專利名稱：一種激光焊接焊縫孔洞控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光焊接技術(shù)，涉及一種激光焊接過程中焊縫缺陷的控制方法及裝置，更具體的說是涉及焊縫內(nèi)部孔洞的控制。
背景技術(shù)：
激光焊接是材料加工領(lǐng)域應(yīng)用得愈來愈廣泛的先進(jìn)加工方法之一，與其他焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)有著高功率，高速度，高深寬比，窄的熱影響區(qū)且柔性好，便于生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化控制，適用于多種材料之間的連接，因此，在航天、汽車、鋼鐵等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但是由于激光焊接的特點(diǎn)，能量密度高，冷卻速度快，激光深熔焊過程中的匙孔內(nèi)蒸汽的暴沸和不穩(wěn)定現(xiàn)象，以及焊接夾層板時(shí)，表面的氧化物的影響，導(dǎo)致焊接過程中極易產(chǎn)生孔洞等焊接缺陷，大大的降低了焊縫的質(zhì)量和可靠性。因此，激光深熔焊過程中，控制和減少焊接過程中的孔洞是需要解決的一大問題。激光焊接過程中的匙孔效應(yīng)激光深熔焊接是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，匙孔和等離子體的形成，匙孔內(nèi)材料蒸汽和熔池內(nèi)液態(tài)材料的流動(dòng)、匙孔的穩(wěn)定性、熔池表面的變形以及各種焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量都有很大的影響。在上述激光深熔焊接所涉及的各個(gè)方面中，匙孔效應(yīng)是關(guān)鍵，也是激光深熔焊接研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，更為重要的是匙孔效應(yīng)在激光深熔焊接過程中的作用是巨大的。當(dāng)激光功率密度達(dá)到106-107W/cm2時(shí)，激光輸入速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)、對流、及輻射散熱的速率，材料表面發(fā)生熔化和氣化而形成匙孔，孔內(nèi)的金屬蒸汽壓與四周液體的靜力和表面張力形成動(dòng)態(tài)平衡，激光可以通過孔直接射到孔底，產(chǎn)生匙孔效應(yīng)。匙孔的作用和黑體一樣，能將射入的激光完全吸收。在孔內(nèi)存在著四種力量的相互作用，金屬蒸汽的壓力，四周液體的重力，表面張力以及材料流動(dòng)的流體靜壓力，正是這幾種力的作用保證匙孔的穩(wěn)定存在。一旦焊接過程中受到外來干擾或材料內(nèi)部條件的影響，匙孔就會崩塌，閉合而形成孔洞，即使在正常條件下，由于匙孔四周的液體金屬填滿匙孔的時(shí)候，金屬蒸汽來不及快速逃逸而被封在匙孔內(nèi)，導(dǎo)致往往不能完全填滿而形成大的孔洞。尤其是當(dāng)激光焊接厚板，夾層板或涂層板時(shí)，由于焊接這些材料過程中，匙孔會更加的不穩(wěn)定，加上外來氣體對匙孔的擾動(dòng)作用，更容易使匙孔閉合，形成大的空腔，從而出現(xiàn)孔洞缺陷。激光焊接過程中，通過改變側(cè)吹氣流大小、種類，以及功率、速度等其他工藝參數(shù)能夠起到一定的減少孔洞缺陷的作用。也有人焊接時(shí)通過控制間隙，錯(cuò)邊量來減少焊縫中孔洞的數(shù)量和尺寸，其他方法比如對材料的預(yù)先處理，激光復(fù)合焊時(shí)采用特殊的焊絲等，這些方法能夠一定程度上減少激光焊接過程中的孔洞，但均增加了工藝和操作的復(fù)雜性，且有些方法在生產(chǎn)實(shí)踐中難以實(shí)施。當(dāng)激光焊接厚板或者夾層板或者涂層材料時(shí)，匙孔內(nèi)部的高溫高壓金屬蒸汽以及夾層中間的氧化皮，涂層材料的汽化容易造成匙孔的閉合和崩塌，這樣就容易形成焊縫內(nèi)部不規(guī)則的大的孔洞。如何讓匙孔內(nèi)部的金屬蒸汽或者外來蒸汽高速地，有方向性地逸出，從而保證匙孔焊接過程中的穩(wěn)定性是控制和消除焊縫內(nèi)部孔洞的關(guān)鍵方法。