CN103264225A - 一种激光对接焊工艺参数的优化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光对接焊工艺参数的优化方法和装置，首先建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，然后在焊接试块的表面进行超声波检测，通过激光对接焊正交试验获得检测的超声波回波特征与特征波形库峰度系数比对分析，获得最优的激光对接焊工艺参数。装置包括由控制装置、Nd:YAG激光发生器、激光束、导光管、全反镜、光斑调节装置、对接焊焊头、工件、工件夹具***和三轴工作台组成的焊接试验装置和由试验台、待测焊接完成工件、超声波探伤仪、探头、耦合液和计算机组成的焊件超声波检测装置。本发明能够快速优化激光对接焊工艺参数、降低检测成本，可应用于激光对接焊工艺参数优化。

Description

一种激光对接焊工艺参数的优化方法和装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光对接焊工艺参数优化的方法和装置。

背景技术

纯铝中经常加入合金元素，例如：硅、铜、镁、锌、镉、钛、镍、锶、钴以及稀土金属等，制成各种铝合金，通过改变其组织性能和结构，使之成为广泛应用的轻金属材料。随着铝合金在汽车、造船、国防、航空航天、娱乐和体育器材等制造领域越来越广泛的运用，轻金属的焊接技术也越来越显示其重要性。随着焊接技术的不断发展，焊接的材料的结构变化，铝合金更加显示其的优越性：具有良好的耐蚀性、导电性、导热性和高的比强度，因而被广泛的运用到焊接领域。

由于铝合金应用范围的特殊性使得对其抗拉强度要求高，而且对裂纹、夹渣、缩松、气孔等缺陷有严格的限制。激光焊接是利用高能量密度的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。并由于材料的焊接是一个快速而不均匀的热循环过程，而且都是在极快的条件下进行的，如果成形工艺控制不当，很容易引起焊件变形, 在成形件中形成裂纹，直接影响焊接结构的质量和使用性能。

超声波检测是国内外应用最广使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。超声探伤波检测是利用超声波在介质中传播时产生衰减，遇到界面产生反射的性质来检测缺陷无损检测的技术，目前广泛应用在各种尺寸的锻件、轧制件、焊接焊缝和某些铸件等方面。现有技术中优化激光对接焊工艺参数成本高、效率低。

 

发明内容

本发明的目的是要提供一种激光对接焊工艺参数的优化方法和装置，为激光对接焊工艺参数优化提供了一种使用有效的方法，能够快速优化激光对接焊工艺参数、降低检测成本，给工程实际提供理论指导。

 

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种激光对接焊工艺参数的优化方法，首先建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，其特征在于：还包括在焊接试块的表面进行超声波检测，通过激光对接焊正交试验获得检测的超声波回波特征与特征波形库峰度系数比对分析，获得最优的激光对接焊工艺参数，具体步骤如下：

步骤一，根据对接焊工件的参数要求，通过控制装置(1)编程生成激光对接焊焊接工 艺参数；通过激光对接焊初期试验，确定激光对接焊的激光频率、激光电压、激光离焦量和焊接平台移动速度的工艺参数焊接参数范围；

步骤二，根据上述确定的参数变化的范围，利用控制装置(1)控制激光器(2)的参数和三轴联动工作台(11)对工件进行对接焊试验。根据初期对接焊试验得到的对接焊参数范围，在此范围内，通过控制装置(1)控制对激光器(2)参数和三轴联动工作台(11)进行正交试验，直到焊接完成；

步骤三，用砂纸将对接焊完成的工件（以下用焊件代替）表面打磨平整，并用丙酮清洗打磨表面，以去除氧化膜、污垢、毛刺等杂物；

步骤四，设置超声波探伤仪参数，分别设置扫描方式、探头角度、探头类型可以为单晶或者双晶探头、探头频率、阻尼大小、扫描范围，延迟时间、检波模式、脉冲类型等，准备好偶合液；对超声波探伤仪探头进行校准，并可以获得超声波在焊件中的传播速度；此时，用超声波在焊件中的传播速度和焊件的厚度，可以计算出超声波在试块中传播时间；

步骤五，采用双晶直探头对试块进行探伤，将探头放在试块上面，利用超声波探伤仪对焊接试块分别探伤，获得焊件的超声波波形图；利用线切割方法将焊件沿着横截面切开，采用标准金相试样制备工序制成试样，采用激光共聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相组织图，然后建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，利用经验波形分析法建立焊缝各种形态对应的典型特征波形库；

