CN103418917B - 一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：步骤1：第一母材(1)和第二母材(2)加工形成坡口的对接端面和坡口面；步骤2：将除去氧化膜的金属固体装入金属熔融装置中，然后在惰性保护气体保护下，将加入的除去氧化膜的金属固体加热成为熔融金属液；步骤3：熔融金属液从金属熔融装置中经喷枪(4)喷射到底部坡口中；步骤4：在喷枪启动喷射后，激光束(3)垂直辐射工件上表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在第一母材(1)和第二母材(2)上，激光束(3)与喷枪(4)同步移动，完成焊接过程。在本发明中，由于小孔底部未熔透，避免了激光穿透焊接小孔内蒸汽压力和熔池重力导致的熔池下流而形成焊缝塌陷和下掉。
Description
发明领域
本发明涉及一种激光焊接方法，尤其涉及一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法。
背景发明
对于厚度超过20mm或30mm板材进行平焊接头时，目前通常采用电弧焊接、电子束焊接、激光焊接等。
当采用传统的电弧焊接方法时，焊接工件需要开设坡口，并进行多层多道施焊，焊接效率低，焊工劳动强度大，且焊后变形大，需要后续机加工；采用电子束焊接方法时，需要真空气氛，局限于结构较小的试件焊接。
随着近来超高功率高亮度激光的研制成功，使得采用激光单道焊接厚板成为可能。激光深熔焊接类似于电子束焊接，可以获得大深宽比的焊缝。然而单纯的激光焊接(激光自熔焊接)大厚度平焊接头，易产生塌陷和下掉等缺陷，“PA position fullpenetration high power laser beam welding of up to 30mm thick AlMg3 plates usingelectromagnetic weld pool support”，science and technology of welding and joining2012(17)，(“采用电磁熔池辅助***高功率激光穿透焊接水平位置30mm厚AlMg3板”，《焊接与连接科学技术》2012(17))文中指出在平焊厚板试件下方设置电磁场，产生向上的洛伦兹力来克服重力，进而抑制重力作用下的熔池下掉。然而熔池重力对熔池塌陷和下掉只是一个较小的影响因素。
在2011年12月12日申请的，申请号为“201110410448.7”，发明名称为“大型罐体单面焊接双面成型方法及焊缝成型衬垫”的发明专利公开了一种大型罐体衬垫焊方法及衬垫，其解决了大型罐体单面焊接双面成型的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：为了获得较好的成形，必须在衬垫上开始足够大的焊缝成形槽，从而底部焊缝很宽。
在2012年10月3日公开的，公开号为“CN 102019481 B”，发明名称为“一种高强度船体结构用钢平对接焊焊接工艺方法”的发明专利公开了一种平对接焊工艺方法，其解决了高强度船体结构用钢平对接焊焊接坡口、焊前预热、施焊温度、焊接顺序、焊接规范参数、焊后冷处理的工艺规范，但是该技术方案仍旧存在以下问题：需要开设双V形坡口，生产效率低，生产实际中难以严格控制道间温度。
1984年12月27日公开的，公开号为“JP59-232690A”，发明名称为“熔接方法”的发明专利公开了一种圆形零件的焊接方法，具体地，外侧采用激光焊接，焊缝熔深距试件下表面2mm，内侧采用TIG电弧焊接，电弧焊接焊缝与激光焊缝搭接约1mm。其解决了圆形零件单面焊接底部易凸起或欠熔透，需要后续处理的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：电弧焊接热输入量较大，激光焊缝底部会再次加热熔化，产生组织变化，影响焊缝性能且生产效率低。
1995年8月15日公开的，公开号为“JP07-214316A”，发明名称为“片面自動熔接方法及装置”的发明专利公开了一种单面自动焊接方法和装置，其解决了从背面实时获取焊缝底部成形，通过图像处理反馈控制焊接参数来获得没有塌陷的稳定熔透焊缝，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法只能使用于薄板焊接和传统弧焊方法，对于激光焊接厚板由于熔池内部流动和巨大熔池自重的影响难以通过简单的工艺参数调整而实时消除塌陷缺陷。
发明内容
本发明的目的是解决目前超高功率激光(>15kW)自熔焊接大厚度板(>20mm)平焊接头，深熔穿透焊接成形过程中，出现的塌陷和下掉等焊接缺陷。
本发明的技术方案是提供一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：
步骤1：第一母材和第二母材加工形成坡口的对接端面和坡口面，除去第一母材和第二母材上下表面、坡口对接面和坡口面上杂质；
步骤2：将除去氧化膜的金属固体装入金属熔融装置中，然后在惰性保护气体保护下，将加入的除去氧化膜的金属固体加热成为熔融金属液；
