CN113084345A - 一种基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，包括以下步骤：步骤1、将两种材料的待焊表面进行预处理；步骤2、将预处理后的材料放置在焊接平台上，打开引导激光，对待焊位置进行对中调整，随后将材料进行固定；步骤3、设置基于能量调控的焊接参数，使得到的扫描激光能量关于焊缝两侧呈非对称性分布，随后控制激光器发出激光，焊接平台与激光相对移动，完成焊接过程。上述基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法能够进行熔点相差较大的异种材料的焊接，且焊接质量佳、效率高。

Description

一种基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法

技术领域

本发明涉及材料加工工程技术领域，尤其涉及一种基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法。

背景技术

实际应用中，单一材料往往难以胜任复杂的工作环境，如：化工领域的容器既需耐热又需耐腐蚀，航空航天领域所用的设备既需减重又需高强度，于是异种材料的焊接在工业界有很大需求。

伴随着现代工业的发展，激光器的制造成本逐年下降，且以振镜实现的扫描激光也逐渐投入工业生产。基于扫描激光的焊接过程具有能量密度大、热影响区窄、气孔率低、焊缝对中要求不苛刻、生产效率高等优点，扫描激光在异种材料激光焊接中具有广阔的应用前景。但常规的基于扫描激光的异种材料焊接，难以避免因接头两侧熔点不同造成的能量需求不同，进一步会导致在高熔点侧未焊透情形下，低熔点侧产生焊穿、裂纹、元素偏析、烧损等缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，以便能够进行熔点相差较大的异种材料的焊接，且焊接质量佳、效率高。

为了实现上述目的，本申请提出了一种基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，包括以下步骤：

步骤1、将两种材料的待焊表面进行预处理；

步骤2、将预处理后的材料放置在焊接平台上，打开引导激光，对待焊位置进行对中调整，随后将材料进行固定；

步骤3、设置基于能量调控的焊接参数，使得到的扫描激光能量关于焊缝两侧呈非对称性分布，随后控制激光器发出激光，焊接平台与激光相对移动，完成焊接过程。

在一些实施例中，在所述步骤1中，预处理包括打磨、丙酮擦洗去除油污、清洗液去除氧化膜、烘干中的一种或几种的任意组合。

在一些实施例中，在所述步骤3中，焊接参数包括焊接速度，激光功率，激光扫描频率，激光扫描幅度，激光脉冲频率，激光脉冲占空比，激光脉冲峰值功率，激光脉冲基值功率，激光脉冲与激光扫描的相位差，离焦量，送丝速度，保护气以及保护气流量。

在一些实施例中，在所述步骤3中，焊接参数范围为：焊接速度为0.2～2.4m/min，激光功率为600W～5500W，激光扫描频率为3～300Hz，激光扫描幅度为0.2～5mm，激光脉冲频率为1Hz～2kHz，激光脉冲占空比为0～100％，激光脉冲峰值功率为1000～5500W，激光脉冲基值功率为600～5000W，激光脉冲与激光扫描的相位差范围为0～2π，离焦量为-8～+20mm，送丝速度为0～3m/min，保护气采用氩气或氩气与二氧化碳的混合气体，保护气流量为15～25L/min。

在一些实施例中，在所述步骤3中，基于能量调控得到的扫描激光能量关于焊缝两侧呈非对称性分布能够通过环形扫描激光的参数配比或扫描激光的出光模式实现。

在一些实施例中，通过环形扫描激光的参数配比实现的能量调控，要求激光扫描形式为环形，且激光扫描幅度、激光扫描频率、焊接速度之间具有如下关系：

式中A表示激光扫描幅度，f表示激光扫描频率，v表示焊接速度。

在一些实施例中，通过调整扫描激光出光模式实现的能量调控，要求激光扫描形式为环形、无穷形、直线形中的任意一种，扫描激光的出光模式由连续模式转换为脉冲模式，激光脉冲频率与激光扫描频率一致，调整激光脉冲与激光扫描的相位差，在焊缝高熔点侧设置激光脉冲峰值功率或者激光脉冲基值功率，低熔点侧设置激光脉冲基值功率或者激光脉冲峰值功率，要求激光脉冲峰值功率是激光脉冲基值功率的1.5～9倍。

在一些实施例中，通过调整扫描激光出光模式实现的能量调控，当激光扫描形式为环形时，能够应用基于环形扫描激光的参数配比实现能量调控的激光扫描幅度、激光扫描频率、焊接速度之间的关系：

