一種超聲輔助激光深熔焊接板材的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光焊接方法，尤其涉及一種超聲輔助激光深熔焊接板材的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光焊接是激光加工技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的先進(jìn)工藝之一，具有焊接熱輸入小、焊縫深寬比大、速度快、焊縫變形小殘余應(yīng)力低、焊接精度和強(qiáng)度高、無需填料、易于實(shí)現(xiàn)自動化等突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車、造船、核電、管道等國民經(jīng)濟(jì)重要行業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
[0003]隨著近來超高功率高亮度激光的研制成功，使得采用激光單道焊接厚板成為可能。激光深熔焊接類似于電子束焊接，可以獲得大深寬比的焊縫。然而單純的激光焊接(激光自熔焊接)大厚度平焊接頭，焊接工藝參數(shù)范圍極窄，易產(chǎn)生根漏等缺陷，即所謂的“透則漏”的問題!其根本原因在于小孔內(nèi)能量耦合的不均勻?qū)е碌木植空舭l(fā)蒸汽反沖壓力驅(qū)動的熔融金屬高速流動。
[0004]在2015年7月8日公開的，公開號為“CN 103418917 B”，發(fā)明名稱為“一種激光與熔融金屬復(fù)合焊接板材的方法”的發(fā)明專利公開了一種激光與熔融金屬復(fù)合焊接板材的方法，其解決了激光焊接厚板平焊接頭焊縫塌陷和下掉的問題，但是該技術(shù)方案仍舊存在以下問題:該方法提出的在焊縫底部同步噴射熔融金屬的工藝措施，使得整個焊接裝置的結(jié)構(gòu)和控制變得復(fù)雜，焊前設(shè)備調(diào)試時(shí)間較長。
[0005]在1995年8月15日公開的，公開號為“JP07-214316A”，發(fā)明名稱為“片面自動熔接方法及裝置”的發(fā)明專利公開了一種單面自動焊接方法和裝置，其解決了從背面實(shí)時(shí)獲取焊縫底部成形，通過圖像處理反饋控制焊接參數(shù)來獲得沒有塌陷的穩(wěn)定熔透焊縫，但是該技術(shù)方案仍舊存在以下問題:該方法只能使用于薄板焊接和傳統(tǒng)弧焊方法，對于激光焊接厚板由于熔池內(nèi)部流動和巨大熔池自重的影響難以通過簡單的工藝參數(shù)調(diào)整而實(shí)時(shí)消除塌陷缺陷。
[0006]超聲能量作為一種“神奇”的能量，特別是功率超聲，由于工作頻率高、穿透能力強(qiáng)以及可以改變物性等特點(diǎn)，目前已經(jīng)有超聲振動在常用焊接上的應(yīng)用技術(shù)。在2010年I月6日公開的，公開號為“CN 101219499 A”，發(fā)明名稱為“一種超聲波與非熔化極電弧復(fù)合的焊接方法”的發(fā)明專利公開了一種超聲波與TIG電弧復(fù)合的焊接方法，其解決了TIG電弧能量密度分布不集中的問題，但是該技術(shù)方案仍I日存在以下問題:該方法中TIG電極鑲嵌于變幅桿中，不便拆卸、更換，限制了該方法的應(yīng)用;TIG電弧工作于熱導(dǎo)焊(熔入型)模式，熔池內(nèi)不能產(chǎn)生小孔。
[0007]在2011年7月27日公開的，公開號為“CN 101690991 B”，發(fā)明名稱為“鋁及鋁合金的超聲波輔助真空電子束焊接方法”的發(fā)明專利公開了一種應(yīng)用于鋁及鋁合金的超聲波輔助真空電子束焊接方法，其解決了鋁及鋁合金尤其是鑄造鋁合金在真空電子束焊接過程中產(chǎn)生氣孔、冷隔等空腔型缺陷的問題，但是該技術(shù)方案仍舊存在以下問題:該方法只是對真空電子束焊接熔池區(qū)域進(jìn)行一定程度的振蕩，對深熔小孔及塌陷缺陷的作用機(jī)制尚不清/H- ο
[0008]在1982年5月18日公開的，公開號為“US 4330699 A”，發(fā)明名稱為“激光/超聲焊接方法”的發(fā)明專利公開了一種非接觸激光/超聲焊接方法，其解決了焊縫接頭不均勻性和焊接質(zhì)量差的問題，但是該技術(shù)方案仍舊存在以下問題:該方法只涉及到激光熱傳導(dǎo)焊接，即沒有形成深熔小孔的焊接模式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是解決目前高功率激光自熔穿透焊接厚板(>12mm)平焊接頭成形過程中，焊接工藝參數(shù)范圍窄，易出現(xiàn)根漏等焊接缺陷。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種超聲輔助激光深熔焊接板材的方法，其特征在于。
