CN114043089B - 一种t型接头点环激光双侧同步焊接方法 - Google Patents

一种t型接头点环激光双侧同步焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，本发明属于激光加工技术领域。本发明要解决现有大功率快速激光焊接过程中存在的焊接飞溅剧烈及焊缝表面成形质量较差的问题。方法：一、安装定位；二、点环双光束焊接。本发明用于T型接头点环激光双侧同步焊接。

Description

一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域。
背景技术
T型接头可用于传递拉伸、剪切和弯曲载荷等，现今T型接头在军工、核能等关键设备及高铁、航空等轻量化结构生产中应用占比不断扩大；铆接及粘接是T型接头常用的传统连接方法；与铆接和粘接相比，焊接方法可以更快时间完成连接工作，提高生产效率；焊接方法已成为T型接头及其他常用结构最主要的连接方法，但目前仍存在一些材料及结构采用焊接方法难以满足其生产服役要求。
T型接头具有多种形式且要求较高的焊接质量。目前，填丝激光焊接及双侧激光焊接为主要的T型接头激光焊接方法，填丝激光焊接热作用区域小，焊接质量受到光丝精度较大影响，易出现焊瘤、焊丝未熔入等缺陷，此外，铝合金由于自身特性激光焊接过程中稳定性较差，容易产生焊接飞溅、气孔等缺陷，降低焊缝质量。
近年来，工业界对激光焊接的质量要求越来越高，激光焊接在以下情况下极易产生焊接飞溅，如：大功率激光焊接、高速度焊接及高反材料的激光焊接。因此解决上述情况的焊接飞溅问题，对于提升激光焊接质量，拓宽应用领域具有重要意义。在T型接头焊接中随着焊接速度及功率不断提升，焊接飞溅现象也不断加剧，抑制焊接飞溅对获得高表面质量的T型接头焊缝具有重要意义。
发明内容
本发明要解决现有大功率快速激光焊接过程中存在的焊接飞溅剧烈及焊缝表面成形质量较差的问题，而提供一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法。
一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
一、安装定位：
将桁条立板加工成由上部直板与底部四棱柱构成的一体结构板，然后将桁条立板立于蒙皮平板之上，桁条立板底部四棱柱与蒙皮平板相接，得到待焊T型接头；
二、点环双光束焊接：
①、将两台激光器发出的第1点环复合光束和第2点环复合光束分别传输到两个激光器的加工头上，然后将激光加工头镜像设置于待焊T型接头的桁条立板两侧；
所述的点环复合光束由内部点光及外部环光组成；
②、在单侧激光加工头输入总功率为1000W～5000W及焊接速度为1m/min～4m/min的条件下进行点环激光双侧同步焊接，即完成T型接头点环激光双侧同步焊接方法；
所述的单侧激光加工头输入总功率为点光功率与环光功率的总和，且环光功率占单侧激光加工头输入总功率的10％～90％。
本发明的有益效果是：
1、本发明设计满足使用要求的T型接头形式，利用点环激光焊接取代常规填充焊丝或粉末方式的T型接头激光焊接，根据实际需求调控点环功率配比，以便获得具有表面质量较高的优质焊缝，焊接过程易于实现及控制，快速且重复性高，易于T型接头桁条与蒙皮之间固定，易于实现机械自动化，能耗低，效率高，适用于薄板或中厚板T型接头的焊接。
2、本发明方法通过点环激光获得点环复合光束热源模式，且对于点环光功率配比可针对不同焊接结构条件下进行精确调节，使激光束的能量能够合理分配与利用，增加点环激光焊接对不同尺寸的T型接头适应性，并在同等焊缝质量要求下以更快速度(1m/min～4m/min)完成焊接过程，提高生产效率，拓宽激光焊接技术应用领域。
3、点环激光在待焊材料表面产生特殊能场，辅助环形光源扩大了匙孔入口尺寸，焊接过程匙孔稳定性提高，易于金属蒸气逸出，抑制焊接飞溅现象，同时焊缝表面成型质量提升，降低因飞溅产生进行返工清洁产生额外费用，提高生产效率。
4、在T型接头两侧同步激光焊接，保证两侧焊缝同步冷却，避免焊缝收缩变形，提高焊接质量。
本发明用于一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法。
附图说明
图1为实施例一T型接头点环激光双侧同步焊接方法的示意图，1为桁条立板，2为蒙皮平板，3为点环复合光束，4为二合一光纤，5为焊接方向，6为加工头；
图2为实施例一步骤一得到的待焊T型接头示意图，K及H为焊角尺寸，L为焊缝宽度；
图3为实施例一步骤二①所述的二合一光纤示意图，1为内部纤芯，2为外部环芯；
图4为实施例一步骤二①所述的点环复合光束的示意图；
图5为实施例一T型接头点环激光双侧同步焊接过程中熔池匙孔流动情况图；
