CN115351420A - 一种激光修饰焊接方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光修饰焊接方法，涉及激光焊接领域，旨在解决现有修饰焊接方法无法消除焊缝更深层的气孔缺陷的技术问题。所述激光修饰焊接方法，包括以下步骤：在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对待焊接金属材料进行第一次激光修饰焊接后，进行清理，获得初始焊缝I；所述第一次激光修饰焊接时，所述激光焊接头未开启二维振镜扫描功能；基于所述初始焊缝I，获得第二次激光修饰焊接参数；基于所述第二次激光修饰焊接参数，在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对所述所述初始焊缝I进行第二次激光修饰焊接，获得修饰焊缝II；所述第二次激光修饰焊接时，所述激光焊接头开启二维振镜扫描功能。

Description

一种激光修饰焊接方法

技术领域

本申请涉及激光焊接领域，尤其涉及一种激光修饰焊接方法。

背景技术

激光焊具有能量密度高、焊缝深度比大、焊接变形小、效率高、材料适应性广等优势，被广泛应用于航空、航天、核电、轨道交通等领域的金属结构件焊接。随着大功率激光器的发展，大熔深、高速激光焊接在效率、变形和精度控制方面的优势更为凸显。大功率激光深熔焊接主要依赖于金属蒸发反冲力下匙孔的建立，而金属蒸发产生的羽辉和熔池的剧烈振荡，会造成激光焊表面成形不光滑、咬边、下榻、气孔等缺陷，严重影响了焊接质量和结构的安全可靠性。因此，采用修饰焊的方法改善激光焊缝质量具有十分重要的工程意义。

但目前的修饰焊方法大多为热导焊方法，其修饰层深度有限，无法消除焊缝更深层的气孔缺陷。

发明内容

本申请的主要目的是提供一种激光修饰焊接方法，旨在解决现有修饰焊接方法无法消除焊缝更深层的气孔缺陷的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请提出了：一种激光修饰焊接方法，包括以下步骤：

在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对待焊接金属材料进行第一次激光修饰焊接后，进行清理，获得初始焊缝I；所述第一次激光修饰焊接时，所述激光焊接头未开启二维振镜扫描功能；

基于所述初始焊缝I，获得第二次激光修饰焊接参数；

基于所述第二次激光修饰焊接参数，在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对所述所述初始焊缝I进行第二次激光修饰焊接，获得修饰焊缝II；所述第二次激光修饰焊接时，所述激光焊接头开启二维振镜扫描功能。

作为本申请一些可选实施方式，在所述基于所述初始焊缝I，获得第二次激光修饰焊接参数之前，还包括：

对所述初始焊缝I进行外观成形和内部质量检测，对具有咬边或下榻过大的缺陷处，采用于待焊接金属材料相同材质的金属填充片进行填充。

作为本申请一些可选实施方式，所述待焊接金属材料包括：碳钢、不锈钢和铝合金中的至少一种。

作为本申请一些可选实施方式，所述待焊接金属材料的厚度为3～5mm。

作为本申请一些可选实施方式，所述第一次激光修饰焊接的参数包括：不开启二维振镜扫描功能，激光焦距为480mm，焦点光斑直径为0.36mm，激光输出功率为4kW，焊接速度为1.2m/min，保护气采用纯度为99.999％的高纯氩气。

作为本申请一些可选实施方式，所述第二次激光修饰焊接的参数包括：开启二维振镜扫描功能，激光焦距为480mm，焦点光斑直径为0.36mm，扫描路径为直径4mm的圆，扫描频率为50Hz，激光输出功率为4kW，修饰焊焊接速度为1.2m/min。

