一種減少雷射焊接氣孔的方法與流程

2023-06-07 09:58:21

本發明涉及雷射焊接
技術領域：
，具特別是涉及一種減少雷射焊接氣孔的方法。
背景技術：
：雷射焊接是以雷射作為焊接熱源，是一種高能量密度的熱源。在焊接時，雷射器能把能量密度很大的雷射束聚焦在很小的區域上，因此，在相同的試板厚度時，雷射焊接較其他焊接方法焊接效率高，熱輸入相對小，熱影響區很小，焊縫成形質量好。按照雷射實際作用在工件上的功率密度或雷射焊接後所形成的焊縫特點，可以將雷射焊接分為熱傳導焊接和深熔焊接兩類，往往按照焊接時的雷射功率密度的不同來區分，雷射功率密度較小(一般小於106w/cm2)時稱為熱傳導雷射焊，雷射功率密度較大(一般大於106w/cm2)時稱為雷射深熔焊接。雷射熱傳導焊接時，光束不能直接將焊縫金屬全部熔化，表面金屬吸收雷射後將光能轉化為熱能，然後將熱量傳遞給下一層金屬，逐步擴大熔化區，直到全部熔化。這種雷射焊接方式形成的熔深較淺，焊縫熔池多為半球形，因此適用於焊接一些厚度較小的金屬零件。雷射深熔焊接時，雷射的功率密度很大，材料表面的溫度特別高，可大於材料的沸點，材料熔化並汽化，汽化的金屬蒸汽會迅速離開熔池，出現小孔現象，這是雷射深熔焊接的重要特徵。雷射束直接作用在小孔內時，雷射的吸收率會大大提高，焊接效率也會大大增大。雷射深熔焊接另一個重要現象是焊接過程中容易出現雷射等離子體，等離子體會屏蔽雷射，減小雷射的實際作用功率，有時甚至會中斷雷射焊接過程。雷射深熔焊接適於焊接厚度大的工件。目前金屬的焊接方法主要集中在鎢極氬弧焊(簡稱tig焊)和熔化極氣體保護焊(簡稱mig或mag焊)，如專利cn201310365187.0、cn200910064125.x、cn200810068867.5等，但這些方法生產效率較低，焊縫成形不穩定，而且容易出現氣孔。雷射焊接技術作為一種新興技術，由於其生產效率高、工件變形小、焊接精度高等優勢使得其被廣泛的應用，但是在焊接金屬方面，焊縫中存在明顯的氣孔缺陷，氣孔率大概為8～10％左右，並且焊縫表面成形粗糙不規則，嚴重的影響其結構件的力學性能和氣密性。這是因為金屬對雷射的高反射率和高導電性等特殊的物理性能，導致誘導出雷射焊接過程中穩定的小孔需要更高的能量密度閾值，因而雷射焊接時小孔的不穩定容易造成氣孔的生成；同時金屬中氫的溶解度存在明顯的突變，氫在金屬中的溶解度隨溫度的下降而降低，到金屬的凝固點時，溶解度由凝固前的0.75ml/100g，迅速降到0.035ml/100g，前後相差20倍，同時雷射焊接的高的能量密度使金屬的熔池的冷卻速度極大，熔池中的氫來不及逸出，殘留在焊縫中形成氣孔。金屬雷射焊接過程中產生的氣孔缺陷很大程度上制約了其在工業中的廣泛應用。在消除雷射焊接金屬焊縫氣孔缺陷的問題上，國內外專家學者採用了很多的方法，比如說雙焦點雷射焊接、雷射-電弧複合焊接等都在一定程度上降低了金屬焊縫中的氣孔率，其中以雷射-電弧複合焊接鋁合金方法應用最多和效果最好，如專利cn201320195625.9、cn200910093745.6等，從不同的方面提出來減少鋁合金焊接氣孔的方法，這些方法確實能夠使氣孔率有所降低，使其達到4～6％，而且能夠改善焊縫表面成形。但是，尤其是金屬結構件在航空航天領域中應用較多，而航空航天領域對焊縫質量要求極高，對金屬焊接氣孔零容忍態度，因為存在氣孔的鋁合金焊縫可能會引發不堪設想的後果。技術實現要素：針對現有雷射焊接金屬技術中金屬在焊接時，焊接部位存在氣孔的缺陷，本發明的目的是提供減少雷射焊接氣孔的方法，他能夠使金屬焊接時的氣孔率降低到零，得到零氣孔率的金屬焊接件。為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種減少雷射焊接氣孔的方法，包括以下步驟：（1）將兩塊金屬待焊接件水平對接放置，組成待焊件；（2）將金屬待焊件在兩端夾緊固定，使兩塊金屬板對接面的間隙小於0.1mm；（3）採用雷射束對金屬待焊件進行預熱；（4）啟動控制開關，通入保護氣，再引燃電弧1~2s後，發射雷射，將雷射器a、雷射器b發出的雷射匯合成一束雷射束，使噴射丙酮的高壓氣槍與雷射器a、雷射器b一起移動；其中高壓氣槍首先對金屬待焊件進行清洗，然後雷射器a、雷射器b發射出的複合雷射再對金屬待焊件進行焊接。本發明是由兩臺雷射器組成，第一臺雷射器產生的雷射束對材料表面進行預熱處理，並且通過丙酮擦拭表面產生的氧化膜，然後利用兩臺雷射器一起發出兩條雷射束融化材料進行焊接，這樣能有效的減少焊接產生的氣孔，通過兩臺雷射束的複合，使得雷射的功率變大，加快了焊接的速度。