CN115121953A

CN115121953A - 一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法与系统

Info

Publication number: CN115121953A
Application number: CN202210896334.6A
Authority: CN
Inventors: 段维; 张明军; 邹江林
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2022-09-30

Abstract

本发明提供了一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法与系统；包括以下步骤：坡口形状设计及焊前处理；提供激光焊接系统；提供交变磁场系统；提供焊缝轮廓检测系统；采用环形光斑光纤激光束完成激光自熔打底焊；开启焊缝轮廓检测系统、交变磁场系统和激光焊接系统进行填粉填充焊；本发明采用环形光斑光纤激光填粉焊接，改善了传统窄间隙激光填粉焊接中粉末元素蒸发烧损严重、层间和侧壁熔合不佳的问题；同时采用交变磁场和焊缝轮廓实时检测方法对焊接过程进行辅助，避免了金属粉末剧烈蒸发，提高了金属粉末材料利用率，获得成形饱满焊道，有效解决了焊缝塌陷问题。

Description

一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法与系统

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法与系统。

背景技术

随着我国工业综合实力的上升，在兵器、船舶、航空等领域对材料的要求进一步提高，且装备结构呈现厚壁化。厚板因具有良好的耐腐蚀性，较高的比强度等优点，使用厚板的焊接结构日益广泛。窄间隙焊接的特点是采用坡口间隙小于传统焊接，是一种高效节能的焊接技术。与母材相比，窄间隙接头机械性能优异，这是因为窄间隙焊接热输入小，在厚板焊接过程中冷却速率快，促进了晶粒细化并增强了焊缝强韧性，焊接热影响区窄。

根据工艺的不同，目前窄间隙焊可使用MIG、TIG、手工电弧焊和激光焊等焊接工艺。其中MIG和TIG焊接时对阴极处理要求较高，且容易出现气孔、变形和热损伤等缺陷。而手工电弧焊容易出现咬边、未熔合和热影响区大等缺陷。窄间隙纯激光焊对装配要求高。无法通过调节焊缝成分改善接头性能，且单道可焊厚度有限。窄间隙激光填丝焊由于激光过于集中容易造成坡口侧壁能量不足，引起未熔合缺陷，且焊丝与母材中的Al、Mg等元素容易在焊接过程中形成氢气孔。窄间隙激光-电弧复合焊由于引入电弧容易造成热输入过大，引起变形。相比于传统窄间隙激光填丝焊，窄间隙激光填粉焊拥有许多优势，例如对粉末对激光能量的吸收率更高、粉末成分容易调节、能有效减少热裂纹与表面凹陷等。其次，传统激光束细，粉末利用率不高；粉末直接在高能量密度激光束的辐照下蒸发烧损严重，由此我们提出环形光斑激光填粉焊，提高粉末利用率和减少烧损。

随着大功率高质量光纤激光器的发展，近年来成功研发了可调节环形光斑光纤激光器。研究发现，改变聚焦激光光斑在工件上的强度分布，使之明显区别于传统的单峰高斯分布，即可实现高速且无飞溅的金属加工。

发明内容

为了解决上述案中的不足，本发明旨在提供方一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法与系统，以解决窄间隙激光填粉焊接中出现的粉末利用率不高，粉末元素蒸发烧损严重以及熔池稳定性差等的问题。

本发明提供一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法与系统，包括如下步骤：

步骤1：对待焊厚板的对接面进行打磨清洗，去除表面氧化膜、污点等，在待焊处加工出带钝边U型坡口，然后将厚板用夹具夹紧；

步骤2：提供激光焊接系统，激光焊接系统包括环形光斑光纤激光器、传输光纤、激光焊接头、送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴、常规送粉喷嘴；