步骤3：熔融金属液从金属熔融装置中经喷枪喷射到底部坡口中，喷枪与工件下表面所成角度α为15°～60°，移动速度为0.5m/min～10m/min；
步骤4：在激光束辐照工件后，喷枪启动喷射，激光束垂直辐射工件上表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在第一母材和第二母材上，激光束与喷枪同步移动，完成焊接过程。
进一步地，在步骤3中，喷枪与第一母材或第二母材下表面所成角度α为15°～60°，移动速度为0.5m/min～10m/min。
进一步地，在步骤4中，喷射到坡口中的熔融金属前沿与激光束(3)中心保持一定距离δ。
进一步地，距离δ为2mm～5mm。
进一步地，步骤1中，坡口面与母材对接端面的夹角为45度。
进一步地，步骤3中，熔融金属液以速度为1m/min～1000m/min从金属熔融装置中经喷枪(4)喷射到底部坡口。
进一步地，金属固体为与母材同质的材料。
进一步地，金属固体以母材同质材料为主，同时将稀土元素镧和铈以100：1混合经高能球磨处理10小时后得到的混合粉末，加入熔融后的熔融金属液中。
进一步地，该方法适用于厚板平对接焊或平角接焊接头。
本发明的有益效果是：
1)在本发明中，由于小孔底部未熔透，避免了激光穿透焊接小孔内蒸汽压力和熔池重力导致的熔池下流而形成焊缝塌陷和下掉；
2)本发明的技术方案避免了激光穿透焊接激光能量穿过小孔产生的溢出损失，提高激光的能量利用率25％以上，因此，在获得同样焊缝熔深的情况下，可以减小激光功率，从而降低成本；
3)采用本发明方法施焊大大降低了平对接接头的装配间隙要求，最大间隙可以到达2mm左右；
4)采用本发明提供的激光与熔融金属复合焊接方法，避免了传统电弧高温引起焊接缺陷，焊件变形、焊接裂纹以及残余应力等焊接缺陷大大减少，对大厚度大结构件焊接后无需后续机加工。
5)采用本发明提供的激光与熔融金属复合焊接方法，可以精确控制厚板焊缝的成型形貌，如熔宽、余高等，可以推广应用到厚板横焊、立焊和全位置焊接等过程中，适应性强。
6)在实验过程中，实验人员发现熔融金属液以速度为1m/min～1000m/min喷出时，熔融金属的温度最适合激光焊接，其焊接接口异常平滑，出现了意料不到的技术效果。
附图说明
图1是本发明所述激光与熔融金属复合焊接板材的方法示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是单一激光束焊接的焊缝示意图；
图4是本发明方法焊接的焊缝示意图；
图5是实施方式二的示意图；
图6是实施方式二的焊缝示意图；
图7是本发明中熔融金属喷射装置示意图；
其中：1-第一母材，2-第二母材，3-激光束，4-喷枪，5-第三母材，6-第四母材。
具体实施方式
以下将结合着附图1-6对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，焊接工件为厚度超过20mm厚的大结构板材，并在母材底部开始一定形状的坡口，组成平对接焊缝，坡口夹角为90°。激光束垂直入射在工件上表面实现深熔焊接，底部同步喷射与母材同种材质的熔融金属，实现大厚度平对接接头激光与熔融金属复合焊接连接。
该实施例中，激光与熔融金属复合焊接板材的方法包括以下几个步骤：
步骤1：第一母材1和第二母材2端面分别加工成(2.5mm～5mm)×45°倒角，获得单边坡口，并除去第一母材1和第二母材2上下表面、坡口对接面和坡口面上杂质，这些杂质包括水渍、油污、铁锈等对焊接质量有影响的杂物。
步骤2：将除去氧化膜的金属固体装入金属熔融装置中，然后在惰性保护气体保护下将加入的除去氧化膜的金属固体加热至熔融。
步骤3：熔融金属液以速度为1m/min～1000m/min从金属熔融装置中经喷枪4喷射到底部坡口中，喷枪与工件下表面所成角度α为15°～60°，移动速度为0.5m/min～10m/min。
如图2所示，在激光辐照材料后一定时间开始喷射，以保证喷射到坡口中的熔融金属前沿与激光束3中心保持距离δ，在该实施例中，δ为2mm～5mm。
在该实施例中，由于激光焊接小孔底部是固态金属，从而小孔内部高压蒸汽压力将不再冲击小孔前沿和底部熔池向下流动，而是在小孔底部变道向后流动。
步骤4：激光束3垂直辐射工件上表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在第一母材1和第二母材2上，且与喷枪同步移动。
该实施例中，激光功率密度大于106W/cm2，形成深入材料内部的焊接小孔，焊接小孔内部充满高压高速金属蒸汽和等离子体，激光束直接传递到小孔底部，获得大熔深焊缝。
本实施例中，通过精确控制激光束3功率，获得准确的未穿透焊接熔深。在该技术方案中焊接速度为0.5m/min～10m/min。从而实现大厚度平对接焊缝的优质连接。
图3和图4分别显示了采用不同焊接方法焊接厚板平对接接头工件的焊缝形貌。在采用单一激光束从对接焊缝上表面进行穿透焊接时，虽然操作简单且柔性高，但是焊接过程中需严格保证第一母材1和第二母材2之间的装配间隙，且在大厚度板超高功率激光深熔焊接过程，在小孔内巨大的蒸汽压力和熔池自身重力作用下，焊缝熔池流出熔池，导致焊缝严重塌陷和下掉，因此其焊缝成形如图3所示。