[0011]步驟1:第一母材和第二母材加工形成對接端面，并在對接端面上加工一系列傾斜半圓槽，除去第一母材和第二母材上下表面、對接面和半圓槽上雜質(zhì)。
[0012]步驟2:用焊接夾具將第一母材和第二母材準(zhǔn)確對接與夾緊，實(shí)現(xiàn)第一母材和第二母材對接端面上的系列半圓槽精確對準(zhǔn)，從而組成完整傾斜盲孔。
[0013]步驟3:將第一超聲變幅桿壓合于第一母材和第二母材對接線的上表面，并位于焊道的末端，且其端面平均分布在第一母材和第二母材上。
[0014]步驟4:將第二超聲變幅桿固定在激光焊接頭的一側(cè)，位于焊接方向前方的第二超聲變幅桿與激光束所成角度α為10°?15°。
[0015]步驟5:啟動超聲波發(fā)生裝置，調(diào)整第一超聲變幅桿的超聲振動頻率為25kHz，振幅為30μπι，調(diào)整第二超聲變幅桿的超聲振動頻率為30 kHz，振幅為ΙΟμπι。
[0016]步驟6:啟動激光焊接系統(tǒng)，激光束垂直輻射工件上表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在第一母材和第二母材上，第二超聲變幅桿與激光束同步移動，在超聲波的連續(xù)振動下完成焊接過程。
[0017]步驟7:激光焊接結(jié)束后，保持超聲波振動I?2分鐘，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，結(jié)束焊接工藝流程。
[0018]進(jìn)一步地，在步驟2中，第一母材和第二母材對接端面上的系列半圓槽精確對準(zhǔn)組成完整傾斜盲孔。
[0019]本發(fā)明的有益效果是。
[0020]I)在本發(fā)明中，通過在焊道上開設(shè)一系列盲孔，使得超聲振動和聲流效應(yīng)更有效地作用于焊接熔池及深熔小孔壁，特別是小孔前沿壁，有助于穩(wěn)定小孔前沿壁的熔融金屬流動，獲得光滑的小孔前沿壁面，避免了小孔前沿壁局部蒸發(fā)驅(qū)動的熔融金屬高速向下流動而形成焊縫根漏。
[0021]2)在本發(fā)明中，通過在焊道上開設(shè)一系列傾斜盲孔，焊接過程中小孔前沿壁下方的熔融金屬層沿著傾斜盲孔向上流動，使得上半部分板材熔化速度大于下半部分板材，后熔化的下半部分材料有效托住了小孔前沿壁的熔池，避免了小孔前沿壁熔融金屬快速向下流動而形成焊縫根漏。
[0022]3)在本發(fā)明中，通過對激光焊接工藝參數(shù)(激光功率、焊接速度、離焦量和保護(hù)氣體流量等)與超聲工作參數(shù)(頻率和振幅)的優(yōu)化匹配，拓寬了厚板激光焊接工藝參數(shù)范圍。
[0023]4)采用本發(fā)明方法施焊有利于焊縫收尾時(shí)熔融金屬對深熔小孔區(qū)的填充，從而大大減小了深熔焊接收尾處的弧坑深度，提高了焊縫表面成形的一致性。
[0024]5)采用本發(fā)明方法施焊有利于焊接熔池中氣體介質(zhì)的上浮，從而大大改善了焊縫中氣孔缺陷，提高了焊接焊縫致密性，獲得高質(zhì)量焊接接頭。
[0025]6)采用本發(fā)明提供的超聲輔助激光深熔焊接方法，避免了傳統(tǒng)電弧高溫引起焊接缺陷，焊件變形、焊接裂紋以及殘余應(yīng)力等焊接缺陷大大減少，對大厚度大結(jié)構(gòu)件焊接后無需后續(xù)機(jī)加工。
[0026]7)采用本發(fā)明提供的超聲輔助激光深熔焊接方法，可以精確控制厚板焊縫的成型形貌，如熔寬、余高等，可以推廣應(yīng)用到厚板橫焊、立焊和全位置焊接等過程中，適應(yīng)性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明所述超聲輔助激光深熔焊接板材的方法示意圖。
[0028]圖2是第一母材傾斜半圓槽分布示意圖。
[0029]圖3是第二母材傾斜半圓槽分布示意圖。
[0030]圖4是第一母材和第二母材對接后傾斜盲孔分布示意圖。
[0031 ]圖5是本發(fā)明方法焊接的焊縫示意圖。
[0032]圖6是單一激光束焊接的焊縫示意圖。
[0033]其中:1、待焊工件，2、傾斜半圓槽，3、第一超聲變幅桿，4、第二超聲變幅桿，5、激光束，6、小孔前沿壁，7、焊接小孔，8、焊接熔池，9、凝固的焊縫，10、第一母材，11、第二母材，
12、第三母材，13、第四母材。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下將結(jié)合著