為了提高焊接後工件的質量，即提高焊接面的表面平整度、減少氣泡的生成，優選的，焊接前，將待焊工件表面進行打磨或清洗，將打磨或清洗後的待焊工件固定在焊接工裝夾具上，所述清洗的步驟為分別在乙醇和丙酮溶液中超聲清洗2~3次後真空乾燥。本發明對雷射匯合的方法沒有特殊的要求，可以為所述領域技術人員所知，例如所述雷射匯合的方法可以為光纖耦合技術或偏振耦合鏡技術，其中光纖耦合技術或偏振耦合鏡技術的具體工藝也是為所屬領域技術人員所知的，本發明對其沒有特殊的要求，因此，在此，不在一一贅述。本發明中採用兩個雷射器同時對金屬焊接快進行焊接，兩個雷射器的焊接功率不同，優選的，所述雷射器a的功率為2.4kw～3.0kw。本發明中採用兩個雷射器同時對金屬焊接快進行焊接，兩個雷射器的焊接功率不同，優選的，所述雷射器b的功率為1.6~2.2kw。此外，影響焊接質量的因素還有焊接速度和離焦距，如果焊接速度過慢，使高溫停留時間增長，熱影響區寬度增加，焊接接頭的晶粒變粗，機械性能降低，同時使變形量增大，優選的，在步驟（4）中，所述焊接速度v＝3.3m/min～6.0m/min；離焦量是雷射焦點離作用物質間的距離。在焊接過程中，離焦量對焊接質量的影響很大。雷射焊接通常需要一定的離焦量，因為雷射焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開雷射焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻，在雷射熱處理過程中，離焦量對熱處理效果產生直接的的影響。當離焦量過大，作用在工件上的功率密度過低達不到處理工件的目的；當離焦量過小，作用在工件上的功率密度過高，容易熔化雷射照射點，破壞工件表面，優選的，所述離焦量δf＝+3mm。優選的，在步驟（4）中，所述保護氣為惰性氣體，例如可以為he氣、ar氣等中的至少一種，保護氣效果最佳的是採用he氣，這是因為其可以提高保護氣的傳熱係數，使得雷射和電弧的熱量能夠更多的傳遞給焊縫，使得熱輸入增加，降低了冷卻速度，也可以在一定程度上降低氣孔率。如條件不允許的情況下，用ar氣也可以。保護氣的流量和壓強也是影響焊接件質量的重要因素，優選的，所述保護氣的壓強為0.1~0.5mpa。優選的，所述保護氣的流量為20l/min～40l/min。本發明中的焊接方法適用於大多數合金，例如，所述金屬為鋁合金、不鏽鋼、錳鋼、黃銅、青銅、白銅、焊錫中的至少一種，本發明的焊接方法既適用於同種合金間的焊接，也適用於不同種合金間的焊接，具有應用範圍廣的特點。本發明中，首先對金屬焊接件進行預熱，所述預熱的方式為雷射預熱，所述雷射預熱的功率應該適中，當功率過大時，則會在金屬表面生成氧化膜，而功率過小，則起不到預熱的作用。優選的，在步驟（3）中，所述雷射束的功率為800~1200w。本發明中，首先對金屬焊接件進行預熱，所述預熱的方式為雷射預熱，所述雷射預熱的電流應該適中，當電流過大時，則會在金屬表面生成氧化膜，而功率過小，則起不到預熱的作用。優選的，在步驟（3）中，所述雷射束的電流為5~10a。優選的，所述金屬待焊件的厚度為1mm~3mm。為了提高焊接面的平整度和穩定性，優選的，所述雷射器a和雷射器b為連續雷射器，連續雷射器有穩定的工作狀態，即是穩態。連續雷射器中各能級的粒子數及腔內輻射場均具有穩定分布。其工作特點是工作物質的激勵和相應的雷射輸出，可以在一段較長的時間範圍內以連續方式持續進行，以連續光源激勵的固體雷射器和以連續電激勵方式工作的氣體雷射器及半導體雷射器，均屬此類。本發明提供的減少雷射焊接氣孔的方法，與現有技術相比，其突出的特點和優異的效果在於：1、本發明是由兩臺雷射器組成，第一臺雷射器產生的雷射束對材料表面進行預熱處理，並且通過丙酮擦拭表面產生的氧化膜，然後利用兩臺雷射器一起發出兩條雷射束融化材料進行焊接，並通過連續高壓噴射丙酮消除焊接過程中的氣孔，這樣使得金屬焊縫氣孔率得到明顯降低，由雷射焊接時的8～10％氣孔率降低到零；2、由於此方法降低了熱輸入，可以降低焊接成本和焊接變形，尤其對於焊接變形較大的薄板鋁合金優勢較大；3、該方法焊接時，焊接過程穩定飛濺量較小，在保證氣孔較少的情況下更容易獲得表面平整光滑的焊縫表面，從而改善焊縫成形。具體實施方式以下通過具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明，但不應將此理解為本發明的範圍僅限於以下的實例。