本發明屬于激光焊接技術領域，涉及一種金屬薄板激光背反射增效焊接方法，具體地說是一種利用在施焊薄板背面引入的勻強電場對焊件背面由反射墊板誘發金屬蒸氣云所形成背面能場的離散程度和方向性進行調控的輔助電場調控背面能場的薄板激光背反射增效焊接方法。

背景技術：

激光焊接具有成形質量好、熱影響區小、工件變形小、靈活性高等優點，非常適合金屬薄板的焊接成形。眾所周知，在薄板激光深熔焊接過程中，較高的激光能量閾值勢必會使得熔池溫度較高，從而導致焊接接頭殘余應力梯度增大；同時，在焊接過程中施焊薄板正面形成的等離子體云或金屬蒸氣云對激光的屏蔽作用也會趨于明顯，造成激光能量利用率下降。因此，薄板低閾值激光焊接成形方法備受關注。

在公開號為cn103978309a的專利申請中，公開了一種實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效激光深熔焊方法，該方法是在施焊金屬薄板的背面增設反射墊板，以利用反射墊板將激光穿透金屬薄板瞬間的激光以類似反射的形式重新作用回焊件背面，從而對背面焊接區進行二次加熱進而實現單面焊接獲得雙面成形的x形焊縫，這種方法實質是在施焊金屬薄板背部由反射墊板誘發形成一個金屬蒸氣云增效能場，從而在低能量閾值的條件下實現對稱性好的x形焊縫，但是該方法還存在以下不足：由于背面金屬蒸氣云存在離散程度高、方向性較差等問題，導致背面能場效率較低，同時其對背面焊縫區及熱影響區的保護作用也尚不夠理想。

通過對國內外文獻進行檢索，目前還沒有發現利用勻強電場對薄板背反射增效激光焊接背面能場進行調控的相關報道。

技術實現要素：

本發明的目的是針對目前金屬薄板背反射增效激光焊接中存在背面金屬蒸氣云離散度高、方向性差的問題，發明一種利用勻強電場調控施焊薄板背面金屬蒸氣云的離散程度和方向，從而提高背面能場效率并改善背面能場對背面焊接區的保護作用的輔助電場調控背面能場的薄板激光背反射增效焊接方法。

本發明的技術方案是：

一種輔助電場調控背面能場的薄板激光背反射增效焊接方法，其特征是通過在施焊薄板和背面的反射墊板間引入直流電構建平行板電容器，利用平行板電容器產生勻強電場的特性對焊件背面金屬蒸氣云的離散程度和方向性進行調控，以保證經反射墊板誘發產生的金屬蒸氣云重新作用回背部焊接區時其方向性和集中性較好。

具體步驟為：

a）先將220v交流電通過變壓整流器轉變為直流電；

b）將調節好電壓值的變壓整流器出線端與安全閘刀進線端相連后，再用導線將安全閘刀出線端與電流表、熔斷器、滑動變阻器、定值電阻進行串聯，最后將電壓表并聯在定值電阻兩端，外部電路連接完畢；

c）將反射墊板和待焊工件分別置于各自放置平臺上，將導線一端接觸反射墊板下表面，另一端引出接在定值電阻左端口；再用導線一端接觸待焊工件上表面，并用定位壓緊裝置將待焊件壓緊，另一端引出接在定值電阻右端口；

d）利用激光器的計算機控制系統將激光頭移動到待焊金屬薄板焊縫位置上方，確保發射的激光束每次都與待焊件拼接時的中間焊縫處于同一直線上；

e）開啟激光器，將閘刀閉合，外部電路通電，調節滑動變阻器阻值，從而間接調節定值電阻兩端電壓至所需電壓值，此過程對待焊工件與反射墊板所形成的平行板電容器進行充電，待平行板電容器充電飽和穩定時，開啟計算機控制系統控制激光頭出光并按照指定軌跡進行激光掃描焊接；

