專利名稱：一種激光焊接焊縫孔洞控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光焊接技術(shù)，涉及一種激光焊接過程中焊縫缺陷的控制方法及裝置，更具體的說是涉及焊縫內(nèi)部孔洞的控制。
背景技術(shù)：
激光焊接是材料加工領(lǐng)域應用得愈來愈廣泛的先進加工方法之一，與其他焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)有著高功率，高速度，高深寬比，窄的熱影響區(qū)且柔性好，便于生產(chǎn)過程中的自動化控制，適用于多種材料之間的連接，因此，在航天、汽車、鋼鐵等行業(yè)有著廣泛的應用。但是由于激光焊接的特點，能量密度高，冷卻速度快，激光深熔焊過程中的匙孔內(nèi)蒸汽的暴沸和不穩(wěn)定現(xiàn)象，以及焊接夾層板時，表面的氧化物的影響，導致焊接過程中極易產(chǎn)生孔洞等焊接缺陷，大大的降低了焊縫的質(zhì)量和可靠性。因此，激光深熔焊過程中，控制和減少焊接過程中的孔洞是需要解決的一大問題。激光焊接過程中的匙孔效應激光深熔焊接是一個十分復雜的過程，匙孔和等離子體的形成，匙孔內(nèi)材料蒸汽和熔池內(nèi)液態(tài)材料的流動、匙孔的穩(wěn)定性、熔池表面的變形以及各種焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量都有很大的影響。在上述激光深熔焊接所涉及的各個方面中，匙孔效應是關(guān)鍵，也是激光深熔焊接研究的熱點和難點，更為重要的是匙孔效應在激光深熔焊接過程中的作用是巨大的。當激光功率密度達到106-107W/cm2時，激光輸入速率遠遠大于熱傳導、對流、及輻射散熱的速率，材料表面發(fā)生熔化和氣化而形成匙孔，孔內(nèi)的金屬蒸汽壓與四周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡，激光可以通過孔直接射到孔底，產(chǎn)生匙孔效應。匙孔的作用和黑體一樣，能將射入的激光完全吸收。在孔內(nèi)存在著四種力量的相互作用，金屬蒸汽的壓力，四周液體的重力，表面張力以及材料流動的流體靜壓力，正是這幾種力的作用保證匙孔的穩(wěn)定存在。一旦焊接過程中受到外來干擾或材料內(nèi)部條件的影響，匙孔就會崩塌，閉合而形成孔洞，即使在正常條件下，由于匙孔四周的液體金屬填滿匙孔的時候，金屬蒸汽來不及快速逃逸而被封在匙孔內(nèi)，導致往往不能完全填滿而形成大的孔洞。尤其是當激光焊接厚板，夾層板或涂層板時，由于焊接這些材料過程中，匙孔會更加的不穩(wěn)定，加上外來氣體對匙孔的擾動作用，更容易使匙孔閉合，形成大的空腔，從而出現(xiàn)孔洞缺陷。激光焊接過程中，通過改變側(cè)吹氣流大小、種類，以及功率、速度等其他工藝參數(shù)能夠起到一定的減少孔洞缺陷的作用。也有人焊接時通過控制間隙，錯邊量來減少焊縫中孔洞的數(shù)量和尺寸，其他方法比如對材料的預先處理，激光復合焊時采用特殊的焊絲等，這些方法能夠一定程度上減少激光焊接過程中的孔洞，但均增加了工藝和操作的復雜性，且有些方法在生產(chǎn)實踐中難以實施。當激光焊接厚板或者夾層板或者涂層材料時，匙孔內(nèi)部的高溫高壓金屬蒸汽以及夾層中間的氧化皮，涂層材料的汽化容易造成匙孔的閉合和崩塌，這樣就容易形成焊縫內(nèi)部不規(guī)則的大的孔洞。如何讓匙孔內(nèi)部的金屬蒸汽或者外來蒸汽高速地，有方向性地逸出，從而保證匙孔焊接過程中的穩(wěn)定性是控制和消除焊縫內(nèi)部孔洞的關(guān)鍵方法。