式中A表示激光扫描幅度，f表示激光扫描频率，v表示焊接速度。

本申请的该方案的有益效果在于上述基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法能够保留扫描激光搅拌熔池、破碎枝晶、减轻元素偏析等优点，并提升焊接过程的稳定性，大幅减少焊缝成形缺陷、控制熔池温度梯度方向进而调节熔池金属结晶方向。上述方法略去异种材料激光焊接过程中偏移量调整步骤，精简工步，大幅提高生产效率；且由能量调控实现的焊缝两侧能量非对称分布精度高，能够达到10μm级别。此外，激光的扫描形式不限于振镜激光，可通过搭建X-Y位移台或现有机械手臂编程达成，无需大量预算即可实现，对生产中异种材料的扫描激光焊接效率提升、缺陷减少具有一定意义。

附图说明

图1示出了实施例中基于环形扫描激光的参数配比实现能量调控示意图，其中a)中的焊接速度为1.2m/min，激光扫描幅度为1mm，搭接率为-50％，激光扫描频率为10Hz；b)中的焊接速度为1.2m/min，激光扫描幅度为1mm，搭接率为20％，激光扫描频率为18.75Hz。

图2示出了实施例中基于扫描激光出光模式实现能量调控示意图，其中a)中的激光脉冲占空比为70％，激光脉冲频率为100Hz，激光扫描频率为100Hz，激光脉冲与激光扫描的相位差为0；b)中的激光脉冲占空比为70％，激光脉冲频率为100Hz，激光扫描频率为100Hz，激光脉冲与激光扫描的相位差为π/4。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。

本申请所涉及的基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法包括以下步骤：

步骤1、将两种材料的待焊表面进行预处理。其中预处理包括打磨、丙酮擦洗去除油污、清洗液去除氧化膜、烘干中的一种或几种的任意组合。

步骤2、将预处理后的材料放置在焊接平台上，打开引导激光，对待焊位置进行对中调整，随后将材料进行固定。

步骤3、设置基于能量调控的焊接参数，使得到的扫描激光能量关于焊缝两侧呈非对称性分布，随后控制激光器发出激光，焊接平台与激光相对移动，完成焊接过程。在本实施例中，扫描激光是使用振镜实现的。上述焊接参数包括焊接速度，激光功率，激光扫描频率，激光扫描幅度，激光脉冲频率，激光脉冲占空比，激光脉冲峰值功率，激光脉冲基值功率，激光脉冲与激光扫描的相位差，离焦量，送丝速度，保护气以及保护气流量。

具体的，在所述步骤3中，焊接参数范围为：焊接速度为0.2～2.4m/min，激光功率为600W～5500W，激光扫描频率为3～300Hz，激光扫描幅度为0.2～5mm，激光脉冲频率为1Hz～2kHz，激光脉冲占空比为0～100％，激光脉冲峰值功率为1000～5500W，激光脉冲基值功率为600～5000W，激光脉冲与激光扫描的相位差范围为0～2π，离焦量为-8～+20mm，送丝速度为0～3m/min，保护气采用氩气或氩气与二氧化碳的混合气体，保护气流量为15～25L/min。

具体的，在所述步骤3中，基于能量调控得到的扫描激光能量关于焊缝两侧呈非对称性分布能够通过环形扫描激光的参数配比或扫描激光的出光模式实现。

通过环形扫描激光的参数配比实现的能量调控，要求激光扫描形式为环形，且激光扫描幅度、激光扫描频率、焊接速度之间具有如下关系：

式中A表示激光扫描幅度，f表示激光扫描频率，v表示焊接速度。

上述公式的推导过程如下：通过环形扫描激光的参数配比实现的能量调控是基于图1所示的搭接率进行的，为便于后续描述，光斑平行焊缝方向位置用x表示、光斑垂直焊缝方向位置用y表示、激光扫描幅度用A表示、激光扫描频率用f表示、焊接速度用v表示、焊接时间用t表示，上述各参数之间的关系通过参数方程描述如下：

为保证扫描激光在焊缝两侧的能量分布不同，本申请中将搭接率选择为-50％～20％，能够简化为第一个扫描周期的起点与此后1.5个扫描周期的终点的距离在-50％·2A～20％·2A中，则f、A、v三者需按此关系进行取值：

由于时间的任意性，将其取为t＝0，则有

即

如图2所示，通过调整扫描激光出光模式实现的能量调控，要求激光扫描形式为环形、无穷形、直线形中的任意一种，扫描激光的出光模式由连续模式转换为脉冲模式，激光脉冲频率与激光扫描频率一致，调整激光脉冲与激光扫描的相位差，在焊缝高熔点侧设置激光脉冲峰值功率或者激光脉冲基值功率，低熔点侧设置激光脉冲基值功率或者激光脉冲峰值功率，要求激光脉冲峰值功率是激光脉冲基值功率的1.5～9倍。