因此，本發(fā)明旨在提出一種能夠快速導(dǎo)走焊接過程中匙孔內(nèi)部蒸汽的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對激光深熔焊接的過程中的匙孔效應(yīng)，要解決的技術(shù)問題是焊接過程中由于匙孔效應(yīng)帶來的焊縫內(nèi)部的孔洞缺陷，提出了一種激光焊接焊縫孔洞控制方法及裝置。本發(fā)明提供的一種激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，在激光焊接過程中，采用吸氣的方式將匙孔內(nèi)部的蒸汽吸走，保證匙孔的通暢。吸氣可以采用側(cè)吸式、同軸式和底吸式吸氣。本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)激光焊接焊縫孔洞控制方法的裝置，其特征在于，它包括一套·吸氣裝置，該吸氣裝置工作時(shí)通過管道與氣管的連接，并固定在激光頭上，將氣管的吸嘴對準(zhǔn)焊縫的上方。本發(fā)明通過在激光焊接過程中，采用一套額外的吸氣的裝置，外接抽氣泵或者真空泵、吸氣泵的方法通過氣管迅速將匙孔內(nèi)部的高溫高壓的蒸汽吸走，保證匙孔的通暢性，也能起到一種對其他氣體和夾雜物的導(dǎo)向和牽引的作用，使焊接過程中產(chǎn)生的氣體迅速逃逸出焊縫內(nèi)部而避免形成孔洞?；谖鼩夥绞降募す夂附舆^程中孔洞的控制和消除的措施，在傳統(tǒng)的激光焊接方式上，將吹氣的裝置改為吸氣的裝置，即外加一套吸氣裝置，真空泵、抽氣泵或者吸氣泵，通過管道與氣管的連接固定在激光頭上，將氣管端部也即吸嘴對準(zhǔn)焊縫的上方，固定在激光頭上保證焊接過程中與光束同時(shí)移動(dòng)，通過調(diào)節(jié)氣管的位置，角度，保證氣管的吸嘴處于匙孔的正上方，邊焊接邊對著匙孔吸氣，氣管的吸嘴可以做成各種形狀，比如圓口、扁口、帶U型槽口、錐形口、喇叭口等。氣管后面的吸氣裝置，可調(diào)節(jié)吸力的大小，保證氣管的吸嘴處的吸力大小剛好合適。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于I、能夠有效的解決激光深熔焊過程中的孔洞問題。且適合多種材料，不同板厚，不同接頭形式的激光焊接，尤其對厚板，夾層板，表面涂層板的孔洞控制有很好的效果。2、該方法簡單易實(shí)現(xiàn)，成本很低，氣管的吸嘴可以做成任何形狀固定在任何型號激光器的激光頭上，同激光光束保持同步。3、氣管的吸嘴可以從任何一個(gè)角度作用在焊縫上，可與激光器同軸吸，可大角度吸，可小角度吸，也可平吸，甚至還可以在焊縫底面吸?？傊?，該方法只需要調(diào)整好氣管的吸嘴與焊縫的相對位置就可以方便的應(yīng)用在生產(chǎn)中且能起到非常好的效果。


圖I是氣管，激光頭、吸氣裝置的裝配示意圖；圖2是具體實(shí)施方法一，側(cè)吸式吸氣，氣管的吸嘴與光束、工件的位置示意圖；圖3是具體實(shí)施方法二，同軸式吸氣，氣管的吸嘴與光束、工件的位置示意圖；圖4是具體實(shí)施方法三，底吸式吸氣，氣管的吸嘴與光束、工件的位置示意圖；圖5是側(cè)吸時(shí)激光焊接過程中匙孔、熔池示意圖。
具體實(shí)施例方式將激光焊接過程中的輔助吹氣裝置替換為吸氣裝置，就可以實(shí)現(xiàn)吸氣的方法，SP外接一個(gè)吸氣裝置，可以使抽氣泵，也可以是真空泵。將吸氣裝置通過管道與氣管(如銅管等耐高溫材料管)連接，然后將氣管固定在激光頭上，調(diào)節(jié)氣管的位置和角度，保證氣管的吸嘴對準(zhǔn)光束焦點(diǎn)的位置，焊接過程中，打開吸氣裝置的開關(guān)，調(diào)節(jié)吸力的大小，即可在焊接中實(shí)現(xiàn)邊焊接邊吸氣的方法。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。典型的三種實(shí)施方式如下圖所述。圖I所示為氣管4、激光頭和吸氣裝置的裝配示意圖。如圖所示，工件I以及工件上焊接時(shí)形成的熔池。轉(zhuǎn)接板9，通過螺栓與螺母固定在激光頭上2，激光頭上鉆有不同位 置的安裝孔，轉(zhuǎn)接板可根據(jù)需要安裝在不同的位置。