f）焊接完畢后，先斷開閘刀切斷外部電路，取下工件，至此完成一次焊接工序；待所有待焊工件全部焊接完畢后，最后關閉激光器和計算機控制系統。

所述將220v交流電通過變壓整流器轉變為直流電，其特征是直流電的輸出電壓為100-200v，焊接過程中以整流輸出電壓取上限為宜。

所述間接調節定值電阻兩端電壓，其特征是間接調節定值電阻兩端電壓在60-180v；

所述間接調節定值電阻兩端電壓，其特征是當焊接鈦合金tc4薄板時間接調節定值電阻兩端電壓為120v；

所述待平行板電容器充電飽和穩定，其特征是通電時間不低于2分鐘。

所述激光器為光纖激光器。

本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。

本發明的有益效果：

（1）本發明所述方法利用輔助電場即平行板電容器的特性對焊件背面金屬蒸氣云的離散程度和方向性進行調控，提高了背面金屬蒸氣云能場的效率，相對于未加電場時提高了約6%-14%；

（2）本發明所述方法利用輔助電場即平行板電容器的特性對焊件背面金屬蒸氣云的離散程度和方向性進行調控，改善了背面金屬蒸氣云對背面焊接區的保護作用；

（3）本發明所述外部電路連接簡單安全，采用的所有零部件可更換，使用的焊接夾具與現有的激光加工平臺具有較好的適配性。

附圖說明

圖1是本發明裝置的原理示意圖。

圖2是未加輔助電場時激光背反射增效焊接過程示意圖。

圖3是添加輔助電場時激光背反射增效焊接過程示意圖。

圖4是本發明實施例所述第一組實驗未加輔助電場激光背反射增效焊接金屬薄板橫截面形貌。

圖5是本發明實施例所述第三組實驗添加輔助電場激光背反射增效焊接金屬薄板橫截面形貌。

圖中，1-交流電源、2-導線、3-變壓整流器、4-安全閘刀、5-熔斷器、6-電流表、7-電壓表、8-定值電阻、9-滑動變阻器、10-焊接夾具、11-反射墊板、12-絕緣墊片、13-待焊金屬薄板、14-激光頭、15-計算機控制系統、16-激光器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。

如圖1-5所示。

一種輔助電場調控背面能場的薄板激光背反射增效焊接方法，其實質和關鍵是通過在施焊薄板和背面的反射墊板間引入直流電構建平行板電容器，利用平行板電容器產生勻強電場的特性對焊件背面金屬蒸氣云的離散程度和方向性進行調控，以保證經反射墊板誘發產生的金屬蒸氣云重新作用回背部焊接區時其方向性和集中性較好。

具體步驟為：

a）先將220v交流電通過變壓整流器轉變為直流電；

b）將調節好電壓值的變壓整流器出線端與安全閘刀進線端相連后，再用導線將安全閘刀出線端與電流表、熔斷器、滑動變阻器、定值電阻進行串聯，最后將電壓表并聯在定值電阻兩端，外部電路連接完畢；

c）將反射墊板和待焊工件分別置于各自放置平臺上，其中，在待焊工件與焊接夾具之間添加絕緣墊片，將導線一端接觸反射墊板下表面，另一端引出接在定值電阻左端口；再用導線一端接觸待焊工件上表面，并用定位壓緊裝置將待焊件壓緊，另一端引出接在定值電阻右端口；

d）利用激光器的計算機控制系統將激光頭移動到待焊金屬薄板焊縫位置上方，確保發射的激光束每次都與待焊件拼接時的中間焊縫處于同一直線上；

e）開啟激光器，將安全閘刀閉合，外部電路通電，調節滑動變阻器阻值，從而間接調節定值電阻兩端電壓至所需電壓值，此過程對待焊工件與反射墊板所形成的平行板電容器進行充電，待平行板電容器充電飽和穩定時，開啟計算機控制系統控制激光頭出光并按照指定軌跡進行激光掃描焊接；