因此，本發(fā)明旨在提出一種能夠快速導走焊接過程中匙孔內(nèi)部蒸汽的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對激光深熔焊接的過程中的匙孔效應，要解決的技術(shù)問題是焊接過程中由于匙孔效應帶來的焊縫內(nèi)部的孔洞缺陷，提出了一種激光焊接焊縫孔洞控制方法及裝置。本發(fā)明提供的一種激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，在激光焊接過程中，采用吸氣的方式將匙孔內(nèi)部的蒸汽吸走，保證匙孔的通暢。吸氣可以采用側(cè)吸式、同軸式和底吸式吸氣。本發(fā)明提供的實現(xiàn)激光焊接焊縫孔洞控制方法的裝置，其特征在于，它包括一套·吸氣裝置，該吸氣裝置工作時通過管道與氣管的連接，并固定在激光頭上，將氣管的吸嘴對準焊縫的上方。本發(fā)明通過在激光焊接過程中，采用一套額外的吸氣的裝置，外接抽氣泵或者真空泵、吸氣泵的方法通過氣管迅速將匙孔內(nèi)部的高溫高壓的蒸汽吸走，保證匙孔的通暢性，也能起到一種對其他氣體和夾雜物的導向和牽引的作用，使焊接過程中產(chǎn)生的氣體迅速逃逸出焊縫內(nèi)部而避免形成孔洞?；谖鼩夥绞降募す夂附舆^程中孔洞的控制和消除的措施，在傳統(tǒng)的激光焊接方式上，將吹氣的裝置改為吸氣的裝置，即外加一套吸氣裝置，真空泵、抽氣泵或者吸氣泵，通過管道與氣管的連接固定在激光頭上，將氣管端部也即吸嘴對準焊縫的上方，固定在激光頭上保證焊接過程中與光束同時移動，通過調(diào)節(jié)氣管的位置，角度，保證氣管的吸嘴處于匙孔的正上方，邊焊接邊對著匙孔吸氣，氣管的吸嘴可以做成各種形狀，比如圓口、扁口、帶U型槽口、錐形口、喇叭口等。氣管后面的吸氣裝置，可調(diào)節(jié)吸力的大小，保證氣管的吸嘴處的吸力大小剛好合適。該方法的優(yōu)點在于I、能夠有效的解決激光深熔焊過程中的孔洞問題。且適合多種材料，不同板厚，不同接頭形式的激光焊接，尤其對厚板，夾層板，表面涂層板的孔洞控制有很好的效果。2、該方法簡單易實現(xiàn)，成本很低，氣管的吸嘴可以做成任何形狀固定在任何型號激光器的激光頭上，同激光光束保持同步。3、氣管的吸嘴可以從任何一個角度作用在焊縫上，可與激光器同軸吸，可大角度吸，可小角度吸，也可平吸，甚至還可以在焊縫底面吸?？傊摲椒ㄖ恍枰{(diào)整好氣管的吸嘴與焊縫的相對位置就可以方便的應用在生產(chǎn)中且能起到非常好的效果。


圖I是氣管，激光頭、吸氣裝置的裝配示意圖；圖2是具體實施方法一，側(cè)吸式吸氣，氣管的吸嘴與光束、工件的位置示意圖；圖3是具體實施方法二，同軸式吸氣，氣管的吸嘴與光束、工件的位置示意圖；圖4是具體實施方法三，底吸式吸氣，氣管的吸嘴與光束、工件的位置示意圖；圖5是側(cè)吸時激光焊接過程中匙孔、熔池示意圖。
具體實施例方式將激光焊接過程中的輔助吹氣裝置替換為吸氣裝置，就可以實現(xiàn)吸氣的方法，SP外接一個吸氣裝置，可以使抽氣泵，也可以是真空泵。將吸氣裝置通過管道與氣管(如銅管等耐高溫材料管)連接，然后將氣管固定在激光頭上，調(diào)節(jié)氣管的位置和角度，保證氣管的吸嘴對準光束焦點的位置，焊接過程中，打開吸氣裝置的開關(guān)，調(diào)節(jié)吸力的大小，即可在焊接中實現(xiàn)邊焊接邊吸氣的方法。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。典型的三種實施方式如下圖所述。圖I所示為氣管4、激光頭和吸氣裝置的裝配示意圖。如圖所示，工件I以及工件上焊接時形成的熔池。轉(zhuǎn)接板9，通過螺栓與螺母固定在激光頭上2，激光頭上鉆有不同位 置的安裝孔，轉(zhuǎn)接板可根據(jù)需要安裝在不同的位置。轉(zhuǎn)接板上開有較長的雙導軌，可安裝調(diào)節(jié)臺或其他零件。調(diào)節(jié)臺5，它通過螺釘螺母安裝在連接板的導軌槽上，調(diào)節(jié)臺用來保證氣管4的位置和角度。