步骤六，对所有激光对接焊正交试验的焊件进行超声波回波检测，得到不同焊接工艺参数下超声波回波特征，与特征波形库的回波特征对比分析，从而获得对接焊的最佳工艺参数。

对接焊的焊接区域是等宽的。

所述的激光对接焊工艺参数要求主要是指激光器电压、激光离焦量和焊接平台移动速度。

所述的经验波形分析法是指通过对超声波的第一次、第二次和第三次回波的波幅，超声波在有缺陷的试块传播特性以及接收波频率实质上是衰减值的一个表征来判断的。

一种实现所述激光对接焊工艺参数优化方法的装置，包括焊件超声波检测装置包括依次相连的试验工作台(12)、焊件(13)、检测***，其中检测***包括超声波探伤仪(15)、双晶直探头(16)、耦合液(14)、超声波回波(17)、焊缝(18)、焊接区域(19)、热影响区(20) 和计算机(21)，其特征在于，还包括对接焊试验装置：控制装置(1)、安装在三轴工作台(11)上的工具夹具***(10)、被工具夹具***(10)夹持的工件(9)、和光路***；所述光路***包括依次相连的激光发生器(2)、激光束(3)、导光管(4)、全反镜(5)、光斑大小调节装置(6)、激光器焊头(7)，控制装置(1)并行控制激光发生器(2)以及三轴工作台(11)、控制工件(9)表面加工点和激光器的焊头(7)的相对位置，即通过控制装置(1)编程和激光工艺参数实现激光对接焊。

附图说明

图1为金属试块激光对接焊试验焊接装置；

图2为金属对接焊试块的超声波检测装置；

图3是对焊接质量高的试块进行探伤而得到的激光对接焊焊缝超声波回波波形图；

图4是对具有冷却焊缝的试块进行探伤而得到的激光对接焊焊缝超声波回波波形；

图5是缺陷严重的试块进行探伤而得到的激光对接焊焊缝超声波回波波形；

图6是无明显缺陷试块的焊缝截面金相图；

图7是有明显缺陷试块的焊缝截面金相图；

图8是焊接质量差的试块的焊缝截面金相图；

图9为激光对接焊质量好的焊件超声波回波特征图；

图10 中a为焊接移动速度分别为90 mm/min激光对接焊焊缝的超声波回波波形图，b为对应的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图；

图11中，c为焊接移动速度分别为100 mm/min激光对接焊焊缝的超声波回波波形图，d为对应的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图；

图12 中e为焊接移动速度分别为110 mm/min激光对接焊焊缝的超声波回波波形图，f为对应的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图；

图13 中g为焊接移动速度分别为120 mm/min激光对接焊焊缝的超声波回波波形图，h为对应的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图；

图14中a、图15中c 、图16中e、图17中g分别是激光脉宽为2 ms，激光器频率为30 Hz，激光正离焦量为6 mm，焊接平台移动速度为110 mm/min条件下激光器电压分别为450 V、460 V、470 V和 480 V时所对应的激光对接焊焊缝超声波回波波形图；

图14中b、图15中d 、图16中f、图17中h分别是图14中a、图15中c 、图16中e、图17中g所对应的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图；

图18中a、图19中c 、图20中e、图21中g是激光脉宽为2 ms，脉冲激光频率为30 Hz，激光电压为460 V，焊接移动速度为110 mm/min条件下激光正离焦量分别为4 mm、5 mm、6 mm和7 mm时所对应的激光对接焊焊缝超声波回波波形图；

图18中b、图19中d 、图20中f、图21中h分别是图18中a、图19中c 、图20中e、图21中g所对应的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图。

图中：1.控制装置 2.激光发生器 3. 激光束 4.导光管 5.全反镜 6. 光斑大小调节装置 7. 激光器焊头 8.对接焊区域 9.工件  10.工件夹具***11.三轴工作台 12.试验平台 13.焊件 14.耦合液 15.超声波探伤仪显示装备 16.双晶直探头 17.工件中超声波回波 18.焊缝 19.焊接区域 20. 热影响区域 21.计算机。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

实施例一：

激光对接焊焊缝内部缺陷的超声波检测方法的具体步骤如下：

（1）根据对接焊工件的参数要求，通过控制装置1编程生成激光对接焊焊接工 艺参数；通过激光对接焊初期试验，确定激光对接焊的激光频率、激光电压、激光离焦量和焊接平台移动速度的工艺参数焊接参数范围；

（2）根据上述确定的参数变化的范围，利用控制装置1控制激光器2的参数和三轴联动工作台11对工件进行对接焊试验。根据初期对接焊试验得到的对接焊参数范围，在此范围内，通过控制装置1控制对激光器2参数和三轴联动工作台11进行正交试验，直到焊接完成；