图6为实施例四制备的T型接头焊接件的焊缝截面实物图；
图7为对比实验一T型接头点光激光双侧同步焊接过程中熔池匙孔流动情况图；
图8为对比实验一制备的T型接头焊接件的焊缝截面实物图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
一、安装定位：
将桁条立板加工成由上部直板与底部四棱柱构成的一体结构板，然后将桁条立板立于蒙皮平板之上，桁条立板底部四棱柱与蒙皮平板相接，得到待焊T型接头；
二、点环双光束焊接：
①、将两台激光器发出的第1点环复合光束和第2点环复合光束分别传输到两个激光器的加工头上，然后将激光加工头镜像设置于待焊T型接头的桁条立板两侧；
所述的点环复合光束由内部点光及外部环光组成；
②、在单侧激光加工头输入总功率为1000W～5000W及焊接速度为1m/min～4m/min的条件下进行点环激光双侧同步焊接，即完成T型接头点环激光双侧同步焊接方法；
所述的单侧激光加工头输入总功率为点光功率与环光功率的总和，且环光功率占单侧激光加工头输入总功率的10％～90％。
本实施方式的有益效果是：
1、本实施方式设计满足使用要求的T型接头形式，利用点环激光焊接取代常规填充焊丝或粉末方式的T型接头激光焊接，根据实际需求调控点环功率配比，以便获得具有表面质量较高的优质焊缝，焊接过程易于实现及控制，快速且重复性高，易于T型接头桁条与蒙皮之间固定，易于实现机械自动化，能耗低，效率高，适用于薄板或中厚板T型接头的焊接。
2、本实施方式方法通过点环激光获得点环复合光束热源模式，且对于点环光功率配比可针对不同焊接结构条件下进行精确调节，使激光束的能量能够合理分配与利用，增加点环激光焊接对不同尺寸的T型接头适应性，并在同等焊缝质量要求下以更快速度(1m/min～4m/min)完成焊接过程，提高生产效率，拓宽激光焊接技术应用领域。
3、点环激光在待焊材料表面产生特殊能场，辅助环形光源扩大了匙孔入口尺寸，焊接过程匙孔稳定性提高，易于金属蒸气逸出，抑制焊接飞溅现象，同时焊缝表面成型质量提升，降低因飞溅产生进行返工清洁产生额外费用，提高生产效率。
4、在T型接头两侧同步激光焊接，保证两侧焊缝同步冷却，避免焊缝收缩变形，提高焊接质量。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中确定桁条立板和蒙皮平板的板厚并确定焊脚尺寸K/H，所述的焊脚尺寸K/H为1～2.5。其它与具体实施方式一相同。
本具体实施方式方法根据焊接结构中T型焊缝实际需求设计出不同的焊脚尺寸K/H；焊脚尺寸K/H不应过大，否则焊接变形大，易脆裂，残余应力大，对于较薄的焊件容易焊穿；焊脚尺寸太小，焊接热量小，冷却过快，焊导致焊缝脆性增加，裂纹倾向增加。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的底部四棱柱的横截面为等腰梯形，上部直板的厚度D1等于等腰梯形的上底长；所述的焊脚尺寸K等于等腰梯形的上底长和下底长之差的一半，所述的焊脚尺寸H等于等腰梯形的高。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的蒙皮平板的厚度为1mm～4.5mm；所述的D1为1mm～4.5mm。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的桁条立板及蒙皮平板的材质为铝合金、碳钢、不锈钢或钛合金。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二①中所述的激光器为固体激光器。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二①中所述的点环复合光束通过同轴单光纤直接输出、激光器内置光纤耦合器输出、激光器内置集成光闸输出或二合一光纤输出。其它与具体实施方式一至六之一相同。
本实施方式所述的点环复合光束通过以下方式实现，具体为：(1)同轴单光纤直接输出点环光源；(2)通过激光器内置光纤耦合器输出点环光源；(3)通过激光器内置集成光闸输出点环光源；(4)通过二合一光纤输出点环光源。
本实施方式点环复合光束通过二合一光纤实现，二合一光纤包含内部纤芯及外部环芯，内部纤芯产生高质量点光，外部环芯产生辅助环形光源，形成复合点环激光。