作为本申请一些可选实施方式，所述惰性气体包括氦气、氩气和氮气中至少一种；所述惰性气体的纯度为≥99％。

作为本申请一些可选实施方式，所述激光器包括光纤激光器、碟片激光器和半导体激光器中至少一种。

作为本申请一些可选实施方式，所述焊接方式包括搭接和插接中至少一种。

作为本申请一些可选实施方式，所述焊接位置包括立焊、横焊和仰焊中至少一种。

现有的修饰焊接方法通常为TIG重熔修饰焊、电子束修饰焊、激光修饰焊等。TIG重熔修饰焊熔深浅、效率低、热输入大，对接头变形和组织性能影响较大；电子束修饰焊需要真空环境、可达性较差、工艺过程相对复杂。现有激光修饰焊主要采用光束离焦增大光斑尺寸、积分镜改变光束能量分布的方法，降低激光的能量密度，使激光焊由深熔焊方式转变为热导焊方式，熔深变小、熔宽变大，减小焊缝表面咬边量和近表层的气孔缺陷，提高焊缝成形质量。但这两种激光修饰方法由于都是热导焊的方法，修饰层深度有限，无法消除焊缝更深层的气孔缺陷。因此，本申请提出了一种激光修饰焊接方法，即在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对待焊接金属材料进行第一次激光修饰焊接后，进行清理，获得初始焊缝I；所述第一次激光修饰焊接时，所述激光焊接头未开启二维振镜扫描功能；基于所述初始焊缝I，获得第二次激光修饰焊接参数；基于所述第二次激光修饰焊接参数，在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对所述所述初始焊缝I进行第二次激光修饰焊接，获得修饰焊缝II；所述第二次激光修饰焊接时，所述激光焊接头开启二维振镜扫描功能。可以看出，本申请在惰性气体保护下，分两次对待焊接金属进行修饰焊接，第一次在进行激光修饰焊接时未开启激光焊接头的二维振镜扫描功能，第二次在进行激光修饰焊接时开启了激光焊接头的二维振镜扫描功能，基于二维振镜扫描的方式改变光束运动轨迹和作用位置进行修饰焊的方法，深度修复表层和内部缺陷，改善焊缝质量；而二维振镜扫描并不会改变光束本身能量分布，从而可以在深熔焊模式下进行修饰焊接，进而相较于现有技术中采用光束离焦和积分镜整形的热传导方式修饰焊接方法，使修饰层更深，最大程度地减少更深层的内部焊接缺陷。

附图说明

图1是本申请实施例所述激光修饰焊接方法的步骤流程示意图；

图2是本申请实施例所述激光修饰焊接方法的原理示意图；

其中，1-准直镜；2-X轴振镜；3-Y轴振镜；4-激光束；5-聚焦镜；6-初始焊缝I；7-修饰焊缝II；8-待焊金属材料。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

激光焊具有能量密度高、焊缝深度比大、焊接变形小、效率高、材料适应性广等优势，被广泛应用于航空、航天、核电、轨道交通等领域的金属结构件焊接。随着大功率激光器的发展，大熔深、高速激光焊接在效率、变形和精度控制方面的优势更为凸显。大功率激光深熔焊接主要依赖于金属蒸发反冲力下匙孔的建立，而金属蒸发产生的羽辉和熔池的剧烈振荡，会造成激光焊表面成形不光滑、咬边、下榻、气孔等缺陷，严重影响了焊接质量和结构的安全可靠性。因此，采用修饰焊的方法改善激光焊缝质量具有十分重要的工程意义。

但目前的修饰焊方法大多为热导焊方法，其修饰层深度有限，无法消除焊缝更深层的气孔缺陷。如现有的修饰焊接方法通常为TIG重熔修饰焊、电子束修饰焊、激光修饰焊等。TIG重熔修饰焊熔深浅、效率低、热输入大，对接头变形和组织性能影响较大；电子束修饰焊需要真空环境、可达性较差、工艺过程相对复杂。现有激光修饰焊主要采用光束离焦增大光斑尺寸、积分镜改变光束能量分布的方法，降低激光的能量密度，使激光焊由深熔焊方式转变为热导焊方式，熔深变小、熔宽变大，减小焊缝表面咬边量和近表层的气孔缺陷，提高焊缝成形质量。但这两种激光修饰方法由于都是热导焊的方法，修饰层深度有限，无法消除焊缝更深层的气孔缺陷。

基于此，本申请的主要目的是提供一种激光修饰焊接方法，旨在解决现有修饰焊接方法无法消除焊缝更深层的气孔缺陷的技术问题。

如图1所示，本申请实施例所提供的一种激光修饰焊接方法，包括以下步骤：

S10、在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对待焊接金属材料进行第一次激光修饰焊接后，进行清理，获得初始焊缝I；所述第一次激光修饰焊接时，所述激光焊接头未开启二维振镜扫描功能。

在具体应用中，为了达到本申请实施例所述技术方案的预期效果，对本申请技术方案进行具体限定，即所述激光器包括光纤激光器、碟片激光器和半导体激光器中至少一种，或其他激光器；所述激光焊接头为带二维振镜扫描功能的激光加工头；所述待焊接金属包括碳钢、不锈钢和铝合金中至少一种金属材料；所述待焊接金属材料的厚度为3～5mm；所述焊接方式包括搭接和插接中至少一种；所述焊接位置包括立焊、横焊和仰焊中至少一种；所述惰性气体包括氦气、氩气和氮气中至少一种；所述惰性气体的纯度为≥99％。

在具体应用中，所述采用激光器和激光焊接头对待焊接金属材料进行第一次激光修饰焊接后，进行清理的方式包括机械打磨、化学清理或激光清洗等表面清理方法进行，主要目的在于清楚初始焊缝I表面的氧化膜和飞溅等缺陷。