步骤3：提供交变磁场系统，包括电磁线圈、电源、电缆；

步骤4：提供焊缝轮廓检测系统，焊缝轮廓检测系统包括CMOS工业相机、滤光片、工控机；

步骤5：开启激光焊接系统，打开环形光斑光纤激光器，激光焊接头输出聚焦环形光斑激光束，进行激光自熔打底焊，完成打底焊接；

步骤6：开启交变磁场系统，打开电源对电磁线圈进行通电，产生一个在固定频率下变换磁场方向的交变磁场；

步骤7：打开环形光斑光纤激光器，激光焊接头输出聚焦环形光斑激光束，打开电磁场系统，开启送粉系统，静电送粉喷嘴向焊接区吹送金属粉末，实施激光填粉焊接；

步骤8：开启焊缝轮廓检测系统，对焊缝轮廓进行实时扫描，将数据导入工控机，由工控机根据焊缝塌陷量对常规送粉喷嘴的送粉量进行实时控制；

步骤9：完成一道焊接后，关闭激光焊接系统，关闭送粉系统，关闭交变磁场系统，关闭焊缝轮廓检测系统，激光焊接头回位到焊接起始点；

步骤10：重复上述步骤7-9，进行多层焊，直到焊接完成。

进一步地，步骤1中，厚板的材料可以为碳钢、不锈钢、铝合金和镁合金。

进一步地，材料厚度为20-50mm。

进一步地，加工出的U型坡口底边宽度为3-5mm，钝边为8-10mm。

进一步地，步骤2中，静电送粉喷嘴和常规送粉喷嘴与激光焊接头固连。静电送粉喷嘴位于激光焊接头前方，静电送粉喷嘴末端与水平面夹角β＝30-60°，静电送粉喷嘴末端与待焊工件表面的距离h1＝1.5-5mm。

进一步地，步骤2中，常规送粉嘴位于激光焊接头后方，常规送粉嘴末端与水平面夹角γ＝45-75°，常规送粉嘴末端与待焊工件表面的距离h2＝2-5mm。

进一步地，步骤6中，电磁线圈的磁感应强度为30-90mT，磁场频率为1- 20Hz。

本发明还提供一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接系统，包括激光焊接系统，交变磁场系统，焊缝轮廓检测系统，焊接夹具和工控机。所述激光焊接系统包括环形光斑光纤激光器、传输光纤、激光焊接头、送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴、常规送粉喷嘴。所述焊缝轮廓检测系统包括CMOS工业相机、滤光片、工控机。所述交变磁场系统包括电磁线圈、电源、电缆。待焊厚板用焊接夹具固定。工控机负责对CMOS工业相机所拍摄的实时焊缝轮廓表面图像进行分析，通过信号反馈控制常规送粉喷嘴的送粉，实现对焊缝的实时修补。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用环形光斑光纤激光填粉焊接，在焊接过程中，低能量密度环光束前部熔化金属粉末，环光束中部熔化侧壁，环光束后部对熔池进行稳定和保温，而高能量密度中心光束深熔焊接保证多道焊缝层间有效熔合，大大改善了传统窄间隙激光填粉焊接中出现的粉末元素蒸发烧损严重、层间和侧壁熔合不佳的问题，此外焊接过程稳定性好。

(2)采用静电送粉喷嘴，使得填充的金属粉末带电，带电金属粉末从送粉管喷出时，在交变磁场的作用下，受到洛伦兹力的影响，金属粉末呈环形分布，最终金属粉末填充在低能量密度的环光束作用区域，从而避免了金属粉末与高能量密度的中心光束相互作用导致剧烈蒸发，提高了金属粉末材料利用率。

(3)通过焊缝轮廓实时检测系统实时检测焊缝塌陷量，并实时调整常规送粉嘴的送粉量进行补偿，获得成形饱满焊道，有效解决了焊缝塌陷问题。

附图说明

图1为厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊的总体结构示意图。

图2为环形光斑光纤激光填粉焊磁场方向向上时粉末运动示意图。

图3为环形光斑光纤激光填粉焊磁场方向向下时粉末运动示意图。

图4为环形光斑光纤激光填粉焊纵向示意图。

图5为环形光斑光纤激光填粉焊横向示意图。

图中，1-激光头，2-电磁线圈，3-环形光斑光纤激光束，4-母材，5-常规送粉喷嘴，6-静电送粉喷嘴，7-焊缝，8-合金粉末，9-CMOS工业相机，10-工控机,11- 电源，12-坡口，13-环光束，14-中心光束。