（3）用砂纸将对接焊完成的工件（以下用焊件代替）表面打磨平整，并用丙酮清洗打磨表面，以去除氧化膜、污垢、毛刺等杂物；

（4）设置超声波探伤仪参数，分别设置扫描方式、探头角度、探头类型（单晶或者双晶探头）、探头频率、阻尼大小、扫描范围，延迟时间、检波模式、脉冲类型等，准备好偶合液；对超声波探伤仪探头进行校准，并可以获得超声波在焊件中的传播速度；此时，用超声波在焊件中的传播速度和焊件的厚度，可以计算出超声波在试块中传播时间；

（5）采用双晶直探头对试块进行探伤，将探头放在试块上面，利用超声波探伤仪对焊接试块分别探伤，获得焊件的超声波波形图；利用线切割方法将焊件沿着横截面切开，采用标准金相试样制备工序制成试样，采用OLYMPUS OSL3000型激光共聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相组织图，然后建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，利用经验波形分析法建立焊缝各种形态对应的典型特征波形库；

（6）对所有激光对接焊正交试验的焊件进行超声波回波检测，得到不同焊接工艺参数下超声波回波特征，与特征波形库的回波特征对比分析，从而获得对接焊的最佳工艺参数。

实施例二：

用本发明进行优化激光对接焊工艺参数装置包括激光对接焊试验装置和试块超声波检测装置，对接焊试验装置包括依次相连的控制装置1、光路***、工具夹具***10、工件9和三轴工作台11，其中光路***包括依次相连的激光发生器2、激光束3、导光管4、全反镜5、光斑大小调节装置6，激光器焊头7，控制装置1并行控制激光发生器2以及三轴工作台11，控制工件9表面加工点和激光器的焊头7的相对位置，即通过控制装置编程1和激光工艺参数实现激光对接焊；试块超声波检测装置包括依次相连的试验工作台12、焊件13、检测***，其中检测***包括超声波探伤仪15、双晶直探头16、耦合液14、超声波回波17、焊缝18、焊接区域19、热影响区20和计算机21。确定合适激光对接焊工艺参数范围(包括激光器电压、激光离焦量和焊接平台移动速度等)，利用控制装置1能够并行控制激光发生器2以及三轴工作台11，能够控制工件9表面加工点和激光器焊头7的相对位置，即通过控制装置编程1和激光工艺参数实现激光对接焊试验。使用试块超声波检测***对对接焊完成试块13进行探伤，使用双晶直探头16对试块进行扫描，探头和试块之间使用耦合液14进行耦合，扫描结果在超声波探伤仪显示屏15上面显示。

以下为基于超声波回波特征的7075-T6铝合金激光对接焊工艺参数优化实例，首先根据对接焊材料特性试验获得了低功率脉冲Nd:YAG激光对接焊7075-T6铝合金工艺参数范围为：激光器电压                                                

=450-480 V，激光脉宽

=2 ms，焊接移动速度

=90-120 mm/min，激光正离焦量

=4-7 mm，激光频率

=30 Hz，然后通过控制激光器参数和焊接平台移动速度对试块进行多次对接焊试验，利用超声波探伤仪对试块进行探伤，记下各处的位置和对应的超声波回波图形，采用线切割沿测量各处垂直于焊缝切割，获得的焊缝横截面用200#、500#、800#、1200#、1500#砂纸依次进行打磨；用丙酮清洗打磨后的表面，除去表面的氧化膜、污垢、毛刺等杂物，按照标准金相试样制备工序对焊缝横截面用砂纸打磨、抛光、镶嵌，放于OLYMPUS OSL3000型激光共聚焦显微镜下拍摄焊缝截面金相图，然后建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，建立特征波形库，并获得了对接焊质量好的焊件超声波回波特征；最后采用正交试验（涉及激光器电压、激光离焦量和焊接平台移动速度）对合金板进行激光对接焊，同时采用超声波探伤仪获得对应的激光对接焊焊缝的回波特征集，并与特征波形库的回波特征进行比较，获得了低功率脉冲Nd:YAG激光对接焊7075-T6铝合金激光对接焊最优工艺参数为：110 mm/min焊接移动速度、6 mm激光正离焦量和460 V激光器电压。获得最优的激光对接焊工艺参数。

