本發(fā)明屬于材料加工工程領(lǐng)域,具體涉及一種基于束斑能量分布調(diào)控的激光修飾焊接方法。
背景技術(shù):
激光焊接具有高能量密度、能量可精確控制、焊接單位熱輸入量低、焊縫深寬比大、焊接變形小等優(yōu)勢(shì),被譽(yù)為21世紀(jì)最先進(jìn)的焊接技術(shù)之一。目前,激光焊接已廣泛用于航空、航天、核能、電子等多個(gè)領(lǐng)域,涉及到眾多大、中、小型薄壁殼體的焊接和各類容器的焊封,涉及的精密產(chǎn)品的連接可靠性要求高。
隨著激光器束流品質(zhì)的不斷發(fā)展,激光束斑過(guò)小對(duì)焊接接頭的制造和裝配提出了很高的精度要求,即使這樣也容易造成某些精密件的焊封效果差,產(chǎn)品合格率低。另外一方面激光器束流品質(zhì)的提升也造成了束斑能量過(guò)于集中,在激光深熔焊接過(guò)程中小孔蒸發(fā)劇烈和熔池震蕩嚴(yán)重,造成激光焊接表面成形質(zhì)量較差,咬邊和凸凹不平時(shí)有發(fā)生。因此對(duì)提升激光焊接焊縫表面質(zhì)量和密封性能的激光修飾焊接提出了迫切需求。
現(xiàn)有的激光修飾焊接均是采用激光離焦焊接進(jìn)行的,這種方式存在明顯的不足,一是在焊寬方向上仍是近高斯的能量分布,使得修飾焊接時(shí)仍是焊縫中心修飾能量大,而焊縫兩側(cè)修飾的能量小,無(wú)法達(dá)到切實(shí)修復(fù)咬邊等邊沿缺陷和提高焊封性能的目的,二是激光離焦后采用熱導(dǎo)焊焊接其熔寬明顯小于深熔焊的焊寬,無(wú)法達(dá)到修復(fù)整條焊縫的要求。因此,當(dāng)前亟需發(fā)展一種基于束斑能量分布調(diào)控的激光修飾焊接方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于束斑能量分布調(diào)控的激光修飾焊接方法。
本發(fā)明的基于束斑能量分布調(diào)控的激光修飾焊接方法,其特點(diǎn)是:所述的焊接方法包括以下步驟:
a.使用激光器通過(guò)聚焦鏡焊接待焊金屬工件,得到焊縫??;
b.將聚焦鏡的鏡頭更換為積分鏡,激光器的發(fā)射激光經(jīng)所述的積分鏡后的出射激光的激光束斑能量分布為近矩形,矩形的寬度為l1,矩形的高度為l2,l1≥l2;
c.出射激光繼續(xù)沿焊縫ⅰ進(jìn)行激光修飾焊接得到焊縫ⅱ。
所述的激光器為co2氣體激光器、nd:yag激光器或光纖激光器中的一種。
所述的待焊金屬工件的材料為不銹鋼、碳鋼、鋁合金或鈦合金中的一種。
所述的步驟a、c焊接時(shí)的焊接接頭形式為插接、對(duì)接或搭接中的一種。
所述的步驟a、c焊接時(shí)的保護(hù)氣體為氦氣、氬氣、氮?dú)饣蚝鈿鍤饣旌蠚怏w中的一種。
本發(fā)明的基于束斑能量分布調(diào)控的激光修飾焊接方法是一種新型的激光修飾焊接方法,該焊接方法將激光能量在焊寬方向上的高斯分布展寬為近平均能量分布,實(shí)現(xiàn)了在原焊寬范圍或更寬范圍內(nèi)的修飾焊,修復(fù)了原激光焊道的表面或近表面的咬邊、凹坑、凸點(diǎn)、表面/近表面氣孔等缺陷,提高了激光焊接的焊接質(zhì)量和密封性能,避免了激光離焦修飾焊接時(shí)激光能量無(wú)法充分利用的不足,提升了激光焊封質(zhì)量,具有廣闊的推廣價(jià)值。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的基于束斑能量分布調(diào)控的激光修飾焊接方法中的積分鏡前后激光能量分布示意圖;
圖2為激光修飾焊接前的焊縫表面形貌的掃描電鏡圖;
圖3為激光修飾焊接前的焊縫橫截面的光學(xué)顯微鏡圖;
圖4為激光修飾焊接前的焊縫表面形貌的掃描電鏡圖;