在具体应用中，当激光焊接工艺参数选择不当，会使焊接过程变得不稳定，焊接接头容易出现气孔、咬边等缺陷，难以满足航天精密制造领域的实际应用要求。因此本申请所述第一次激光修饰焊接的参数包括：不开启二维振镜扫描功能，激光焦距为480mm，焦点光斑直径为0.36mm，激光输出功率为4kW，焊接速度为1.2m/min，保护气采用纯度为99.999％的高纯氩气。

在具体应用中，为了最大程度地减少更深层的内部焊接缺陷，在所述基于所述初始焊缝I，获得第二次激光修饰焊接参数之前，还包括：

对所述初始焊缝I进行外观成形和内部质量检测，对具有咬边或下榻过大的缺陷处，采用于待焊接金属材料相同材质的金属填充片进行填充。

S20、基于所述初始焊缝I，获得第二次激光修饰焊接参数。

在具体应用中，当激光焊接工艺参数选择不当，会使焊接过程变得不稳定，焊接接头容易出现气孔、咬边等缺陷，难以满足航天精密制造领域的实际应用要求。因此本申请所述第二次激光修饰焊接的参数包括：开启二维振镜扫描功能，激光焦距为480mm，焦点光斑直径为0.36mm，扫描路径为直径4mm的圆，扫描频率为50Hz，激光输出功率为4kW，修饰焊焊接速度为1.2m/min。

在具体应用中，基于所述初始焊缝I的缺陷特征，设置所述第二次激光修饰焊接的参数，如判断所述初始焊缝I是否具有咬边、塌陷或气孔等典型缺陷。

S30、基于所述第二次激光修饰焊接参数，在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对所述所述初始焊缝I进行第二次激光修饰焊接，获得修饰焊缝II；所述第二次激光修饰焊接时，所述激光焊接头开启二维振镜扫描功能。

在具体应用中，为了达到本申请实施例所述技术方案的预期效果，对本申请技术方案进行具体限定，即所述激光器包括光纤激光器、碟片激光器和半导体激光器中至少一种，或其他激光器；所述激光焊接头为带二维振镜扫描功能的激光加工头；所述待焊接金属包括碳钢、不锈钢和铝合金中至少一种金属材料；所述待焊接金属材料的厚度为3～5mm；所述焊接方式包括搭接和插接中至少一种；所述焊接位置包括立焊、横焊和仰焊中至少一种；所述惰性气体包括氦气、氩气和氮气中至少一种；所述惰性气体的纯度为≥99％。

在具体应用中，所述第一次激光修饰焊接和所述第二次激光修饰焊接的区别在于，所述第一次激光修饰焊接未开启振镜扫描功能，而所述第二次激光修饰焊接开启了振镜扫描功能。在本实施例中，所述第一次激光修饰焊接所采用的激光焊接头和所述第二次激光修饰焊接所采用的激光焊接头为同一个激光焊接头完成，不需要更换硬件，相较于现有技术中通过积分镜调控光束能量的方法需要对激光焊枪光路硬件进行更换调整，本申请的工艺流程更为简单。

可以看出，如图2所示，所述激光振镜扫描焊接是一种新型的激光焊接技术，激光束以脉冲或连续模式入射到扫描振镜的两个反射镜上，通过X、Y方向上的电机带动反射镜偏转，实现光束在特定平面内的快速移动，最后经过聚焦透镜聚焦到工件表面形成特定的扫描轨迹。由激光振镜扫描焊接技术的原理可知，当激光束以一定的扫描轨迹摆动时，激光光斑的作用范围相比无扫描激光焊接时扩大，可以提高接头的间隙适应性，降低操作人员焊前装配精度要求，提高生产效率。激光束摆动过程中，热源位置不断变化，从而影响焊接熔池中的温度分布和热流方向，导致熔池中最大散热方向不断变化。由于柱状晶择优生长方向与最大散热方向相反，所以前一时刻择优生长的柱状晶，下一时刻生长就可能受到抑制，从而破坏了激光焊接头柱状晶生长的取向性，提高了组织的均匀性。此外，由于激光束对焊缝的往复摆动，一方面使局部焊缝发生重熔，延长了液态熔池的存在时间，另一方面激光焊匙孔随激光束进行同步摆动，对焊接熔池起到搅拌作用，促进了熔池液态金属对流，二者均有利于消除焊缝中气孔。然而，激光振镜扫描作用轨迹为二维平面，无法对熔池液态金属的凝固结晶过程实现三维有效干预，且在同一时刻激光只能对扫描路径上的局部区域起到振荡作用，对熔池整体的作用效果有限。