轉(zhuǎn)接板上開有較長的雙導(dǎo)軌，可安裝調(diào)節(jié)臺或其他零件。調(diào)節(jié)臺5，它通過螺釘螺母安裝在連接板的導(dǎo)軌槽上，調(diào)節(jié)臺用來保證氣管4的位置和角度。氣管4固定在調(diào)節(jié)臺上，其尾部連接吸氣裝置6，氣管4根據(jù)需要可設(shè)計(jì)成不同的形狀，安裝在工件的不同位置。本圖中所示為大角度側(cè)吹方式的連接，氣管4的吸嘴應(yīng)該對準(zhǔn)光束3及其焦點(diǎn)位置。吸氣裝置6上有控制開關(guān)和調(diào)節(jié)吸力大小的按鈕8。圖2所示為側(cè)吸氣時(shí)，氣管4與激光束，工件的相對位置示意圖，氣管4在此方式中做成彎曲的形狀，方便焊接過程中大角度入射，氣管4端部所指的位置和光束3的焦點(diǎn)重合，焊接方向?yàn)榧す庠谇?。氣?通過調(diào)節(jié)臺固定，與吸氣裝置管道連接。側(cè)吸氣時(shí)，焊接方向與氣嘴的位置可以在一個(gè)平面也可以不在一個(gè)平面內(nèi)。如果氣管4和焊接方向不在一個(gè)平面內(nèi)的話，可以避免吸氣時(shí)，氣管的吸嘴會影響到匙孔周邊的液態(tài)金屬，圖中將焊接方向改為垂直紙面的方面即可保證吸氣時(shí)氣管的吸嘴與焊接方面垂直。圖3所示為同軸吸氣時(shí)的裝置示意圖，在激光頭2上安裝一個(gè)與光束3同軸的雙層空心圓錐臺形狀的同軸氣流通道，氣流從同軸氣流通道12中間通過，即兩層管道之間的夾層。然后經(jīng)吸氣裝置的管道7通向抽氣泵或者真空泵。圖中箭頭所指的方向11為吸氣時(shí)通道內(nèi)部的氣流方向。同軸氣流通道頂部為封閉的，底部不閉合，通過外壁上孔洞與激光頭之間螺栓連接固定在激光頭上。圖4所示為底吸氣時(shí)的裝置示意圖，該方式關(guān)鍵是底部氣嘴的位置，必須對準(zhǔn)匙孔的底部，即圖中光束3中心線的延長線的方向，安裝氣管4時(shí)，先在工件外使氣管4做成圖中所示的形狀然后對準(zhǔn)光束3的焦點(diǎn)位置，再通過移動(dòng)激光頭，將氣管4端部移至工件底部，保證位置的準(zhǔn)確性。其他裝配同側(cè)吸氣時(shí)的方式。圖中10表示焊接方向?yàn)榇怪奔埫娴姆较颉D5所示為焊接過程中匙孔和熔池的示意圖。氣管4在此實(shí)施方式中做成彎曲形狀。1、14、15分別表示固態(tài)的工件，呈液態(tài)的熔池和激光深熔焊過程中的匙孔。圖中熔池內(nèi)部的箭頭表示焊接過程中熔池內(nèi)的氣體，夾雜物通過熔池過渡到匙孔內(nèi)部。13表示由于氣管4吸氣的作用，使得匙孔內(nèi)部的金屬蒸汽，匙孔端部的等離子體均會朝向氣管的吸嘴的方向。10表示此圖所示的焊接方向。此圖解釋了該方法之所以能夠抑制激光焊接過程中孔洞的原因。當(dāng)不加吸氣時(shí)，匙孔內(nèi)部充滿著高溫高壓的金屬蒸汽，一方面此蒸汽太過激烈容易造成匙孔的失穩(wěn)狀態(tài)，從而導(dǎo)致匙孔封閉產(chǎn)生孔洞缺陷；另一方面，匙孔內(nèi)部溫度和壓強(qiáng)較高，使得熔池內(nèi)部的氣體，外來夾雜物無法快速的通過匙孔逸出而留在熔池內(nèi)部，也會形成孔洞。而當(dāng)采用吸氣時(shí)，一是由于外部吸力的作用，會使得匙孔內(nèi)部的高溫高壓金屬蒸汽迅速離開匙孔，從而保證了匙孔內(nèi)部的通暢性，降低了匙孔閉合的可能性，二是由于吸力的作用，外來的氣體，夾雜物也會迅速過渡到匙孔內(nèi)部，然后通過匙孔快速的逃逸出熔池而不會停留在熔池內(nèi)產(chǎn)生缺陷。本發(fā)明過程中，針對不同的板厚，材料，穿透焊和非穿透焊，采用吸氣的方法時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整激光功率，焊接速度與吸氣的大小和位置。吸力太大，會導(dǎo)致整個(gè)焊接熔池受到影響，造成液態(tài)金屬流失，熔池凹陷的厲害，吸力過小，又不能夠迅速導(dǎo)走氣體，到不到控制孔洞的效果。同樣，吸氣時(shí)氣管的吸嘴的位置也非常重要，應(yīng)保證它的位置處于小孔的上方而不是對著熔池的尾部。針對圖2所示的側(cè)吸氣時(shí)的一些參數(shù)加以說明，激光器為4000 的光纖激光器，試驗(yàn)材料為表面鍍層的材料，厚度為O. 8_，接頭形式為搭接。