圖5為激光修飾焊接前的焊縫橫截面的光學(xué)顯微鏡圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明,而并非對(duì)本發(fā)明的限制。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下,還可以做出各種變化、替換和變型,因此同等的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇。
本發(fā)明的基于束斑能量分布調(diào)控的激光修飾焊接方法,其特點(diǎn)是:所述的焊接方法包括以下步驟:
a.使用激光器通過(guò)聚焦鏡焊接待焊金屬工件,得到焊縫?。?/p>
b.將聚焦鏡的鏡頭更換為積分鏡,激光器的發(fā)射激光經(jīng)所述的積分鏡后的出射激光的激光束斑能量分布為近矩形,矩形的寬度為l1,矩形的高度為l2,l1≥l2;
c.出射激光繼續(xù)沿焊縫ⅰ進(jìn)行激光修飾焊接得到焊縫ⅱ。
所述的為co2氣體激光器、nd:yag激光器或光纖激光器中的一種。
所述的待焊金屬工件的材料為不銹鋼、碳鋼、鋁合金或鈦合金中的一種。
所述的步驟a、c焊接時(shí)的焊接接頭形式為插接、對(duì)接或搭接中的一種。
所述的步驟a、c焊接時(shí)的保護(hù)氣體為氦氣、氬氣、氮?dú)饣蚝鈿鍤饣旌蠚怏w中的一種。
實(shí)施例1
a.使用co2氣體激光器通過(guò)聚焦鏡焊接待焊的hr-2不銹鋼導(dǎo)管組件,采用氬氣作熔池保護(hù)氣,得到焊縫ⅰ。該待焊金屬工件的接頭形式為插接接頭,其中導(dǎo)管為φ4×1,接頭外徑為φ8;所采用的聚焦鏡頭為普通的cu聚焦反射鏡,焦距為150mm;待焊接的金屬工件為hr-2不銹鋼,其化學(xué)成分(wt%)如下:c≤0.045%,si≤1.00%,mn≤8~10%,p≤0.015%,s≤0.035%,ni=5.5~8.0%,cr=19~21.5%,n=0.2~0.36%。,其余為fe和不可避免的雜質(zhì)。
b.將聚焦鏡的鏡頭更換為積分鏡,激光器的發(fā)射激光經(jīng)所述的積分鏡后的出射激光的激光束斑能量分布為近矩形(圖1),矩形的寬度為l1=2mm,矩形的高度為l2=1mm,該積分鏡的材料為cu,焦距為150mm,入射光口徑為φ19mm。
c.然后采用更換的積分鏡,出射激光繼續(xù)沿焊縫ⅰ進(jìn)行激光修飾焊接得到焊縫ⅱ。采用氬氣作熔池保護(hù)氣,采用co2氣體激光器作為激光源進(jìn)行激光修飾焊接,激光模式為脈沖模式,脈沖頻率50hz,脈沖占空比20%,激光功率p=1.4kw,焊接速度v=0.2m/min,離焦量f=0mm,激光焊接起焊角度10°,正式焊角度365°和收弧角度30°。
修飾焊接后對(duì)焊縫表面形貌和接頭的密封性能進(jìn)行檢測(cè)。焊前的凹坑、咬邊和飛濺點(diǎn)等表面缺陷(圖2),經(jīng)修飾焊接后,焊縫表面均勻平整(圖4),焊縫表面缺陷得到了修復(fù)。焊接前深熔焊深而窄的焊縫(圖3),經(jīng)過(guò)修飾焊接后,焊縫上部焊寬明顯增加,導(dǎo)管部位和接頭部位均達(dá)到了有效連接(圖5)。通過(guò)對(duì)導(dǎo)管組件充氦氣至3mpa,采用氦檢漏儀進(jìn)行氣密性檢查,以漏率小于1.5×10-9pa.m3/s為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行100件的批量試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)修飾焊后檢漏合格率從67%提高到100%,提高了構(gòu)件的密封性能,避免了因找正不良或加工、裝配誤差焊偏而導(dǎo)致的構(gòu)件泄露現(xiàn)象。
本實(shí)施例的激光器還可以變更為nd:yag激光器或光纖激光器。
本實(shí)施例的待焊金屬工件的材料還可以為碳鋼、鋁合金或鈦合金。
本實(shí)施例的步驟a、c焊接時(shí)的焊接接頭形式還可以為對(duì)接或搭接。
本實(shí)施例的步驟a、c焊接時(shí)的保護(hù)氣體為氦氣、氮?dú)饣蚝鈿鍤饣旌蠚怏w。