相较于现有技术，本申请在惰性气体保护下，分两次对待焊接金属进行修饰焊接，第一次在进行激光修饰焊接时未开启激光焊接头的二维振镜扫描功能，第二次在进行激光修饰焊接时开启了激光焊接头的二维振镜扫描功能，基于二维振镜扫描的方式改变光束运动轨迹和作用位置进行修饰焊的方法，深度修复表层和内部缺陷，改善焊缝质量；而二维振镜扫描并不会改变光束本身能量分布，从而可以在深熔焊模式下进行修饰焊接，进而相较于现有技术中采用光束离焦和积分镜整形的热传导方式修饰焊接方法，使修饰层更深，最大程度地减少更深层的内部焊接缺陷。

下面结合具体实施例对本申请所述方法进行更详细说明：

实施例1

使用10kW光纤激光器和带二维振镜扫描功能的Wobble-60激光焊接头焊接4mm厚TC4钛合金待焊金属对接接头，接头形式为对接接头，激光焦距为480mm，振镜扫描功能不开启，焦点光斑直径0.36mm，激光输出功率为4kW，焊接速度为1.2m/min，保护气采用纯度为99.999％的高纯氩气，获得初始焊缝，焊后对焊缝成形和内部质量进行检测，检查是否有咬边、塌陷、气孔等典型缺陷。

采用机械打磨方法去除初始焊缝表面氧化膜，确定咬边、塌陷、气孔等超标缺陷的位置，对于咬边或下榻过大的地方可预制与母材同质的金属填充片，本实施例预制填充片为1mm、2mm、3mm厚度的TC4钛合金片，获得初始焊缝I。

根据初始焊缝I的缺陷特征，设置振镜扫描参数、扫描路径和激光功率等参数，本实施例扫描路径为直径为4mm的圆，扫描频率为50Hz，激光功率选择与初始焊缝I焊接时的激光功率相同，即4kW。

开启激光焊接头的振镜扫描功能，对初始焊缝I进行激光修饰焊，修饰焊焊接速度为1.2m/min，保护气采用纯度为99.999％的高纯氩气，获得修饰焊缝II，焊后对焊缝进行外观成形和内部质量检测，对比修饰焊前后咬边、下榻、气孔缺陷的变化情况。通过焊接截面的光学显微镜照片对比修饰焊前后焊缝的成形尺寸，通过X射线探伤对比焊缝内部气孔缺陷变化情况。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光修饰焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对待焊接金属材料进行第一次激光修饰焊接后，进行清理，获得初始焊缝I；所述第一次激光修饰焊接时，所述激光焊接头未开启二维振镜扫描功能；

基于所述初始焊缝I，获得第二次激光修饰焊接参数；

基于所述第二次激光修饰焊接参数，在惰性气体保护下，采用激光器和激光焊接头对所述所述初始焊缝I进行第二次激光修饰焊接，获得修饰焊缝II；所述第二次激光修饰焊接时，所述激光焊接头开启二维振镜扫描功能。

2.根据权利要求1所述激光修饰焊接方法，其特征在于，在所述基于所述初始焊缝I，获得第二次激光修饰焊接参数之前，还包括：

对所述初始焊缝I进行外观成形和内部质量检测，对具有咬边或下榻过大的缺陷处，采用于待焊接金属材料相同材质的金属填充片进行填充。

3.根据权利要求1所述激光修饰焊接方法，其特征在于，所述待焊接金属材料包括：碳钢、不锈钢和铝合金中的至少一种。

4.根据权利要求2所述激光修饰焊接方法，其特征在于，所述待焊接金属材料的厚度为3～5mm。

5.根据权利要求1所述激光修饰焊接方法，其特征在于，所述第一次激光修饰焊接的参数包括：不开启二维振镜扫描功能，激光焦距为480mm，焦点光斑直径为0.36mm，激光输出功率为4kW，焊接速度为1.2m/min，保护气采用纯度为99.999％的高纯氩气。

6.根据权利要求1所述激光修饰焊接方法，其特征在于，所述第二次激光修饰焊接的参数包括：开启二维振镜扫描功能，激光焦距为480mm，焦点光斑直径为0.36mm，扫描路径为直径4mm的圆，扫描频率为50Hz，激光输出功率为4kW，修饰焊焊接速度为1.2m/min。

7.根据权利要求1所述激光修饰焊接方法，其特征在于，所述惰性气体包括氦气、氩气和氮气中至少一种；所述惰性气体的纯度为≥99％。

8.根据权利要求1所述激光修饰焊接方法，其特征在于，所述激光器包括光纤激光器、碟片激光器和半导体激光器中至少一种。

9.根据权利要求1所述激光修饰焊接方法，其特征在于，所述焊接方式包括搭接和插接中至少一种。

10.根据权利要求1所述激光修饰焊接方法，其特征在于，所述焊接位置包括立焊、横焊和仰焊中至少一种。

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