CN107414323A - 评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法 - Google Patents

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张林杰
卢广峰
宁杰
杨健楠
白清林
裴俊宇
刘江哲
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    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
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Abstract

本发明公开了一种评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法，包括：1)选取高反射率材料试板，然后除去高反射率材料试板表面的氧化皮层；2)对高反射率材料试板表面进行功率正弦调制的激光深熔焊接；3)获取功率正弦调制的激光深熔焊接在高反射率材料试板表面上形成的焊缝熔深，再将高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图进行对比，并根据对比的结果评估正弦调制对高反射率材料激光焊的激光能量耦合行为的影响，该方法能够评估正弦调制对高反射率材料激光焊的激光能量耦合行为的影响。

Description

评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法。
背景技术
镁及镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼性和导热性优良等特点，广泛地应用与冶金、建材和航空航天等领域；铝合金具有较高的比强度、比刚度，良好的耐腐蚀性能、加工性能和力学性能，已成为航空航天、舰船等载运领域结构轻量化制造不可或缺的金属材料；铜合金具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性和延展性，在石油化工、船舶和电力***得到广泛应用。但镁合金、铝合金和铜合金等高反射率材料在激光焊接过程中反射率较高，造成较大的激光能量的损失，导致生产效率的下降，并且较高的反射率同样降低了焊接过程的稳定性。已有研究表明在镁合金、铝合金及铜合金等高反射率材料激光焊接中，通过采用适当的功率调制措施可以增大熔深、减少飞溅和气孔等缺陷。
Kaplan的研究表明随着小孔深度和小孔深宽比的增大，激光束在小孔内的反射次数增多，从而会使激光能量的吸收效率增大。
Zhang等人发现通过功率正弦调制可以显著改善AZ31镁合金激光焊接过程的熔深和热效率。
Andreas Heider等人发现对激光功率正弦调制后不仅能够显著提高高反射率紫铜激光焊焊缝的熔深，而且能够减少紫铜光纤激光焊接(FLW)中的气孔和飞溅。
Andreas Heider等人采用X射线高速摄影技术观测发现在合适的调制频率下紫铜FLW过程中小孔的稳定性被显著地改善。
Zhang等人用射线追踪法(ray-tracing method)分析了材料反射率对激光深熔焊中小孔内部孔深方向激光能量分配的影响，结果表明材料反射率较大时易导致孔深方向激光能量分配的不平衡现象加剧，使小孔下部体积过度膨胀，是高反射率材料激光焊接小孔和熔池不稳定、焊接质量差的根本原因。
综上所述，想要揭示功率调制影响高反射率材料激光深熔焊热效率和稳定性的机理，就需要研究高反射率材料激光焊过程中功率调制对小孔深度(间接表现为熔深)动态演变行为的影响，即需要研究高反射率材料激光焊过程中功率调制对小孔(间接表现为熔深)的激光能量耦合行为的影响，需要研究小孔深度(间接表现为熔深)动态演变过程和激光瞬时功率动态演变过程的匹配关系，在实际操作中，可以通过熔深来替代小孔深度，然而现有技术中，没有能够评估功率调制对高反射率材料激光焊能量耦合行为影响的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种评估评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法，该方法能够评估正弦调制对高反射率材料激光焊能量耦合行为的影响。
为达到上述目的，本发明所述的评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法包括以下步骤：
1)选取高反射率材料试板，然后除去高反射率材料试板表面的氧化皮层；
2)对高反射率材料试板表面进行功率正弦调制的激光深熔焊接；
3)获取功率正弦调制的激光深熔焊接在高反射率材料试板表面上形成的焊缝熔深，再将高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图进行对比，并根据对比的结果评估正弦调制对高反射率材料激光焊的激光能量耦合行为的影响。
高反射率材料试板的材质为铝、铝合金、镁合金、铜或铜合金。
高反射率材料试板的厚度大于等于6mm。
通过获取高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图之间的延迟，然后根据高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图之间的延迟评估正弦调制对高反射率材料激光焊的激光能量耦合行为的影响。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的评估正弦调制对高反射率材料激光焊激光能量耦合的方法在具体操作时，对高反射率材料试板表面进行功率正弦调制的激光深熔焊接，再将高反射率材料试板上的焊缝熔深与功率正弦调整的波形图进行对比，并根据对比的结果评估正弦调制对高反射率材料激光焊能量耦合行为的影响，在实际操作时，可以根据激光能量耦合程度揭示功率正弦调制改善高反射率材料激光深熔焊过程中热效率及稳定性的机理，可广泛应用于工业生产中，操作简单、方便，并且成本低，试验结果形象直观。
附图说明
图1为2205双相不锈钢试板和AZ31镁合金试板的激光焊接示意图；
图2(a)为功率不调制时焊缝中心处纵截面形貌图；
图2(b)为功率调制时焊缝中心处纵截面形貌图；
图3(a)为实施例一中纵向界面熔深随随时功率的演变示意图；