图3至图5是采用超声波探伤仪对不同试块进行探伤而得到的激光对接焊焊缝超声波回波波形图。从图3的激光对接焊焊缝回波波形图中，可以发现整个波形图规则有序，排列紧密，而且超声波的前几次回波清晰可见，相邻两个回波之间的间距相同，各个波峰宽度适中，都是单峰，无明显的小枝峰，第一次回波幅度也比较高，第二次、第三次回波相对前一次回波的波峰逐渐降低，降低幅度呈一定线性，通过对波形信号的判断和利用经验回波分析得到此试块激光对接焊焊接质量高，无明显缺陷。从图4的激光对接焊焊缝回波波形图中，可以发现超声波的第一次回波的波形幅度很低、首波平缓、幅值小，超声波第二次回波比第一次回波还要高，而且波形呈折线状，端部较细，表明该试块由于由残余应力偏大和金属内部组织偏硬引起的冷却焊缝。从图5的激光对接焊焊缝回波波形图中，可以发现超声波的第一次、第二次、第三次回波的波形幅度很低、首波平缓、幅值小、向后延迟，从第三次回波之后出现了回波检测不到的现象，这表明超声波在试块传播中遇到了较大的缺陷，出现了很明显的散射。超声波是具有多种频率成分的机械波，在缺陷试块中传播过程中，不同频率成分的超声波的衰减程度不同，其高频部分比较低频部分衰减严重，从而使接收波的主频向低频端漂移，其漂移幅值与试块的缺陷程度有关。所以，接收波频率实质上是衰减值的一个表征。通过主频的漂移情况分析可辅助判断缺陷的程度，主频愈低，试块的缺陷愈严重。

图6至图8是不同试块的焊缝截面金相图，他们分别对应图3至图5的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图。从图6的激光共聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图中可以发现试块组织形貌平整，没有明显的缺陷，焊接区、热影响区以及基体的区域显示很明显，过渡很均匀，这说明试件激光对接焊时受热比较均匀，由此得出：对应的激光对接焊试块焊接质量高，无明显的缺陷。从图7的激光共聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图中可以发现在激光焊接区出现了裂纹，这是由于激光焊接过程中试件的受热不均匀导致产生的；而且激光焊接热影响区显示不明显，焊接区和热影响区的区域区分不明显，整个焊缝界面的组织形貌显示不够平整。由此得出：对应的激光对接焊试块焊接质量不高，有明显的缺陷。从图8的激光共聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图中可以发现激光对接焊形成的焊缝截面有许多宽而深裂纹和缩孔。激光对接焊焊接区和热影响区区分不明显，整个焊接区域比较杂乱无规则。由此得出：对应的激光对接焊试块焊接质量差，有明显的缺陷。

图9为激光对接焊质量好的焊件超声波回波特征图。其特征为整个波形图规则有序，排列紧密，而且超声波的前几次回波清晰可见，相邻两个回波之间的间距相同，各个波峰宽度适中，都是单峰，无明显的小枝峰，第一次回波幅度也比较高，第二次、第三次回波相对前一次回波的波峰逐渐降低，降低幅度呈一定线性。

图10至图13为7075-T6铝合金激光对接焊不同焊接移动速度下的焊缝内部缺陷的超声波波形图和焊缝截面金相图。图10中a、图11中c、图12中e、图13中g为激光脉宽为2 ms，脉冲激光频率为30 Hz，激光正离焦量为6 mm，电压为460 V条件下，焊接移动速度分别为90 mm/min、100 mm/min、110 mm/min、120 mm/min时所对应的激光对接焊焊缝的超声波回波波形图；图10中b、图11中d、图12中f、图13中h是图10中a、图11中c、图12中e、图13中g所对应的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图。由特征波形库可以得出在激光正离焦量为6 mm，激光脉宽为2 ms，脉冲激光频率为30 Hz，激光器电压为460 V保持不变时，当焊接移动速度为110 mm/min时，对应的激光对接焊质量高。

图14至图17为7075-T6铝合金激光对接焊不同激光器电压下的焊缝内部缺陷的超声波波形图和焊缝截面金相图；图14中a、图15中c 、图16中e、图17中g分别是激光脉宽为2 ms，激光器频率为30 Hz，激光正离焦量为6 mm，焊接平台移动速度为110 mm/min条件下激光器电压分别为450 V、460 V、470 V和 480 V时所对应的激光对接焊焊缝超声波回波波形图；图14中b、图15中d 、图16中f、图17中h分别是图14中a、图15中c 、图16中e、图17中g所对应的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图。由波形特征库可以得出在激光脉宽为2 ms，激光正离焦量为6 mm，脉冲激光频率为30 Hz，焊接的移动速度为110 mm/min保持不变时，当激光器电压为460 V时，对应的激光对接焊质量高。