本实施方式点环复合光束通过同轴单光纤直接输出，无需光闸、变焦加工头等光学器件。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的二合一光纤由内部纤芯及外部环芯组成，内部纤芯直径为100μm，外部环芯直径为400μm，外部环芯宽度为100μm。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的二合一光纤由内部纤芯及外部环芯组成，内部纤芯直径×外部环芯直径参数具体为：10μm×100μm、22μm×170μm、50μm×140μm、50μm×150μm、50μm×200μm、70μm×180μm、100μm×290μm、100μm×300μm、100μm×400μm或200μm×700μm。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二②中在单侧激光加工头输入总功率为5000W及焊接速度为4m/min的条件下进行点环激光双侧同步焊接；步骤二②中点光功率为4000W，环光功率为1000W。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一，结合图1至4具体说明：
一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
一、安装定位：
将桁条立板加工成由上部直板与底部四棱柱构成的一体结构板，然后将桁条立板立于蒙皮平板之上，桁条立板底部四棱柱与蒙皮平板相接，得到待焊T型接头；
二、点环双光束焊接：
①、将两台激光器发出的第1点环复合光束和第2点环复合光束分别传输到两个激光器的加工头上，然后将激光加工头镜像设置于待焊T型接头的桁条立板两侧；
所述的点环复合光束由内部点光及外部环光组成；
②、在单侧激光加工头输入总功率为3750W及焊接速度为1m/min的条件下进行点环激光双侧同步焊接，得到T型接头焊接件；所述的点光功率与环光功率的比为4:1，点光功率为3000W，环光功率为750W。
步骤一中确定桁条立板和蒙皮平板的板厚并确定焊脚尺寸K/H，所述的焊脚尺寸K/H为1；
步骤一中所述的底部四棱柱的横截面为等腰梯形，上部直板的厚度D1等于等腰梯形的上底长；所述的焊脚尺寸K等于等腰梯形的上底长和下底长之差的一半，所述的焊脚尺寸H等于等腰梯形的高；其中蒙皮平板的厚度为3.5mm，D1为3.5mm，K＝2mm；
步骤一中所述的桁条立板及蒙皮平板的材质为5083铝合金；
步骤二①中所述的激光器为TRUMPF公司的TruDisk固体激光器；
步骤二①中所述的加工头为YW52激光加工头；
步骤二①中所述的点环复合光束通过二合一光纤输出，具体为TRUMPF公司Brightline光纤，所述的二合一光纤由内部纤芯及外部环芯组成，内部纤芯直径为100μm，外部环芯直径为400μm，外部环芯宽度为100μm；
图5为实施例一T型接头点环激光双侧同步焊接过程中熔池匙孔流动情况图。从图中可以看出，在点环功率配比合理的激光焊接过程中，附加环形光束使匙孔入口扩大，有助于金属蒸气逸出，此外匙孔壁入口处向两侧倾斜，液态金属竖直方向动量分量减小，不足以克服熔池表面张力产生飞溅，液态金属运动偏转至熔池，焊接飞溅得到有效抑制。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤二②所述的单侧激光加工头输入总功率为4500W；所述的点光功率与环光功率的比为2:1，点光功率为3000W，环光功率为1500W。其它与实施例一相同。
在点光功率3000W，环光功率达到1500W时，焊缝均匀性得以改善，咬边、凸起等缺陷有所抑制。飞溅现象较常规激光有一定改善，但改善效果不如实施例一。这是由于虽然环光进一步扩大了匙孔入口，上部匙孔壁进一步向两侧倾斜，但总激光功率的增加导致等离子体、羽辉、金属蒸汽强度增加，液态金属受金属蒸汽及羽辉反冲力增加，尽管液态金属在竖直方向上动量分量减小，但动量仍足以克服熔池表面张力飞出熔池，产生焊接飞溅。
实施例三：本实施例与实施例一不同的是：步骤二②所述的单侧激光加工头输入总功率为4750W；所述的点光功率与环光功率的比为5.3:1，点光功率为4000W，环光功率为750W；步骤二②所述的焊接速度为4m/min。其它与实施例一相同。
实施例一中，在点光功率3000W条件下，环光功率采用750W时获得了最佳质量的焊缝表面，焊接飞溅有效抑制；在点光功率4000W条件下，采用750W环光功率虽对焊缝表面质量有一定提升，飞溅得到一定抑制，但并未达到实施例一中所得优良质量的焊缝表面。说明点环激光焊接中环光功率最佳选择在不同焊接参数条件下发生变化。
实施例四：本实施例与实施例一不同的是：步骤二②所述的单侧激光加工头输入总功率为5000W；所述的点光功率与环光功率的比为4:1，点光功率为4000W，环光功率为1000W，步骤二②所述的焊接速度为4m/min。其它与实施例一相同。
图6为实施例四制备的T型接头焊接件的焊缝截面实物图。在4m/min焊接速度、点光功率为4000W条件下，当采用1000W环光功率进行点环激光焊接，焊接过程中飞溅现象得到有效抑制，获得了与实施例一相近的优良表面质量焊缝；试验表明在同等焊缝质量要求下，通过合理点环功率配比可在更高焊接速度下完成焊接过程，提高生产效率。
