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CN111001934A - 一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统 - Google Patents

一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统 Download PDF

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CN111001934A CN201911387388.4A CN201911387388A CN111001934A CN 111001934 A CN111001934 A CN 111001934A CN 201911387388 A CN201911387388 A CN 201911387388A CN 111001934 A CN111001934 A CN 111001934A
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welded
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吴乐峰
李河清
曹太山
张明军
仝永刚
吴杰
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Abstract

本发明涉及一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统，其特征在于：步骤1：提供第一母材和第二母材，采用专用夹具将母材上下垂直叠接并留有间隙，获得待焊接试件；步骤2：提供负压装置，负压装置包括抽气泵，压力调节阀，吸附组件；步骤3：将负压装置吸附组件与待焊接试件连通，开启激光发生器，激光束垂直辐照待焊接试件上表面，开启保护气体吹气装置，开启负压装置；步骤4：激光束沿欲焊接路线移动直到焊接完成，关闭其他相应的装置，完成焊接过程。在本发明中，焊接间隙的存在使得小孔前沿熔融金属向间隙流动，小孔前沿稳定性提高。同时，负压装置的存在可以有效抑制相关气孔形成与提高熔池及匙孔的稳定性，进一步提升了焊接接口的力学性能。

Description

一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统
技术领域
本发明涉及一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统。
背景技术
激光焊接是把能量密度很高的激光束照射到两部分材料上，使局部受热熔化，然后冷却凝固连成一体。激光焊接与传统焊接方法相比具有能量密度高，焊接变形小，焊缝质量高等突出优点，同时可以进行精确、高效的焊接，目前已经广泛应用于船舶制造、海上平台、航空航天、工程机械、电力电子、汽车等行业。
通常根据导热机制的不同，激光焊接分为激光热传导焊接和激光深熔焊接两种模式。激光深熔焊接模式下，高能量密度激光作用于材料表面，形成局部蒸发，在蒸发压力作用下熔池表面下陷形成小孔，激光束通过“小孔” 深入到熔池内部，同时，小孔内部的蒸发金属蒸汽继续在高能量密度的激光作用下发生电离，而在小孔内部和上部形成一团光致等离子体。对比热传导焊接和深熔焊接两种焊接模式可以发现，两者的本质区别为是否形成小孔和等离子体。可以说，“小孔”效应是激光深熔焊接的本质特征。由于激光深熔焊接中小孔是动态振荡存在的，小孔的坍塌将直接导致气孔，因此激光深熔焊接熔池凝固形成的焊缝往往存在气孔缺陷。激光深熔焊接模式由于具有焊缝深宽比大、焊接效率高等突出优点，是激光焊接的常见应用模式。
发明内容
本发明的目的是针对激光焊接过程中易形成气孔缺陷的问题，提出一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统。
本发明提供了一种抑制激光焊接气孔的焊接方法，其具体步骤如下：
步骤1：提供第一母材第二母材。
步骤2：采用专用焊接夹具将第一母材与第二母材上下垂直叠接，获得待焊接试件。
步骤3：提供负压装置，负压装置包括抽气泵，压力调节阀，吸附组件组成，吸附组件具有上吸附片和下吸附片。
步骤4：将吸附组件中上吸附片和下吸附片分别与待焊接试件的上表面和下表面贴紧，实现吸附组件与待焊接试件连通。
步骤5：开启负压装置，调节负压值。
步骤6：开启激光发生器，激光束垂直辐照待焊接试件上表面。
步骤7：打开保护气体吹气装置，保护气体吹向焊接区域。
步骤8：激光束沿焊接轨迹移动，实施激光焊接。
步骤9：激光束移动到焊接末端点，关闭激光发生器，关闭负压装置，完成激光焊接过程。
进一步地，在步骤1中，第一母材和第二母材可以是同质材料或异质材料。
进一步地，第一母材和第二母材的厚度比为1:1~5:1。
进一步地，在步骤2中，第一母材与第二母材上下垂直叠接之间设置间隙调整块。
进一步地，改变间隙调整块的厚度可以获得不同的叠接间隙。
进一步地，在步骤2中，进一步地，叠接间隙δ为0.2~3 mm。
进一步地，在步骤5中，负压装置中可以通过压力调节阀调节负压值。
进一步地，负压值的调节范围为5 kPa~40 kPa。
进一步地，在步骤6中，激光束聚焦光斑大小为0.4~1 mm，激光束能量密度大于106W/cm2。
本发明还提供一种抑制激光焊接气孔的焊接系统，由激光发生器、传输光纤、激光焊接头、负压装置、专用焊接夹具、焊接机械手、保护气体吹气装置组成，负压装置具有抽气泵、压力调节阀、吸附组件，吸附组件具有上吸附片和下吸附片，将吸附组件中上吸附片和下吸附片分别与待焊接试件的上表面和下表面贴紧，实现吸附组件与待焊接试件连通，激光焊接头固定连接在焊接机械手末端的连接法兰上，专用焊接夹具具有间隙调整块。
本发明的有益效果是：
在本发明中，通过将负压装置与待焊试件连通，实现叠接接头板件间隙处存在负压环境，一方面，小孔前沿熔融金属可以向叠接间隙处流动，大大减小了小孔前沿壁厚度，小孔前沿更加光滑，局部蒸发大大减少，另一方面，小孔内金属蒸汽可以向叠接间隙处逸出，极大改善了小孔内压力平衡状态，小孔稳定性更好，可以有效抑制激光焊接过程中气孔缺陷，提高了焊缝的力学性能。
附图说明
图1是本发明所述一种抑制激光焊接气孔的方法示意图；
图2是本发明所述的待焊接试件；
图3是本发明所述的激光焊接过程示意图；
图4是常规的激光焊接过程示意图；
其中：1、第一母材，2、叠接间隙，3、第二母材，4、间隙调整块，5、专用焊接夹具，6、抽气泵，7、压力调节阀，8、上吸附片，9、下吸附片，10、激光发生器，11、传输光纤，12、激光焊接头，13、激光束，14、保护气体吹气装置，15、焊接机械手，16、焊接小孔，17、焊接熔池，18已凝固的焊缝，19、与负压环境相连通的“气泡”，20、常规激光焊接下的气泡。
具体实施方式
以下将结合着附图1-4对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1-4所示，本发明实施例中，一种抑制激光焊接气孔的方法与系统包含如下步骤。
步骤1：本实施方式中，提供厚度在0.5mm~5mm的不锈钢母材作为焊接工件，并且第一母材(1)和第二母材(3)的厚度比例约为3:1。
步骤2：如图2所示，第一母材（1）和第二母材（3）垂直叠接，并将间隙调整块（4）放置在欲焊接路线两侧，并适当的靠近欲焊接路线，使用专用焊接夹具（5）将第一母材（1）和第二母材（3）以及间隙调整块（4）定位夹紧。使用不同的间隙调整块可以获得不同的间隙，间隙δ可为0.5~3 mm。
步骤3：本实施方式中，提供的负压装置由抽气泵（6），压力调节阀（7），吸附组件组成，吸附组件具有上吸附片（8）和下吸附片（9）。吸附组件使用橡胶材质，因为橡胶有较好的气密性。将第一母材（1）和第二母材（3）上下表面污渍、锈迹清除并烘干，使其能够良好的与吸附组件吸附。
步骤4：将吸附组件中上吸附片（8）和下吸附片（9）分别与待焊接试件的上表面和下表面贴紧，实现吸附组件与待焊接试件连通。
步骤5：开启负压装置，运行抽气泵（6），调节压力调节阀(7)使得负压值约等于25kpa，形成焊接负压环境。
步骤6：本实施方式中，激光束聚焦光斑大小为0.4~1 mm，能量密度大于106 W/cm2，实现小孔模式激光焊接。开启激光发生器（10），激光束（13）通过激光焊接头（12）垂直辐照待焊接试件上表面。
步骤7：打开保护气体吹气装置（14），保护气体吹向焊接区域。
步骤8：焊接机械手（15）控制激光焊接头（12），使得激光束（13）沿焊接轨迹移动，实施激光焊接。
步骤9：激光束移动到焊接末端点，关闭激光发生器（10），关闭负压装置，完成激光焊接过程。
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 (7)