在不脫離本發明上述方法思想的情況下,根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更,均應包含在本發明的範圍內。實施例1一種減少雷射焊接氣孔的方法，包括以下步驟：分別選取厚度為2mm的鋁合金和厚度為2mm的馬氏體不鏽鋼；打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區域，去除表面氧化層及汙染物打磨範圍為焊縫周邊40-60mm範圍內的區域，打磨深度不超過0.2mm，且打磨紋路平行於焊縫方向；將打磨後的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然後放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時間為15分鐘，超聲功率為400w；將處理後的多塊板材按順序組對正裝在焊接夾具上，調整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；啟動控制開關，通入保護氣，再引燃電弧1~2s後，發射雷射a，利用一束雷射束的光斑從鋁合金/鋼對接兩邊向中心進行預熱，焊接電流6a，功率為1kw；預熱時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為27l/min，壓強為0.3mpa；再次引燃電弧2s後，發射雷射，將連續雷射器a、連續雷射器b發出的雷射採用光感耦合技術匯合成一束雷射束，使噴射丙酮的高壓氣槍與連續雷射器a、連續雷射器b一起移動；其中高壓氣槍首先對金屬待焊件進行清洗，然後連續雷射器a、連續雷射器b發射出的複合雷射再對金屬待焊件進行焊接；焊接時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為27l/min，壓強為0.3mpa；雷射a的功率為2.6kw；焊接速度5m/min，離焦量δf＝+3mm；雷射b的功率為1.8kw；焊接速度5m/min，離焦量δf＝+3mm。實施例2一種減少雷射焊接氣孔的方法，包括以下步驟：分別選取厚度為1mm的不鏽鋼和厚度為3mm的馬氏體不鏽鋼；打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區域，去除表面氧化層及汙染物打磨範圍為焊縫周邊40-60mm範圍內的區域，打磨深度不超過0.2mm，且打磨紋路平行於焊縫方向；將打磨後的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然後放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時間為15分鐘，超聲功率為400w；將處理後的多塊板材按順序組對正裝在焊接夾具上，調整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；啟動控制開關，通入保護氣，再引燃電弧1~2s後，發射雷射a，利用一束雷射束的光斑從鋁合金/鋼對接兩邊向中心進行預熱，焊接電流9a，功率為3.2kw；預熱時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為34l/min，壓強為0.5mpa；再次引燃電弧2s後，發射雷射，將連續雷射器a、連續雷射器b發出的雷射採用光感耦合技術匯合成一束雷射束，使噴射丙酮的高壓氣槍與連續雷射器a、連續雷射器b一起移動；其中高壓氣槍首先對金屬待焊件進行清洗，然後連續雷射器a、連續雷射器b發射出的複合雷射再對金屬待焊件進行焊接；焊接時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為34l/min，壓強為0.5mpa；雷射a的功率為3.2kw；焊接速度4.6m/min，離焦量δf＝+3mm；雷射b的功率為2.1kw；焊接速度4.6m/min，離焦量δf＝+3mm。