形成的焊缝熔池产生搅拌效应进行激光焊接。
具体地包括以下步骤：
步骤一，对待焊工件进行预处理及定位：在待焊工件上将距焊缝中心周围0～10mm范围内的区域进行氧化皮和油污清理干净；首先，在焊缝对接端面采用砂纸进行磨削，直至露出白亮色金属本体；然后采用丙酮擦拭干净，则完成待焊工件的预处理；将预处理的待焊工件进行固定，使焊缝对接间隙小于或等于10％待焊工件的厚度。该待焊工件材料为钢、铝合金或钛合金等等。
步骤二，如图1所示，将高频变频变幅值的脉冲激光信号加载在直流的连续激光信号上进行激光功率的波形调制，使波形调制后的激光功率波形的峰值和基值均呈现出方波状态；并采用一部信号发生器或一部基于虚拟仪器的信号发生器产生的调制波形作为控制信号，控制信号通过激光器发出焊接光束，实现对激光输出功率波形的控制，从而实现对待焊工件进行激光焊接。
本实施例中直流的连续激光信号的功率P0满足0.1P≤P0≤P，高频变频变幅值的脉冲激光信号的功率P1，P2，P3，…，Pn满足0.1P≤P1，P2，P3，…，Pn≤P；高频变频变幅值的脉冲激光信号的频率f1，f2，f3，…，fn满足200Hz≤f1，f2，f3，…，fn≤50kHz；高频变频变幅值的脉冲激光信号的峰值功率占空比D1，D2，D3，…，Dn满足0.1≤D1，D2，D3，…，Dn≤0.9；高频变频变幅值的脉冲激光信号的脉冲持续时间T1，T2，T3，…，Tn满足0.1s≤T1，T2，T3，…，Tn≤10s；其中，P为激光器的峰值功率；
而激光器的激光离焦量为-5mm≤d≤5mm；激光器的焊接速度为0.1m≤v≤10m/min；激光器的气流量为1≤L≤40L/min。
实施例二
本实施例是将高频脉冲激光信号加载在低频方波激光信号上进行激光功率的波形调制。
本实施例的基于功率波形调制的激光焊接工艺方法是这样的：采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形，实现对焊接过程中激光输入能量以及焊接热输入分布进行优化调控，对形成的焊缝熔池产生搅拌效应进行激光焊接。
具体地包括以下步骤：
步骤一，对待焊工件进行预处理及定位：在待焊工件上将距焊缝中心周围0～10mm范围内的区域进行氧化皮和油污清理干净；首先，在焊缝对接端面采用砂纸进行磨削，直至露出白亮色金属本体；然后采用丙酮擦拭干净，则完成待焊工件的预处理；将预处理的待焊工件进行固定，使焊缝对接间隙小于或等于10％待焊工件的厚度。该待焊工件材料为钢、铝合金或钛合金等等。
步骤二，如图2所示，将高频脉冲激光信号加载在低频方波激光信号上进行激光功率的波形调制，使波形调制后的激光功率波形的峰值和基值均呈现出方波状态；并采用一部信号发生器或一部基于虚拟仪器的信号发生器产生的调制波形作为控制信号，控制信号通过激光器发出焊接光束，实现对激光输出功率波形的控制，从而实现对待焊工件进行激光焊接。
本实施例中设定相应的焊接参数具体如下：
材料为先进高强钢DP980，厚度2mm，光斑直径为0.1mm，光斑离焦量d＝0，焊接速度v＝3m/min，气流量L＝15L/min，激光器功率P为2kW。低频方波连续激光信号的基值功率P0和峰值功率P1分别为600W和900W，低频方波连续激光信号的频率f0为10Hz，低频方波激光信号的占空比D1为0.5，高频脉冲激光信号的峰值功率P2为300W；高频脉冲激光信号的频率f1为2kHz，高频脉冲激光信号的占空比D2为0.5。
对比本实施例中连续激光焊接的焊缝微观组织图(图3)与低频方波波形调制激光焊接的焊缝微观组织图(图4)可以看出，连续激光焊接焊缝区域内马氏体相貌粗大，即晶粒粗大，而低频方波波形调制激光焊接焊缝马氏体较为细小，即晶粒明显细化。说明低频方波波形调制激光能够有效的实现焊接热输入分布进行优化调控，通过光束功率调节实现对焊缝熔池产生搅拌效应，细化焊接区域晶粒。
实施例三
本实施例与实施例一不同之处仅在于：本实施例是将高频脉冲激光信号加载在低频正弦波的连续激光信号上进行激光功率的波形调制。