試驗(yàn)中為保證穿透焊，采用功率為3. Okw,速度2m/min。試驗(yàn)裝置如圖2示意圖所示,激光頭的偏角范圍是-15° -15°，氣管4彎曲成大角度吸氣，此角度需保證與光束基本平行，使氣管4的吸嘴對準(zhǔn)小孔。氣管4的吸嘴距離工件的垂直高度范圍在2-12_，可根據(jù)實(shí)際焊接條件調(diào)整，距離越近，應(yīng)適當(dāng)降低吸力，反之增大吸力。當(dāng)我們采用此種工藝條件時(shí)，可以消除由于鍍 層蒸汽引起的焊縫孔洞缺陷。當(dāng)然，實(shí)際中也并非一定得按照本實(shí)驗(yàn)所采用幾種的吸氣方法，此吸氣方法同樣適合于其他類型的激光器。本發(fā)明中氣管4的位置、角度與材料的種類、厚度、有無涂層以及激光頭的偏角有很大關(guān)系。側(cè)吸氣或者其他吸氣方式中也可采用其他的工藝參數(shù)，并不局限于上述說明中的工藝參數(shù)。對于易產(chǎn)生孔洞缺陷的材料，厚度大的材料或者有涂層的材料，應(yīng)增加吸力大小，由于吸氣裝置的原因，吸力大小與吸氣裝置的種類，密封度，管道口徑等因素有關(guān)，所以本發(fā)明沒有具體給出吸力大小的數(shù)值。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，在激光焊接過程中，采用吸氣的方式將匙孔內(nèi)部的蒸汽吸走，保證匙孔的通暢。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，吸氣采用側(cè)吸式吸氣，即吸氣方向與焊接用的激光光束不同軸。
3.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，吸氣采用同軸式吸氣，即吸氣方向與焊接用的激光光束同軸。
4.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述激光焊接焊縫孔洞控制方法，其特征在于，吸氣采用底吸式吸氣，即對準(zhǔn)匙孔的底部吸氣。
5.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述激光焊接焊縫孔洞控制方法的裝置，其特征在于，它包括一套吸氣裝置，該吸氣裝置工作時(shí)通過管道與氣管的連接，并固定在激光頭上，將氣管的吸嘴對準(zhǔn)焊縫的上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述吸氣裝置為真空泵或者抽氣泵或者吸氣泵。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，氣管的吸嘴為圓口、扁口、帶U型槽口、錐形口或喇叭口。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，氣管的吸嘴與激光束同軸。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，氣管的吸嘴與激光束不同軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，氣管的吸嘴對準(zhǔn)匙孔的底部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光焊接焊縫孔洞控制方法及其裝置，方法是在激光焊接過程中，采用吸氣的方式將匙孔內(nèi)部的蒸汽吸走，保證匙孔的通暢。裝置包括一套吸氣裝置，該吸氣裝置工作時(shí)通過管道與氣管的連接，并固定在激光頭上，將氣管的吸嘴對準(zhǔn)焊縫的上方。本發(fā)明能夠有效的解決激光深熔焊過程中的孔洞問題。且適合多種材料，不同板厚，不同接頭形式的激光焊接，尤其對厚板，夾層板，表面涂層板的孔洞控制有很好的效果。裝置簡單易實(shí)現(xiàn)，成本很低，總之，本發(fā)明只需要調(diào)整好氣管的吸嘴與焊縫的相對位置就可以方便的應(yīng)用在生產(chǎn)中且能起到非常好的效果。
文檔編號B23K26/14GK102941412SQ201210390068
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者王春明, 陳志春, 胡席遠(yuǎn), 王軍 申請人:華中科技大學(xué)