氣管4固定在調(diào)節(jié)臺上，其尾部連接吸氣裝置6，氣管4根據(jù)需要可設計成不同的形狀，安裝在工件的不同位置。本圖中所示為大角度側(cè)吹方式的連接，氣管4的吸嘴應該對準光束3及其焦點位置。吸氣裝置6上有控制開關(guān)和調(diào)節(jié)吸力大小的按鈕8。圖2所示為側(cè)吸氣時，氣管4與激光束，工件的相對位置示意圖，氣管4在此方式中做成彎曲的形狀，方便焊接過程中大角度入射，氣管4端部所指的位置和光束3的焦點重合，焊接方向為激光在前。氣管4通過調(diào)節(jié)臺固定，與吸氣裝置管道連接。側(cè)吸氣時，焊接方向與氣嘴的位置可以在一個平面也可以不在一個平面內(nèi)。如果氣管4和焊接方向不在一個平面內(nèi)的話，可以避免吸氣時，氣管的吸嘴會影響到匙孔周邊的液態(tài)金屬，圖中將焊接方向改為垂直紙面的方面即可保證吸氣時氣管的吸嘴與焊接方面垂直。圖3所示為同軸吸氣時的裝置示意圖，在激光頭2上安裝一個與光束3同軸的雙層空心圓錐臺形狀的同軸氣流通道，氣流從同軸氣流通道12中間通過，即兩層管道之間的夾層。然后經(jīng)吸氣裝置的管道7通向抽氣泵或者真空泵。圖中箭頭所指的方向11為吸氣時通道內(nèi)部的氣流方向。同軸氣流通道頂部為封閉的，底部不閉合，通過外壁上孔洞與激光頭之間螺栓連接固定在激光頭上。圖4所示為底吸氣時的裝置示意圖，該方式關(guān)鍵是底部氣嘴的位置，必須對準匙孔的底部，即圖中光束3中心線的延長線的方向，安裝氣管4時，先在工件外使氣管4做成圖中所示的形狀然后對準光束3的焦點位置，再通過移動激光頭，將氣管4端部移至工件底部，保證位置的準確性。其他裝配同側(cè)吸氣時的方式。圖中10表示焊接方向為垂直紙面的方向。圖5所示為焊接過程中匙孔和熔池的示意圖。氣管4在此實施方式中做成彎曲形狀。1、14、15分別表示固態(tài)的工件，呈液態(tài)的熔池和激光深熔焊過程中的匙孔。圖中熔池內(nèi)部的箭頭表示焊接過程中熔池內(nèi)的氣體，夾雜物通過熔池過渡到匙孔內(nèi)部。13表示由于氣管4吸氣的作用，使得匙孔內(nèi)部的金屬蒸汽，匙孔端部的等離子體均會朝向氣管的吸嘴的方向。10表示此圖所示的焊接方向。此圖解釋了該方法之所以能夠抑制激光焊接過程中孔洞的原因。當不加吸氣時，匙孔內(nèi)部充滿著高溫高壓的金屬蒸汽，一方面此蒸汽太過激烈容易造成匙孔的失穩(wěn)狀態(tài)，從而導致匙孔封閉產(chǎn)生孔洞缺陷；另一方面，匙孔內(nèi)部溫度和壓強較高，使得熔池內(nèi)部的氣體，外來夾雜物無法快速的通過匙孔逸出而留在熔池內(nèi)部，也會形成孔洞。而當采用吸氣時，一是由于外部吸力的作用，會使得匙孔內(nèi)部的高溫高壓金屬蒸汽迅速離開匙孔，從而保證了匙孔內(nèi)部的通暢性，降低了匙孔閉合的可能性，二是由于吸力的作用，外來的氣體，夾雜物也會迅速過渡到匙孔內(nèi)部，然后通過匙孔快速的逃逸出熔池而不會停留在熔池內(nèi)產(chǎn)生缺陷。本發(fā)明過程中，針對不同的板厚，材料，穿透焊和非穿透焊，采用吸氣的方法時應適當調(diào)整激光功率，焊接速度與吸氣的大小和位置。吸力太大，會導致整個焊接熔池受到影響，造成液態(tài)金屬流失，熔池凹陷的厲害，吸力過小，又不能夠迅速導走氣體，到不到控制孔洞的效果。同樣，吸氣時氣管的吸嘴的位置也非常重要，應保證它的位置處于小孔的上方而不是對著熔池的尾部。針對圖2所示的側(cè)吸氣時的一些參數(shù)加以說明，激光器為4000 的光纖激光器，試驗材料為表面鍍層的材料，厚度為O. 8_，接頭形式為搭接。試驗中為保證穿透焊，采用功率為3. Okw,速度2m/min。試驗裝置如圖2示意圖所示,激光頭的偏角范圍是-15° -15°，氣管4彎曲成大角度吸氣，此角度需保證與光束基本平行，使氣管4的吸嘴對準小孔。