本实施例的基于功率波形调制的激光焊接工艺方法是这样的：采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形，实现对焊接过程中激光输入能量以及焊接热输入分布进行优化调控，对形成的焊缝熔池产生搅拌效应进行激光焊接。
具体地包括以下步骤：
步骤一，对待焊工件进行预处理及定位：在待焊工件上将距焊缝中心周围0～10mm范围内的区域进行氧化皮和油污清理干净；首先，在焊缝对接端面采用砂纸进行磨削，直至露出白亮色金属本体；然后采用丙酮擦拭干净，则完成待焊工件的预处理；将预处理的待焊工件进行固定，使焊缝对接间隙小于或等于10％待焊工件的厚度。该待焊工件材料为钢、铝合金或钛合金等等。
步骤二，如图5所示，将高频脉冲激光信号加载在低频正弦波的连续激光信号上进行激光功率的波形调制，使波形调制后的激光功率波形的峰值和基值均呈现出正弦波状态；并采用一部信号发生器或一部基于虚拟仪器的信号发生器产生的调制波形作为控制信号，控制信号通过激光器发出焊接光束，实现对激光输出功率波形的控制，从而实现对待焊工件进行激光焊接。
本实施例中设定相应的焊接参数具体如下：
材料为先进高强钢QP980，厚度2mm，光斑直径为0.1mm，光斑离焦量d＝0，焊接速度v＝4m/min，气流量L＝20L/min，激光器功率P为2kW。低频正弦波激光信号的基值功率P0和峰值功率P1分别为600W和1000W，低频正弦波激光信号的频率f0为20Hz，高频脉冲激光信号的峰值功率P2为200W，高频脉冲激光信号的频率f1为4kHz，高频脉冲激光信号的峰值功率占空比D2为0.5。
对比本实施例中连续激光焊接的焊缝微观组织图(图6)与正弦脉冲调制激光焊接熔池区域的微观组织图(图7)可以看出，正弦脉冲调制激光焊接熔池区域的微观组织与实施例二中低频方波脉冲调制激光熔池区域时的微观组织特征类似，脉冲调制激光焊接能够有效对熔池产生搅拌等效应，破坏树枝晶的生长过程细化晶粒，进而实现对焊缝组织的优化调控。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于功率波形调制的激光焊接工艺方法，其特征在于：采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形，实现对焊接过程中激光输入能量以及焊接热输入分布进行优化调控，对形成的焊缝熔池产生搅拌效应进行激光焊接；
所述采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形是指：将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制，使波形调制后的激光功率波形的峰值和基值均呈现出直流/方波状态；采用信号发生器或基于虚拟仪器的信号发生器产生的调制波形作为控制信号，控制信号通过激光器发出焊接光束，实现对激光输出功率波形的控制；
所述将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制是指：将高频变频变幅值的脉冲激光信号加载在直流的连续激光信号上进行激光功率的波形调制；
所述直流的连续激光信号的功率P0满足0.1P≤P0≤P；所述高频变频变幅值的脉冲激光信号的功率P1，P2，P3，…，Pn满足0.1P≤P1，P2，P3，…，Pn≤P；所述高频变频变幅值的脉冲激光信号的频率f1，f2，f3，…，fn满足200Hz≤f1，f2，f3，…，fn≤50kHz；所述高频变频变幅值的脉冲激光信号的峰值功率占空比D1，D2，D3，…，Dn满足0.1≤D1，D2，D3，…，Dn≤0.9；所述高频变频变幅值的脉冲激光信号的脉冲持续时间T1，T2，T3，…，Tn满足0.1s≤T1，T2，T3，…，Tn≤10s；其中，P为激光器的峰值功率；
所述激光器的激光离焦量为-5mm≤d≤5mm；激光器的焊接速度为0.1m≤v≤10m/min；激光器的气流量为1≤L≤40L/min。