實施例3一種減少雷射焊接氣孔的方法，包括以下步驟：分別選取厚度為3mm的錳鋼和厚度為3mm的馬氏體不鏽鋼；打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區域，去除表面氧化層及汙染物打磨範圍為焊縫周邊40-60mm範圍內的區域，打磨深度不超過0.2mm，且打磨紋路平行於焊縫方向；將打磨後的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然後放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時間為15分鐘，超聲功率為400w；將處理後的多塊板材按順序組對正裝在焊接夾具上，調整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；啟動控制開關，通入保護氣，再引燃電弧1~2s後，發射雷射a，利用一束雷射束的光斑從鋁合金/鋼對接兩邊向中心進行預熱，焊接電流8a，功率為2.9kw；預熱時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為30l/min，壓強為0.4mpa；再次引燃電弧2s後，發射雷射，將連續雷射器a、連續雷射器b發出的雷射採用光感耦合技術匯合成一束雷射束，使噴射丙酮的高壓氣槍與連續雷射器a、連續雷射器b一起移動；其中高壓氣槍首先對金屬待焊件進行清洗，然後連續雷射器a、連續雷射器b發射出的複合雷射再對金屬待焊件進行焊接；焊接時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為30/min，壓強為0.4mpa；雷射a的功率為2.9kw；焊接速度5.5m/min，離焦量δf＝+3mm；雷射b的功率為1.6kw；焊接速度5.5m/min，離焦量δf＝+3mm。實施例4一種減少雷射焊接氣孔的方法，包括以下步驟：分別選取厚度為2mm的黃銅和厚度為1mm的馬氏體不鏽鋼；打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區域，去除表面氧化層及汙染物打磨範圍為焊縫周邊40-60mm範圍內的區域，打磨深度不超過0.2mm，且打磨紋路平行於焊縫方向；將打磨後的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然後放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時間為15分鐘，超聲功率為400w；將處理後的多塊板材按順序組對正裝在焊接夾具上，調整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；啟動控制開關，通入保護氣，再引燃電弧1~2s後，發射雷射a，利用一束雷射束的光斑從鋁合金/鋼對接兩邊向中心進行預熱，焊接電流7a，功率為2.7kw；預熱時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為28l/min，壓強為0.2mpa；再次引燃電弧2s後，發射雷射，將連續雷射器a、連續雷射器b發出的雷射採用光感耦合技術匯合成一束雷射束，使噴射丙酮的高壓氣槍與連續雷射器a、連續雷射器b一起移動；其中高壓氣槍首先對金屬待焊件進行清洗，然後連續雷射器a、連續雷射器b發射出的複合雷射再對金屬待焊件進行焊接；焊接時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為28l/min，壓強為0.2mpa；雷射a的功率為2.7kw；焊接速度3.5m/min，離焦量δf＝+3mm；雷射b的功率為1.9kw；焊接速度3.5m/min，離焦量δf＝+3mm。實施例5一種減少雷射焊接氣孔的方法，包括以下步驟：分別選取厚度為3mm的青銅和厚度為2mm的馬氏體不鏽鋼；打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區域，去除表面氧化層及汙染物打磨範圍為焊縫周邊40-60mm範圍內的區域，打磨深度不超過0.2mm，且打磨紋路平行於焊縫方向；將打磨後的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然後放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時間為15分鐘，超聲功率為400w；將處理後的多塊板材按順序組對正裝在焊接夾具上，調整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；啟動控制開關，通入保護氣，再引燃電弧1~2s後，發射雷射a，利用一束雷射束的光斑從鋁合金/鋼對接兩邊向中心進行預熱