氣管4的吸嘴距離工件的垂直高度范圍在2-12_，可根據(jù)實際焊接條件調(diào)整，距離越近，應適當降低吸力，反之增大吸力。當我們采用此種工藝條件時，可以消除由于鍍 層蒸汽引起的焊縫孔洞缺陷。當然，實際中也并非一定得按照本實驗所采用幾種的吸氣方法，此吸氣方法同樣適合于其他類型的激光器。本發(fā)明中氣管4的位置、角度與材料的種類、厚度、有無涂層以及激光頭的偏角有很大關(guān)系。側(cè)吸氣或者其他吸氣方式中也可采用其他的工藝參數(shù)，并不局限于上述說明中的工藝參數(shù)。對于易產(chǎn)生孔洞缺陷的材料，厚度大的材料或者有涂層的材料，應增加吸力大小，由于吸氣裝置的原因，吸力大小與吸氣裝置的種類，密封度，管道口徑等因素有關(guān)，所以本發(fā)明沒有具體給出吸力大小的數(shù)值。以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，在激光焊接過程中，采用吸氣的方式將匙孔內(nèi)部的蒸汽吸走，保證匙孔的通暢。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，吸氣采用側(cè)吸式吸氣，即吸氣方向與焊接用的激光光束不同軸。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，吸氣采用同軸式吸氣，即吸氣方向與焊接用的激光光束同軸。
4.一種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，吸氣采用底吸式吸氣，即對準匙孔的底部吸氣。
5.一種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述激光焊接焊縫孔洞控制方法的裝置，其特征在于，它包括一套吸氣裝置，該吸氣裝置工作時通過管道與氣管的連接，并固定在激光頭上，將氣管的吸嘴對準焊縫的上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述吸氣裝置為真空泵或者抽氣泵或者吸氣泵。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，氣管的吸嘴為圓口、扁口、帶U型槽口、錐形口或喇叭口。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，氣管的吸嘴與激光束同軸。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，氣管的吸嘴與激光束不同軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，氣管的吸嘴對準匙孔的底部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光焊接焊縫孔洞控制方法及其裝置，方法是在激光焊接過程中，采用吸氣的方式將匙孔內(nèi)部的蒸汽吸走，保證匙孔的通暢。裝置包括一套吸氣裝置，該吸氣裝置工作時通過管道與氣管的連接，并固定在激光頭上，將氣管的吸嘴對準焊縫的上方。本發(fā)明能夠有效的解決激光深熔焊過程中的孔洞問題。且適合多種材料，不同板厚，不同接頭形式的激光焊接，尤其對厚板，夾層板，表面涂層板的孔洞控制有很好的效果。裝置簡單易實現(xiàn)，成本很低，總之，本發(fā)明只需要調(diào)整好氣管的吸嘴與焊縫的相對位置就可以方便的應用在生產(chǎn)中且能起到非常好的效果。
文檔編號B23K26/14GK102941412SQ201210390068
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者王春明, 陳志春, 胡席遠, 王軍 申請人:華中科技大學