在焊缝高熔点侧设置激光脉冲峰值功率是在高熔点侧分配高能量，低熔点侧设置激光脉冲基值功率是在低熔点侧分配低能量；在焊缝高熔点侧设置激光脉冲基值功率是在高熔点侧分配低能量，低熔点侧设置激光脉冲峰值功率是在低熔点侧分配高能量。高能量作用于焊缝高熔点侧为正常的熔焊过程；而高能量作用于焊缝低熔点侧，且低能量不足以熔化高熔点侧材料时为熔钎焊过程，在实际应用中，可根据需要选取能量分配方式。

通过调整扫描激光出光模式实现的能量调控，当激光扫描形式为环形时，能够应用基于环形扫描激光的参数配比实现能量调控的激光扫描幅度、激光扫描频率、焊接速度之间的关系：

式中A表示激光扫描幅度，f表示激光扫描频率，v表示焊接速度。

本申请所涉及的基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法能够保留扫描激光搅拌熔池、破碎枝晶、减轻元素偏析等优点，并提升焊接过程的稳定性，大幅减少焊缝成形缺陷、控制熔池温度梯度方向进而调节熔池金属结晶方向。上述方法略去异种材料激光焊接过程中偏移量调整步骤，精简工步，大幅提高生产效率；且由能量调控实现的焊缝两侧能量非对称分布精度高，能够达到10μm级别。此外，激光的扫描形式不限于振镜激光，可通过搭建X-Y位移台或现有机械手臂编程达成，无需大量预算即可实现，对生产中异种材料的扫描激光焊接效率提升、缺陷减少具有一定意义。

Claims (8)

1.一种基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将两种材料的待焊表面进行预处理；

步骤2、将预处理后的材料放置在焊接平台上，打开引导激光，对待焊位置进行对中调整，随后将材料进行固定；

步骤3、设置基于能量调控的焊接参数，使得到的扫描激光能量关于焊缝两侧呈非对称性分布，随后控制激光器发出激光，焊接平台与激光相对移动，完成焊接过程。

2.根据权利要求1所述的基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，其特征在于：在所述步骤1中，预处理包括打磨、丙酮擦洗去除油污、清洗液去除氧化膜、烘干中的一种或几种的任意组合。

3.根据权利要求1所述的基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，其特征在于：在所述步骤3中，焊接参数包括焊接速度，激光功率，激光扫描频率，激光扫描幅度，激光脉冲频率，激光脉冲占空比，激光脉冲峰值功率，激光脉冲基值功率，激光脉冲与激光扫描的相位差，离焦量，送丝速度，保护气以及保护气流量。

4.根据权利要求3所述的基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，其特征在于：在所述步骤3中，焊接参数范围为：焊接速度为0.2～2.4m/min，激光功率为600W～5500W，激光扫描频率为3～300Hz，激光扫描幅度为0.2～5mm，激光脉冲频率为1Hz～2kHz，激光脉冲占空比为0～100％，激光脉冲峰值功率为1000～5500W，激光脉冲基值功率为600～5000W，激光脉冲与激光扫描的相位差范围为0～2π，离焦量为-8～+20mm，送丝速度为0～3m/min，保护气采用氩气或氩气与二氧化碳的混合气体，保护气流量为15～25L/min。

5.根据权利要求1所述的基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，其特征在于：在所述步骤3中，基于能量调控得到的扫描激光能量关于焊缝两侧呈非对称性分布能够通过环形扫描激光的参数配比或扫描激光的出光模式实现。

6.根据权利要求5所述的基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，其特征在于：通过环形扫描激光的参数配比实现的能量调控，要求激光扫描形式为环形，且激光扫描幅度、激光扫描频率、焊接速度之间具有如下关系：

式中A表示激光扫描幅度，f表示激光扫描频率，v表示焊接速度。

7.根据权利要求5所述的基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，其特征在于：通过调整扫描激光出光模式实现的能量调控，要求激光扫描形式为环形、无穷形、直线形中的任意一种，扫描激光的出光模式由连续模式转换为脉冲模式，激光脉冲频率与激光扫描频率一致，调整激光脉冲与激光扫描的相位差，在焊缝高熔点侧设置激光脉冲峰值功率或者激光脉冲基值功率，低熔点侧设置激光脉冲基值功率或者激光脉冲峰值功率，要求激光脉冲峰值功率是激光脉冲基值功率的1.5～9倍。

8.根据权利要求7所述的基于能量调控的异种材料扫描激光焊接方法，其特征在于：通过调整扫描激光出光模式实现的能量调控，当激光扫描形式为环形时，能够应用基于环形扫描激光的参数配比实现能量调控的激光扫描幅度、激光扫描频率、焊接速度之间的关系：

式中A表示激光扫描幅度，f表示激光扫描频率，v表示焊接速度。

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