，焊接電流5a，功率為2.4kw；預熱時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為25l/min，壓強為0.1mpa；再次引燃電弧2s後，發射雷射，將連續雷射器a、連續雷射器b發出的雷射採用光感耦合技術匯合成一束雷射束，使噴射丙酮的高壓氣槍與連續雷射器a、連續雷射器b一起移動；其中高壓氣槍首先對金屬待焊件進行清洗，然後連續雷射器a、連續雷射器b發射出的複合雷射再對金屬待焊件進行焊接；焊接時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為25l/min，壓強為0.1mpa；雷射a的功率為2.4kw；焊接速度4m/min，離焦量δf＝+3mm；雷射b的功率為1.6kw；焊接速度4m/min，離焦量δf＝+3mm。對比例1分別選取厚度為2mm的鋁合金和厚度為2mm的馬氏體不鏽鋼；打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區域，去除表面氧化層及汙染物打磨範圍為焊縫周邊40-60mm範圍內的區域，打磨深度不超過0.2mm，且打磨紋路平行於焊縫方向；將打磨後的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然後放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時間為15分鐘，超聲功率為400w；將處理後的多塊板材按順序組對正裝在焊接夾具上，調整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；啟動控制開關，通入保護氣，再引燃電弧2s後，發射雷射a，利用一束雷射束的光斑從鋁合金/鋼對接兩邊向中心進行預熱，焊接電流6a，功率為1kw；預熱時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為27l/min，壓強為0.3mpa；再次引燃電弧2s後，使連續雷射器a發射雷射，使噴射丙酮的高壓氣槍與連續雷射器a一起移動；其中高壓氣槍首先對金屬待焊件進行清洗，然後連續雷射器a發射出的雷射再對金屬待焊件進行焊接；焊接時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為27l/min，壓強為0.3mpa；雷射a的功率為2.6kw；焊接速度5m/min，離焦量δf＝+3mm。對比例2一種減少雷射焊接氣孔的方法，包括以下步驟：分別選取厚度為2mm的鋁合金和厚度為2mm的馬氏體不鏽鋼；打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區域，去除表面氧化層及汙染物打磨範圍為焊縫周邊40-60mm範圍內的區域，打磨深度不超過0.2mm，且打磨紋路平行於焊縫方向；將打磨後的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然後放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時間為15分鐘，超聲功率為400w；將處理後的多塊板材按順序組對正裝在焊接夾具上，調整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；啟動控制開關，通入保護氣，再引燃電弧1~2s後，發射雷射a，利用一束雷射束的光斑從鋁合金/鋼對接兩邊向中心進行預熱，焊接電流6a，功率為1kw；預熱時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為27l/min，壓強為0.3mpa；再次引燃電弧2s後，發射雷射，將連續雷射器a、連續雷射器b發出的雷射採用光感耦合技術匯合成一束雷射束；連續雷射器a、連續雷射器b發射出的複合雷射再對金屬待焊件進行焊接；焊接時以純度高於99.99％的氬氣作為保護氣體，氣流量為27l/min，壓強為0.3mpa；雷射a的功率為2.6kw；焊接速度5m/min，離焦量δf＝+3mm；雷射b的功率為1.8kw；焊接速度5m/min，離焦量δf＝+3mm。採用x光檢測實施例1~5和對比例1~2中焊件的焊縫中的氣孔率，實驗結果如表1所示。氣孔率實施例10實施例20實施例30實施例40實施例50對比例12.45%對比例21.26%當前第1頁12