如图4所示，采用本发明提出的焊接方法从平对接焊缝的上表面和下表面进行激光与熔融金属复合同步施焊时，焊缝底部坡口内填充了由喷枪4喷射到底部坡口中液态熔融金属，避免了小孔内高压蒸汽压力向下驱动熔融金属向下流动，造成焊缝塌陷和下掉。
在本发明的技术方案中，金属固体熔融的金属固体可以为焊接的母材，优选地，将稀土元素镧和铈以100：1混合经高能球磨处理10小时后得到的混合粉末，加入熔融后的熔融金属中，可以明显改善熔融金属与空气界面的表面张力能，从而获得极佳的焊缝底部成形，试验表明这一方法对表面张力较低的母材，如铝合金，镁合金会取得意料不到的技术效果。
具体实施方式2：
结合附图5-6对本发明的另一个实施方式进行详细说明。
如图5所示，焊接工件为厚度超过20mm厚的大结构板材，组成平角接焊缝，水平试件底部坡口夹角为45°。激光束垂直入射在工件上表面实现深熔焊接，底部同步喷射与母材同种材质的熔融金属，实现大厚度平角接接头激光与熔融金属复合焊接连接。
该实施例中，激光与熔融金属复合焊接板材的方法包括以下几个步骤：
步骤1：第四母材6端面加工成(2mm～5mm)×45°倒角，获得单边坡口，并除去第四母材6上下表面、坡口对接面和坡口面上杂质；除去第三母材5侧表面、上端面上杂质，这些杂质包括水渍、油污、铁锈等对焊接质量有影响的杂物。
步骤2：将除去氧化膜的金属固体装入金属熔融装置中，然后在惰性保护气体保护下将加入的除去氧化膜的金属固体加热至熔融。
步骤3：熔融金属液以速度为1m/min～1000m/min从金属熔融装置中经喷枪4喷射到底部坡口中，喷枪与第四母材6下表面所成角度α为15°～60°，与第三母材5侧面所成角度β为15°～45°，移动速度为0.5m/min～10m/min。
与实施方式一(图2)相同，在激光辐照材料后一定时间开始喷射，以保证喷射到坡口中的熔融金属前沿与激光束3中心保持距离δ，在该实施例中，δ为2mm～5mm。
其余步骤同实施方式一。
最终获得的焊缝成形如图6所示。
如图7所示，在该技术方案中，熔融金属通过适当压力的惰性气体(压力1bar-3bar)从喷口(直径0.5mm-2mm)挤出熔融金属柱，同时周围三个小孔喷射的三柱高压惰性气体(压力3bar-5bar)在中心点汇聚，加速推动熔融金属柱喷向坡口位置。在高压和喷嘴方向的控制下，熔融金属可以从任意角度向母材喷射。
此外，由图2可知，三柱高压气体先汇聚，后发散，稳定汇聚的长度d1较小，因此要限定喷枪与坡口之间的距离d为10mm-30mm。
尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。
Claims (8)
1.一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：
步骤1：第一母材(1)和第二母材(2)加工形成坡口的对接端面和坡口面，除去第一母材(1)和第二母材(2)上下表面、坡口对接面和坡口面上杂质；
步骤2：将除去氧化膜的金属固体装入金属熔融装置中，然后在惰性保护气体保护下，将加入的除去氧化膜的金属固体加热成为熔融金属液；
步骤3：熔融金属液从金属熔融装置中经喷枪(4)喷射到底部坡口中，喷枪与工件下表面所成角度α为15°～60°，移动速度为0.5m/min～10m/min；
步骤4：在激光束辐照工件后，喷枪启动喷射，激光束(3)垂直辐射工件上表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在第一母材(1)和第二母材(2)上，激光束(3)与喷枪(4)同步移动，完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：在步骤4中，喷射到坡口中的熔融金属前沿与激光束(3)中心保持一定距离δ。
3.根据权利要求2所述的激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：距离δ为2mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：步骤1中，坡口面与母材对接端面的夹角为45度。
5.根据权利要求1所述的激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：步骤3中，熔融金属液以速度为1m/min～1000m/min从金属熔融装置中经喷枪(4)喷射到底部坡口。
6.根据权利要求1所述的激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：金属固体为与母材同质的材料。
7.根据权利要求1所述的激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：金属固体以母材同质材料为主，同时将稀土元素镧和铈以100：1混合经高能球磨处理10小时后得到的混合粉末，加入熔融后的熔融金属液中。
8.根据权利要求1所述的激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其特征在于：该方法适用于厚板平对接焊或平角接焊接头。
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