f）焊接完畢后，先斷開閘刀切斷外部電路，取下工件，至此完成一次焊接工序；待所有待焊工件全部焊接完畢后，最后關閉激光器和計算機控制系統。

所述將220v交流電通過變壓整流器轉變為直流電，其特征是直流電的輸出電壓為100-200v，焊接過程中以整流輸出電壓取上限為宜。

所述間接調節定值電阻兩端電壓，其特征是間接調節定值電阻兩端電壓在60-180v；

所述間接調節定值電阻兩端電壓，其特征是當焊接鈦合金tc4薄板時間接調節定值電阻兩端電壓為120v；

所述待平行板電容器充電飽和穩定，其特征是通電時間不低于2分鐘。

所述激光器為光纖激光器。

以鈦合金tc4薄板激光焊接為例。實驗分為四組，每組包含2塊25mm×40mm×0.6mm的矩形薄板試樣，反射墊板為al99.8市購鋁板，保護氣體為純氬氣。四組試驗均采用相同的激光器，型號為zksx-10d4光纖耦合全固態激光器，參數如下：額定功率1kw，波長為1064nm，光束質量為16-32mm*mrad，光纖芯徑數值孔徑為0.15μm；同時，四組試驗均采用相同的工藝參數：激光功率600w、掃描速度300mm/min、離焦量-1mm、氬氣流量為15l/min。

第一組實驗中，斷開安全閘刀4，在無輔助電場條件下對鈦合金薄板試樣進行激光對接焊接，如圖2，焊接效果如圖4。

第二組至第四組實驗中，閉合安全閘刀4，在有輔助電場條件下對鈦合金薄板試樣進行激光對接焊接，如圖3。

實施具體過程如下：

a）先將220v交流電源1通過變壓整流器3轉變為額定值200v的直流電源；

b）用導線2將設置好額定值為200v的變壓整流器3的出線端與安全閘刀4進線端相連，再用導線2將安全閘刀4出線端與熔斷器5、電流表6、定值電阻8、滑動變阻器9進行串聯，最后用導線2將電壓表7并聯在定值電阻8兩端，外部電路連接完畢；

c）將反射墊板11和待焊金屬薄板13分別置于各自放置平臺上，鈦合金tc4薄板試樣13和焊接夾具10之間添加絕緣墊片12，用導線2一端接觸反射墊板11下表面，另一端引出接在定值電阻8左端口；然后用導線2一端分別接觸兩塊待焊金屬薄板13上表面，并用定位壓緊裝置將待焊金屬薄板13壓緊，另一端引出接在定值電阻8右端口；

d）利用計算機控制系統15將激光頭14移動到激光頭待焊金屬薄板焊縫位置上方，確保發射的激光束每次都與待焊件拼接時的中間焊縫處于同一直線上；

e）開啟激光器16，將安全閘刀4閉合外部電路通電，調節滑動變阻器9的阻值，從而間接調節定值電阻8的兩端電壓（其中第二組實驗至60v、第三組實驗至120v、第四組實驗至180v），此過程對待焊金屬薄板13與反射墊板11所形成的平行板電容器進行充電2min后，待平行板電容器充電飽和穩定時，開啟計算機控制系統15控制激光頭14出光并按照焊縫軌跡進行激光掃描焊接；

f）焊接完畢后，先斷開閘刀4切斷外部電路，取下焊好的金屬薄板，最后關閉計算機控制系統15和激光器16。

如圖3、5所示，在金屬薄板和背面的反射墊板之間引入勻強電場，利用輔助電場即平行板電容器的特性對焊件背面的金屬蒸氣云的離散程度和方向性進行調控，以保證經反射墊板誘導激發產生的金屬蒸氣云重新作用回背部焊接區時其方向性和集中性較好，從而提高了背面能場效率并改善了背面能場對背面焊接區的保護作用。觀察試樣背面宏觀形貌可見，第二組至第四組實驗所獲得試樣背面焊接區尤其是熱影響區氧化現象較第一組實驗所獲得試樣要弱；同時，以焊縫區面積為背面能場效率評價指標，第二組至第四組實驗中背面能場效率，相對于第一組實驗分別增加了6.5%、13.8%和11.4%，達到本發明所述目的和效果。

本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。