图3(b)为实施例中功率上升沿及下降沿所形成的熔深比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法包括以下步骤：
1)选取高反射率材料试板，然后除去高反射率材料试板表面的氧化皮层；
2)对高反射率材料试板表面进行功率正弦调制的激光深熔焊接；
3)获取功率正弦调制的激光深熔焊接在高反射率材料试板表面上形成的焊缝熔深，再将高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图进行对比，并根据对比的结果评估正弦调制对高反射率材料激光焊的激光能量耦合行为的影响。
高反射率材料试板的材质为铝、铝合金、镁合金、铜或铜合金。
高反射率材料试板的厚度大于等于6mm。
通过获取高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图之间的延迟，然后根据高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图之间的延迟评估正弦调制对高反射率材料激光焊的激光能量耦合行为的影响。
对比试验
本对比试验的具体操作为：
1a)选取高反射率材料试板及低反射率材料试板，然后除去高反射率材料试板表面及低反射率材料试板表面的氧化皮层；
2a)将高反射率材料试板与低反射率材料试板对齐；
3a)以低反射率材料试板内部为起点进行功率正弦调制的激光深熔焊接，在激光深熔焊接过程中，激光束朝向高反射率材料试板移动，并穿过高反射率材料试板与低反射率材料试板之间的界面，然后在高反射材料试板上继续进行激光深熔焊接；
4a)在平均功率相同的条件下，采用常功率激光深熔焊接方式重复步骤3a)；
5a)获取高反射率材料试板与低反射率材料试板中形成的焊缝熔深，再将高反射率材料试板上的焊缝熔深及低反射率材料试板上的焊缝熔深与功率正弦调整的波形图进行对比，并根据对比的结果评估正弦调制对高反射率材料激光焊的激光能量耦合行为的影响。
高反射率材料试板的材质为铝、铝合金、镁合金、铜或铜合金。
低反射率材料试板的材质为碳钢、低合金钢或不锈钢。
低反射率材料试板的厚度及高反射率材料试板的厚度均大于等于 6mm。
步骤2)中将高反射率材料试板与低反射率材料试板对齐，使高反射率材料试板与低反射率材料试板之间的间隙小于等于0.1mm，高反射率材料试板上表面与低反射率材料试板上表面的错边量小于等于 0.1mm。
低反射率材料试板的厚度与高反射率材料试板的厚度相等。
在正弦调制深熔焊中，焊接速度高、调制频率低，能够反映出焊缝纵截面熔深的周期性变化特征。
通过对低反射率材料试板及高反射率材料试板在功率正弦调制焊接过程中最大熔深出现时的相位差比较，揭示小孔深度(间接表现为熔深) 动态演变过程和激光瞬时功率动态演变过程的匹配关系，识别出低反射率材料试板及高反射率材料试板在大熔深状态持续时间长短(即大深宽比小孔持续时间长短)的显著差异。
实施例一
研究高反射率材料AZ31镁合金调制激光焊能量耦合行为，具体操作如下：
1)取100mm×30mm×8mm的2205双相不锈钢试板和AZ31镁合金试板，砂纸打磨并用丙酮清洗试样的待焊表面及对接面，以除去试板表面的氧化膜和油污，露出新鲜金属；2)将两个试板放齐对接并夹紧，使两试板间的缝隙尽可能小；3)采用2000W的平均功率、8Hz的调制频率、1000W的振幅进行调制焊接，焊接速度为5m/min，离焦量为0mm，在2205双相不锈钢试板内部并远离2205双相不锈钢试板/AZ31镁合金试板界面的位置开始焊接，焊接方向指向AZ31镁合金试板，激光束向 AZ31镁合金试板的方向运动，然后穿过2205双相不锈钢试板/AZ31镁合金试板之间的界面并继续在AZ31镁合金试板上进行焊接，再在AZ31 镁合金试板内部并远离2205双相不锈钢试板/AZ31镁合金试板之间界面的位置处结束焊接，然后采用2000W常功率重复该步骤；4)制备在AZ31 镁合金试板及2205双相不锈钢试板中形成的焊缝熔深，如图2(a)图2 (b)所示，观察AZ31镁合金试板及2205双相不锈钢试板中功率正弦调制激光焊焊缝纵截面上的焊缝熔深，再与功率调制波形图进行比较，如图3(a)及图3(b)所示，并根据对比的结果评估功率正弦调制措施对AZ31镁合金激光焊过程的激光能量耦合行为的影响。
通过对图3(a)及图3(b)的分析，可以揭示以下两点：1)功率正弦调制后AZ31镁合金试板中最大熔深大于常功率焊接时的熔深，且大熔深状态持续时间(0.036s)较长，在此期间激光束在小孔内的反射次数显著增加，这是功率调制后焊接过程热效率提高的根本原因；2)功率正弦调制后高反射率AZ31镁合金试板在激光焊过程中出现大熔深状态持续期间(0.036s)，激光瞬时功率一直在不断的衰减，可以有效抑制小孔底部能量过度集中、抑制小孔底部的过度碰撞，从而改善小孔和熔池稳定性，这是功率调制后稳定性提高的根本原因。

Claims (4)

1.一种评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取高反射率材料试板，然后除去高反射率材料试板表面的氧化皮层；
2)对高反射率材料试板表面进行功率正弦调制的激光深熔焊接；
3)获取功率正弦调制的激光深熔焊接在高反射率材料试板表面上形成的焊缝熔深，再将高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图进行对比，并根据对比的结果评估正弦调制对高反射率材料激光焊的激光能量耦合行为的影响。
2.根据权利要求1所述的评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法，其特征在于，高反射率材料试板的材质为铝、铝合金、镁合金、铜或铜合金。
3.根据权利要求1所述的评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法，其特征在于，高反射率材料试板的厚度大于等于6mm。
4.根据权利要求1所述的评估正弦调制影响高反射率材料激光焊能量耦合行为的方法，其特征在于，通过获取高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图之间的延迟，然后根据高反射率材料试板上的焊缝纵截面熔深与功率正弦调制的波形图之间的延迟评估正弦调制对高反射率材料激光焊的激光能量耦合行为的影响。
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