CN115106655A - 一种用于中厚板的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中厚板的激光焊接方法。通过在激光焊接时将激光束沿平行与板厚方向高速循环移动，从而保证激光束在板厚方向热输入的均匀一致；从而减小深熔焊时激光小孔内部深度方向蒸汽羽不均匀导致气压不稳定引起的小孔波动，提高小孔稳定性，进而减少气孔、驼峰以及钉子头焊缝等缺陷的产生，提高焊接质量，并可以增强小孔内金属对激光束的吸收，增加熔深。

Description

一种用于中厚板的激光焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种用于中厚板的激光焊接方法，可以抑制焊接缺陷及增大焊接熔深。

背景技术

目前，我国在核电装备、海洋工程、舰船制造、石油化工、航空航天等工业领域中对性能较高、厚度较大的结构的需求越来越大，因而对厚板焊接技术的要求也变得越来越高。使用传统的弧焊或者气体保护焊焊接厚板时，有许多局限诸如低的生产效率、较高的生产成本、大的焊后变形等。与传统焊接方法相比，高能量密度的激光焊具有整体的热输入量小、焊接速度快，焊缝的深宽比较大、焊接的精度高等特点，可以提升企业的生产效率、降低成本并提高加工产品的质量，因而高功率的激光焊接方法在厚板的焊接过程中得到越来越多的推广应用。

但激光焊接技术与传统弧焊方法相比，其聚焦光斑小，能量密度高，工艺过程更为复杂，尤其是激光深熔焊涉及到激光小孔的形成和演化，而小孔与熔池的稳定性直接影响激光焊的焊缝质量。虽然由于激光器的研究发展很快，大功率激光器不断面世，但由于中厚板焊接需要极高的激光功率，其焊接过程中存在飞溅、气孔、下塌、驼峰、未熔透等缺陷。而中厚焊接缺陷的产生主要是由于深熔焊时激光小孔的不稳定导致，而小孔不稳定其中一个关键原因就是目前的激光束光束质量仍然较低，发散角较大，焦深小，激光束在板厚方向上的能量输出差异太大，而导致小孔在板厚方向所受蒸汽反冲压力较大不稳定而导致小孔坍塌，形成气孔、驼峰及飞溅等缺陷。而提高光束质量，提升激光熔深穿透效率是其中一个解决方法，但受限于激光元器件影响，成本高，质量不稳定；还有文献采用添加额外的保护气体以吹散激光束形成的等离子体及蒸汽羽烟来提升小孔稳定性和穿透深度；另外还有采用电磁场辅助方法来调控熔池受力状态，改善焊缝质量；还有包括采用激光电弧复合焊的方法来提高熔深及焊缝成型质量。以上方法在实施过程中都较为复杂，且需要增加外部设备辅助，成本较高，且焊接稳定性较差。

因此，本领域的急需一种针对中厚板的低成本、高焊接质量的激光焊接方法，以抑制焊接过程中飞溅、气孔、驼峰、未熔透等缺陷，改善焊缝成型质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决中厚板激光深熔焊时小孔不稳定导致的焊接气孔、驼峰及飞溅等缺陷产生，提升焊接质量的方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于中厚板的激光焊接方法，所述方法包含以下步骤：

1)提供一对用于焊接的第一金属工件和第二金属工件，以及用于激光焊接的激光束；

所述第一金属工件和第二金属工件分别具有第一焊接表面和第二焊接表面；将所述第一金属工件与第二金属工件对接形成待焊组合件以及对接线；

2)发射激光束沿所述组合件对接线方向行进，以熔化所述第一金属工件和第二金属工件对接位置，经冷却凝固后形成焊缝；

其中所述激光束辐照所述工件对接组合顶表面，并在其内部形成深熔小孔以及包围其的熔融金属，所述激光束在行进过程中同时辐照所述小孔并在其深度方向做高速周期性运动，同时以确保深熔小孔深度不超过金属组合件的底表面；