1.一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统，其特征在于：
步骤1：提供第一母材（1）第二母材（3）；
步骤2：采用专用焊接夹具将第一母材（1）与第二母材（3）上下垂直叠接，获得待焊接试件；
步骤3：提供负压装置，负压装置包括抽气泵（6），压力调节阀（7），吸附组件组成，吸附组件具有上吸附片（8）和下吸附片（9）；
步骤4：将吸附组件中上吸附片（8）和下吸附片（9）分别与待焊接试件的上表面和下表面贴紧，实现吸附组件与待焊接试件连通；
步骤5：开启负压装置，调节负压值；
步骤6：开启激光发生器（10），激光束（13）垂直辐照待焊接试件上表面；
步骤7：打开保护气体吹气装置（14），保护气体吹向焊接区域；
步骤8：激光束（13）沿焊接轨迹移动，实施激光焊接；
步骤9：激光束（13）移动到焊接末端点，关闭激光发生器（10），关闭负压装置，完成激光焊接过程。
2.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统，其特征在于：在步骤1中，第一母材（1）和第二母材（3）可以是同质材料或异质材料，进一步地，第一母材（1）和第二母材（3）的厚度比为1:1~5:1。
3.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统，其特征在于：在步骤2中，第一母材（1）与第二母材（3）上下垂直叠接，叠接间隙δ为0.5~3 mm。
4.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统，其特征在于：步骤5中，负压值的调节范围为5 kPa~40 kPa。
5.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统，其特征在于：本发明还提供一种抑制激光焊接气孔的焊接系统，由激光发生器（10）、传输光纤（11）、激光焊接头（12）、负压装置、专用焊接夹具（5）、焊接机械手（15）、保护气体吹气装置（14）组成，负压装置具有抽气泵（6）、压力调节阀（7）、吸附组件。
6.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统，其特征在于：步骤2中，第一母材（1）和第二母材（3）垂直叠接之间设置间隙调整块（4），改变间隙调整块（4）的厚度可以获得不同的叠接间隙（2）。
7.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接气孔的焊接方法与系统，其特征在于：步骤3中，吸附组件具有上吸附片（8）和下吸附片（9）；步骤4中，将吸附组件中上吸附片（8）和下吸附片（9）分别与待焊接试件的上表面和下表面贴紧，实现吸附组件与待焊接试件连通。
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