具体实施方式

以下将结合附图以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法，包括如下步骤：

步骤1：对待焊厚板的对接面进行打磨清洗，去除表面氧化膜、污点等，其中厚板的厚度为20-50mm。然后在待焊处加工出U型坡口，底边宽度为3-5mm，钝边为8-10mm，然后将厚板用夹具夹紧；

步骤2：提供激光焊接系统，激光填粉焊接系统包括环形光斑光纤激光器、传输光纤、激光焊接头、送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴、常规送粉喷嘴；

步骤3：提供交变磁场系统，交变磁场系统包括电磁线圈、电源、电缆。静电送粉喷嘴和常规送粉喷嘴与激光焊接头固连。静电送粉喷嘴位于激光焊接头前方，静电送粉喷嘴末端与水平面夹角β＝30-60°，静电送粉喷嘴末端与待焊工件表面的距离h1＝1.5-5mm。常规送粉喷嘴位于激光焊接头后方，常规送粉喷嘴末端与水平面夹角γ＝45-75°，常规送粉喷嘴末端与待焊工件表面的距离h2＝2-5mm；

步骤4：提供焊缝轮廓检测系统，焊缝轮廓检测系统包括CMOS工业相机、滤光片、工控机。CMOS工业相机能实现塌陷量的检测；

步骤5：开启激光焊接系统，打开环形光斑光纤激光器，进行激光自熔打底焊，完成打底焊接；

步骤6：打开环形光斑光纤激光器和交变磁场系统，打开送粉器，静电送粉喷嘴和常规送粉喷嘴分别向焊接区吹送填充粉末，并开启焊缝轮廓检测系统，通过CMOS工业相机对焊缝轮廓进行实时扫描，将数据导入工控机，由工控机根据焊缝塌陷量对常规送粉喷嘴的送粉量进行实时控制。焊完一道后，关闭激光焊接系统、焊缝轮廓检测系统、交变磁场系统，激光焊接头回位到焊接起始点。重复上述步骤，进行多道焊，直到焊接完成。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims

1.一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：进行焊前处理，首先对待焊厚板的对接面进行打磨清洗，去除表面氧化膜、污点等，其次，在待焊处加工出带钝边U型坡口，然后将厚板用夹具夹紧；

步骤3：提供交变磁场系统，包括电磁线圈、电源、电缆；

步骤10：重复上述步骤7-9，进行多层焊，直到焊接完成。

2.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法，步骤1中，厚板的材料可以为碳钢、不锈钢、铝合金和镁合金。

3.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法，步骤1中，材料厚度为20-50mm。

4.根据权利要求1所述的一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法，步骤1中，加工出的U型坡口底边宽度为3-5mm，钝边为8-10mm。

5.根据权利要求2所述的一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法，步骤2中，静电送粉喷嘴和常规送粉喷嘴与激光焊接头固连。静电送粉喷嘴位于激光焊接头前方，静电送粉喷嘴末端与水平面夹角β＝30-60°，静电送粉喷嘴末端与待焊工件表面的距离h1＝1.5-5mm。

6.根据权利要求2所述的一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法，步骤2中，常规送粉嘴位于激光焊接头后方，常规送粉嘴末端与水平面夹角γ＝45-75°，常规送粉嘴末端与待焊工件表面的距离h2＝2-5mm。

7.根据权利要求2所述的一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法，步骤6中，电磁线圈的磁感应强度为30-90mT，磁场频率为1-20Hz。

8.一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接系统，其特征在于，包括激光焊接系统，交变磁场系统，焊缝轮廓检测系统，焊接夹具和工控机；所述激光焊接系统包括环形光斑光纤激光器、传输光纤、激光焊接头、送粉器、送粉管、静电送粉喷嘴、常规送粉喷嘴；所述焊缝轮廓检测系统包括CMOS工业相机、滤光片、工控机；所述交变磁场系统包括电磁线圈、电源、电缆；待焊厚板用焊接夹具固定；工控机负责对CMOS工业相机所拍摄的实时焊缝轮廓表面图像进行分析，通过信号反馈控制常规送粉喷嘴的送粉，实现对焊缝的实时修补。