在一优选例中，所述小孔周围熔融金属经历了多个温度上升及下降的热循环过程；

在一优选例中，所述激光束聚焦焦点在焊接过程中在金属工件组合顶表面的上下往复运动，运动范围不超过板厚的200％；

在一优选例中，所述激光束在板厚方向做周期性运动时其激光功率水平是同时做变化，变化规律为激光束焦点降低时功率水平变小，而激光束焦点升高时功率水平变大；

在一优选例中，所述金属工件的厚度不小于5mm；

在一优选例中，所述第一金属工件与第二金属工件具有对接间隙B，B为0-2mm，优选地0.1-1.0mm；

在一优选例中，所述激光束在板厚方向周期性运动具有运动振幅和频率，振幅为板厚的20％-120％，频率为10HZ以上；

在一优选例中，所述激光束在小孔深度方向的运动速度不小于10m/min；

在一优选例中，所述激光束在行进过程中还可以包括具有垂直于板厚方向所在平面的摆动路径；

在一优选例中，所述激光束摆动路径为圆形、折线、月牙、正余弦、八字形等形状。

技术效果：本发明通过在激光焊接时将激光束沿平行与板厚方向高速循环运动，从而保证激光束在板厚方向热输入的均匀一致；从而减小深熔焊时激光小孔内部深度方向蒸汽羽不均匀导致气压不稳定引起的小孔波动，提高小孔稳定性，进而减少气孔、驼峰以及钉子头焊缝等缺陷的产生，提高焊接质量，并可以增强小孔内金属对激光束的吸收，增加熔深。

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做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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可替代的实施方式。

图1为本发明方法所涉及焊接堆叠时的流程示意图。

图2为激光束与工件相互位置示意图。

图3为激光束辐照金属工件后形成小孔及周围熔池沿焊缝方向的示意图。

图4为激光束辐照金属工件后形成小孔及周围熔池垂直焊缝方向的示意图。

图5为本发明中涉及到的激光束聚焦光斑与工件的相互位置示意图。

图6为本发明中涉及到的焊接时激光束振荡时聚焦光斑与工件的相互位置变化示意图。

图7为本发明中涉及到的激光束在焊缝方向摆动时的一种示意图。

图8为本发明中涉及到的激光束在焊缝方向摆动时的另一种示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

参考图1，首先将中厚板金属工件1和2进行对接形成对接组合件及对接中心线121，对接间隙为B，一般地B为0-2.0mm，优选地为0.1-1.0mm；其中金属工件1和2的厚度为t，t一般为不小于5mm，而优选地为不低于10mm，且分别具有顶表面11,21以及底表面12,22。提供一激光束3沿中心线121以焊接速度V行进，焊接速度V一般地为0.3-3.0m/min，优选地为0.5-2.0m/min，将金属工件1、2对接位置加热并熔化凝固形成焊缝。如图2所示为激光束作用时与工件在厚度方向上的相对位置关系示意图，激光束光斑直径为d，光束发散角为α，瑞丽长度为b,激光束瑞丽长度较短，所以导致在板厚t方向上每个高度的功率密度差异很大，容易造成激光小孔不稳定坍塌；如图3所示为激光束作用时沿焊缝方向截面的小孔及熔池特征示意图，图4所示为垂直焊缝平面内熔池小孔特征。激光束3作用时形成小孔4以及围绕小孔4的液态熔池5，小孔具有前沿壁41以及后沿壁42；激光束具有焦点31，焊接时焦点31与顶表面的距离为h，当h为正时为正离焦，即焦点位于顶表面21上端；h为负时为负离焦，即焦点位于顶表面21的下面，如图5所示；在本发明中激光束在沿焊接方向行进的过程中激光焦点的位置是不断围绕点O做高速振荡的,如图6所示；点O距离工件顶表面的距离h可以为正或负或零，更为理想情况下为负值即位于顶表面21一下，其值为0.1t-0.8t,优选为0.2t-0.6t；振荡振幅为h1，一般地h1不超过2t，优选地为0.2t-1.2t，更窄地为0.6t-1.1t。激光束3在小孔内的持续振荡频率为f，一般地f为10HZ以上，优选地为50HZ以上。通过激光束在小孔内的高频次振荡可扩大小孔4的尺寸，有利于内部高压蒸汽排出，减少飞溅；同时能维持小孔的持续张开，熔池5的温度保持，减少其冷却速度，从而也有利于内部气孔的逸出，减少焊接缺陷。在激光焊接过程中，形成的小孔深度为t1，如图3、4所示，在焊接过程中小孔深度t1始终是不超过板厚t的,即小孔不完全穿透下表面22,但使深度t1尽量接近t，此可以有效地避免背部驼峰缺陷的产生，一般通过激光功率、焊接速度等工艺参数来控制。