对比实验一：本对比实验与实施例一不同的是：步骤一中利用光纤将两台激光器发出的第1点光激光束和第2点光激光束传输到激光器上的加工头；步骤二②所述的单侧激光加工头输入总功率为3000W。其它与实施例一相同。
图7为对比实验一T型接头点光激光双侧同步焊接过程中熔池匙孔流动情况图。3000W激光功率及1m/min是5083铝合金常用的焊接参数，常规激光焊接过程中的飞溅难以避免，金属蒸气对熔池冲击使熔池开始运动并加速，加速度过高时焊接飞溅产生，焊缝表面成形质量下降。
图8为对比实验一制备的T型接头焊接件的焊缝截面实物图；在3000W点光功率下，常规激光焊接中熔融液滴受到金属蒸汽羽辉等反冲压力具有动量，当动量超过熔池表面张力时，液滴飞出形成飞溅，焊缝出现较多飞溅、咬边缺陷，焊缝表面质量较低。
对比实验二：本对比实验与实施例一不同的是：步骤二②所述的单侧激光加工头输入总功率为3250W；步骤二①所述的点光功率与环光功率的比为12:1，点光功率3000W，环光功率250W。其它与实施例一相同。
对比实验二环形光功率过低时，环光不足以抑制焊接过程中的飞溅，焊缝出现咬边缺陷，表明焊接过程中母材质量损失较多，反映出焊接飞溅现象剧烈。
对比实验三：本对比实验与实施例一不同的是：步骤一中利用光纤将两台激光器发出的第1点光激光束和第2点光激光束传输到激光器上的加工头；步骤二②所述的单侧激光加工头输入总功率为3000W；步骤二②所得的焊接速度为4m/min。其它与实施例一相同。
常规高速激光焊接下，匙孔深度减小，稳定性降低，焊缝表面均匀性较差，出现凸起、飞溅等焊接缺陷，焊缝表面成型质量不理想。
对比实验四：本对比实验与实施例一不同的是：步骤一中利用光纤将两台激光器发出的第1点光激光束和第2点光激光束传输到激光器上的加工头；步骤二②所述的单侧激光加工头输入总功率为4000W；步骤二②焊接速度为4m/min。其它与实施例一相同。
在4m/min焊接速度下，将激光功率提高至4000W，增加匙孔深度，保证了焊缝熔深达到要求；但常规激光焊接过程中液态金属受金属蒸汽反冲力冲出熔池，出现较多的焊接飞溅。

Claims (6)

1.一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、安装定位：
将桁条立板加工成由上部直板与底部四棱柱构成的一体结构板，然后将桁条立板立于蒙皮平板之上，桁条立板底部四棱柱与蒙皮平板相接，得到待焊T型接头；
二、点环双光束焊接：
①、将两台激光器发出的第1点环复合光束和第2点环复合光束分别传输到两个激光器的加工头上，然后将激光加工头镜像设置于待焊T型接头的桁条立板两侧；
所述的点环复合光束由内部点光及外部环光组成；所述的点环复合光束通过二合一光纤输出；所述的二合一光纤由内部纤芯及外部环芯组成，内部纤芯直径为100μm，外部环芯直径为400μm，外部环芯宽度为100μm；
②、在单侧激光加工头输入总功率为3750W～5000W及焊接速度为1m/min～4m/min的条件下进行点环激光双侧同步焊接，即完成T型接头点环激光双侧同步焊接方法；
所述的单侧激光加工头输入总功率为点光功率与环光功率的总和，且点光功率与环光功率的比为4:1。
2.根据权利要求1所述的一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，其特征在于步骤一中确定桁条立板和蒙皮平板的板厚并确定焊脚尺寸K/H，所述的焊脚尺寸K/H为1～2.5。
3.根据权利要求2所述的一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，其特征在于步骤一中所述的底部四棱柱的横截面为等腰梯形，上部直板的厚度D1等于等腰梯形的上底长；所述的焊脚尺寸K等于等腰梯形的上底长和下底长之差的一半，所述的焊脚尺寸H等于等腰梯形的高。
4.根据权利要求3所述的一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，其特征在于步骤一中所述的蒙皮平板的厚度为1mm～4.5mm；所述的D1为1mm～4.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，其特征在于步骤一中所述的桁条立板及蒙皮平板的材质为铝合金、碳钢、不锈钢或钛合金。
6.根据权利要求1所述的一种T型接头点环激光双侧同步焊接方法，其特征在于步骤二①中所述的激光器为固体激光器。
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