2.一种基于功率波形调制的激光焊接工艺方法，其特征在于：采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形，实现对焊接过程中激光输入能量以及焊接热输入分布进行优化调控，对形成的焊缝熔池产生搅拌效应进行激光焊接；
所述采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形是指：将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制，使波形调制后的激光功率波形的峰值和基值均呈现出方波状态；采用信号发生器或基于虚拟仪器的信号发生器产生的调制波形作为控制信号，控制信号通过激光器发出焊接光束，实现对激光输出功率波形的控制；
所述将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制是指：将高频脉冲激光信号加载在低频方波激光信号上进行激光功率的波形调制；
所述低频方波激光信号的基值功率P0和峰值功率P1满足0.1P≤P0<P1≤P；所述低频方波激光信号的频率f0满足1Hz≤f0≤200Hz；所述低频方波激光信号的峰值功率占空比D1满足0.1≤D1≤0.9；所述低频方波激光信号的峰值功率P1与高频脉冲激光信号的峰值功率P2满足0.1P≤P1+P2≤P；所述高频脉冲激光信号的频率f1满足200Hz≤f1≤50kHz；所述高频脉冲激光信号的峰值功率占空比D2满足0.1≤D2≤0.9；其中，P为激光器的峰值功率；
所述激光器的激光离焦量为-5mm≤d≤5mm；激光器的焊接速度为0.1m≤v≤10m/min；激光器的气流量为1≤L≤40L/min。
3.一种基于功率波形调制的激光焊接工艺方法，其特征在于：采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形，实现对焊接过程中激光输入能量以及焊接热输入分布进行优化调控，对形成的焊缝熔池产生搅拌效应进行激光焊接；
所述采用两种不同波形不同功率的复合波形调制方式控制作用于焊缝熔池的激光功率，以改变激光输出功率波形是指：将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制，使波形调制后的激光功率波形的峰值和基值均呈现出正弦波状态；采用信号发生器或基于虚拟仪器的信号发生器产生的调制波形作为控制信号，控制信号通过激光器发出焊接光束，实现对激光输出功率波形的控制；
所述将高频脉冲激光信号加载在连续激光信号上进行激光功率的波形调制是指：将高频脉冲激光信号加载在低频正弦波的连续激光信号上进行激光功率的波形调制；
所述低频正弦波的连续激光信号的基值功率P0和峰值功率P1满足0.1P≤P0<P1≤P；所述低频正弦波的连续激光信号的频率f0满足1Hz≤f0≤200Hz；所述低频正弦波的连续激光信号的峰值功率P1与高频脉冲激光信号的峰值功率P2满足0.1P≤P1+P2≤P；所述高频脉冲激光信号的频率f1满足200Hz≤f1≤50kHz；所述高频脉冲激光信号的峰值功率占空比D2满足0.1≤D2≤0.9；其中，P为激光器的峰值功率；
所述激光器的激光离焦量为-5mm≤d≤5mm；激光器的焊接速度为0.1m≤v≤10m/min；激光器的气流量为1≤L≤40L/min。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于功率波形调制的激光焊接工艺方法，其特征在于：在激光焊接前，还包括对待焊工件进行预处理及定位步骤：在待焊工件上将距焊缝中心周围0～10mm范围内的区域进行清洁预处理；将预处理的待焊工件进行固定，使焊缝对接间隙小于或等于10％待焊工件的厚度。
5.根据权利要求4所述的基于功率波形调制的激光焊接工艺方法，其特征在于：所述待焊工件材料为钢、铝合金或钛合金。
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