图18至图21为7075-T6铝合金激光对接焊不同激光离焦量下的焊缝内部缺陷的超声波波形图和焊缝截面金相图。图18中a、图19中c 、图20中e、图21中g是激光脉宽为2 ms，脉冲激光频率为30 Hz，激光电压为460 V，焊接移动速度为110 mm/min条件下激光正离焦量分别为4 mm、5 mm、6 mm和7 mm时所对应的激光对接焊焊缝超声波回波波形图；图18中b、图19中d 、图20中f、图21中h分别是图18中a、图19中c 、图20中e、图21中g所对应的激光对接焊焊缝的聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相图。由波形特征库可以得出在激光器电压为460 V，激光脉宽为2 ms，脉冲激光频率为30 Hz，焊接的移动速度为110 mm/min保持不变时，当激光正离焦量为6 mm时，对应的激光对接焊质量高。

Claims (5)

1.一种激光对接焊工艺参数的优化方法，首先建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，其特征在于：还包括在焊接试块的表面进行超声波检测，通过激光对接焊正交试验获得检测的超声波回波特征与特征波形库峰度系数比对分析，获得最优的激光对接焊工艺参数，具体步骤如下：

步骤一，根据对接焊工件的参数要求，通过控制装置(1)编程生成激光对接焊焊接工 艺参数；通过激光对接焊初期试验，确定激光对接焊的激光频率、激光电压、激光离焦量和焊接平台移动速度的工艺参数焊接参数范围；

步骤二，根据上述确定的参数变化的范围，利用控制装置(1)控制激光器(2)的参数和三轴联动工作台(11)对工件进行对接焊试验；

根据初期对接焊试验得到的对接焊参数范围，在此范围内，通过控制装置(1)控制对激光器(2)参数和三轴联动工作台(11)进行正交试验，直到焊接完成；

步骤三，用砂纸将对接焊完成的工件（以下用焊件代替）表面打磨平整，并用丙酮清洗打磨表面，以去除氧化膜、污垢、毛刺等杂物；

步骤四，设置超声波探伤仪参数，分别设置扫描方式、探头角度、探头类型（单晶或者双晶探头）、探头频率、阻尼大小、扫描范围，延迟时间、检波模式、脉冲类型等，准备好偶合液；对超声波探伤仪探头进行校准，并可以获得超声波在焊件中的传播速度；此时，用超声波在焊件中的传播速度和焊件的厚度，可以计算出超声波在试块中传播时间；

步骤五，采用双晶直探头对试块进行探伤，将探头放在试块上面，利用超声波探伤仪对焊接试块分别探伤，获得焊件的超声波波形图；利用线切割方法将焊件沿着横截面切开，采用标准金相试样制备工序制成试样，采用激光共聚焦显微镜拍摄焊缝截面金相组织图，然后建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，利用经验波形分析法建立焊缝各种形态对应的典型特征波形库；

步骤六，对所有激光对接焊正交试验的焊件进行超声波回波检测，得到不同焊接工艺参数下超声波回波特征，与特征波形库的回波特征对比分析，从而获得对接焊的最佳工艺参数。

2.一种如权利要求1所述的激光对接焊工艺参数的优化方法，其特征在于：对接焊的焊接区域是等宽的。

3.一种如权利要求1所述的激光对接焊工艺参数的优化方法，其特征在于：所述的激光对接焊工艺参数要求主要是指激光器电压、激光离焦量和焊接平台移动速度。

4.一种如权利要求1所述的激光对接焊工艺参数的优化方法，其特征在于：所述的经验波形分析法是指通过对超声波的第一次、第二次和第三次回波的波幅，超声波在有缺陷的试块传播特性以及接收波频率实质上是衰减值的一个表征来判断的。

5.一种实施权利要求1所述的激光对接焊工艺参数优化方法的装置，包括焊件超声波检测装置包括依次相连的试验工作台(12)、焊件(13)、检测***，其中检测***包括超声波探伤仪(15)、双晶直探头(16)、耦合液(14)、超声波回波(17)、焊缝(18)、焊接区域(19)、热影响区(20) 和计算机(21)，其特征在于，还包括对接焊试验装置：控制装置(1)、安装在三轴工作台(11)上的工具夹具***(10)、被工具夹具***(10)夹持的工件(9)、和光路***；所述光路***包括依次相连的激光发生器(2)、激光束(3)、导光管(4)、全反镜(5)、光斑大小调节装置(6)、激光器焊头(7)，控制装置(1)并行控制激光发生器(2)以及三轴工作台(11)、控制工件(9)表面加工点和激光器的焊头(7)的相对位置，即通过控制装置(1)编程和激光工艺参数实现激光对接焊。

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