在焊接过程中，激光功率P可以是恒定的或是变化的，功率范围为p不小于2000W；而激光功率变化的范围及频率是与焦点变化相配合适应的；即功率的变化频率与焦点位置的变化频率是一样的，而当激光束焦点振荡为线性变化时，功率变化也为线性变化，而激光束高频振荡的速度不小于10m/min，优选地为20m/min以上。同时变化规律为激光束焦点降低时功率水平变小，而激光束焦点升高时功率水平变大。经激光束在小孔深度内的高频振荡，小孔周围的熔池5会经历多个过程温度上升、下降的热循环过程。

值得注意的是，激光束在行进过程中还可以包括具有垂直于板厚方向所在平面围绕中心线112的摆动路径。如图7所示为折线形摆动，图8所示为圆弧形摆动，也可以是例如月牙、正余弦、八字形等直线或曲线相互构成的周期性形状；摆动幅度为B1，一般地B1为大于1.0mm，优选地为1.0mm-4.0mm；而且激光束在该方向上的摆动频率可以与其在高度方向上的振荡频率f相同或不同，该频率为50HZ以上，优选地为100HZ以上。

本发明所述激光束的焦点处光斑可以是圆形或矩形，其中激光束在光斑区域范围内具有均匀的光强分布，是平顶型能量或是高斯分布。而其发射的激光器可以对应于多种类型，包括但不限于固态激光器、直接二极管激光器、光子晶体激光器、半导体激光器、气体激光器、化学激光器、准分子激光器或自由电子激光器等。激光器可以是连续激光或脉冲激光，一般其峰值功率为2000w以上，特别地为5000w以上。所加工的金属工件可以是包括低碳钢、不锈钢、高强钢、铝合金、铜合金、钛合金等金属材料。

Claims (10)

1.一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

1)提供一对用于焊接的第一金属工件和第二金属工件，以及用于激光焊接的激光束；所述第一金属工件和第二金属工件分别具有第一焊接顶表面和第二焊接顶表面；将所述第一金属工件与第二金属工件对接形成待焊组合件以及对接线；

2)激光束沿所述待焊组合件对接线方向行进，以熔化所述第一金属工件和第二金属工件对接位置，经冷却凝固后形成焊缝；

其中所述激光束辐照所述第一焊接顶表面和第二焊接顶表面的对接线，并在内部形成深熔小孔以及包围小孔的熔融金属，所述激光束在行进过程中同时辐照所述小孔并在其深度方向做周期性运动，且深熔小孔的深度小于所述工件的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述激光束的行进路径为沿所述第一焊接顶表面和第二焊接顶表面的对接线在板厚方向做周期性上下摆动，从而使所述小孔周围的熔融金属经历多个温度上升及下降的热循环过程。

3.根据权利要求2所述的一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述激光束摆动路径为圆形、折线、月牙、正余弦或八字形。

4.根据权利要求2所述的一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述的上下摆动的范围不超过板厚的200％，且最低不超过所述工件的底表面。

5.根据权利要求2所述的一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述激光束在板厚方向做周期性运动时，所述激光束的激光功率，根据激光束焦点距离对接线的距离而变化，即当激光束焦点离对接线由远而近时，则激光功率由大变小，当激光束焦点离对接线由近而远时，则激光功率由小变大。

6.根据权利要求1所述的一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述金属工件的厚度不小于5mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述第一金属工件与第二金属工件具有对接间隙B，B为0-2mm，优选地0.1-1.0mm。

8.根据权利要求1所述的一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述激光束在板厚方向周期性运动具有运动振幅和频率，振幅为板厚的20％-120％，频率为10HZ以上。

9.根据权利要求1所述的一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述激光束在小孔深度方向的运动速度不小于10m/min。

10.根据权利要求1所述的一种用于中厚板的激光焊接方法，其特征在于，所述的激光束焦点与所述所述第一焊接顶表面和/或第二焊接顶表面的距离h＝0.1t-0.8t，t为所述所述工件的厚度。

Images